超精密加工的机床设备

超精密加工的机床设备

摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。

关键词：超精密加工机床发展关键技术

1.引言

制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前，国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。

2.超精密机床的发展现状

2.1国外超精密机床发展现状

目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。各国主要代表性研究机构及机床综述如下。

1962年美国Union Carbide公司研制成功半球车床, 它是最早使用金刚石刀具实现超精密镜面切削的机床, 可用于加工球形和半球形零件, 机床为立式布局, 电动机通过带轮带动主轴旋转, 主轴采用高精度空气轴承, 加工件尺寸精度为0.6µm, 表面粗糙度Ra为0.025µm以内。美国LLNL 实验室于20世纪80年代研制成功两台大型超精金刚石车床。一台是卧式DTM-3超精密金刚石车床, 该机床为T 形结构, 采用多路激光干涉测量系统, 可对各轴进行直线和偏移误差补偿。其系统分辨率为215nm, 最大加工直径为Φ2100mm, 加工精度方面: 形状误差可达28nm, 圆度和平面度可达12.5nm, 表面粗糙度Ra可达4.2nm。另一台是立式大型光学金刚石车床LODTM, 机床主轴系采用液体静压轴承, 位置测量系统采用分辨率为0.625nm 的7路双频激光测量系统, 50r/m in时的主轴回转精度小于51nm, 加工精度可达28nm, 可加工直径1.65m、高0.5m、质量1 360kg 的工件。现在仍被公认为世界上精度最高的超精密机床。

图1 美国LLNL实验室研制的LODTM车床

美国Moore Nanotechnology System 公司生产的超精密金刚石车床Nanotech 250UPL, 代表着纳米级加工机床的发展水平。机床床身采用天然黑花岗岩结构, 控制系统采用激光全息式直线移动的全闭环控制系统, 分辨率高达0.034nm, 采用了基于PC 和Windows的运动控制系统, 线性编程精度为1nm、旋转编程精度为01000 01°, 高纯度铝合金加工试件的加工精度P-V 值小于等于0.125µm, 表面粗糙度Ra2.0 nm。

图2 Nanosys300 非球面复合加工系统

欧洲的许多国家也进行了超精密机床的开发研究。荷兰PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金刚石车床COLATH, 主要用于非球面塑料透镜的加工, 加工精度在0.5µm 以下, 表面粗糙度Ra< 0.02µm。英国Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM 2500 多功能三坐标联动数控磨床, 其工作台尺寸为2 500mm *2 500mm。该机床采用油膜轴承技术, 有利于减小振动, 实现运动的平稳控制。其无损磨削速度可达100~ 300mm3 /min,加工表面粗糙度为10~ 50nm, 形状误差小于5µm /m,亚表面损伤小10µm。Cranfield大学Paul Shore 等人设计制造了新型超精密磨床BOX, 机床主轴采用油膜轴承, 功率可达10kW, 材料切削速度可达200mm3 / s。该机床具有较好的动静态特性, 其静态刚度大于100N, 运动件质量小于750kg, 共振频率大于100Hz。亚表面损伤P-V 值小于1µm。

日本TOYOTA公司生产的AHNIO型高效专用超精密车床, 机床主轴采用空气轴承, 最大加工直径为100mm, 刀架设计成滑板结构。直线移动分辨率为

0.01µm, 采用激光测量反馈系统, 定位精度全行程0.03µm, B 轴回转分辨率为

1.3°。砂轮轴由气动透平驱动, 转速为100 000r/min。该机床加工的模具形状精度为0.05µm, 表面粗糙度Ra0.025µm。日本FANUC公司研制的ROBONANO A-0 iB超精密加工机床, 该机床利用了FANUC 公司的纳米级控制技术, 直线轴(X、Y、Z ) 分辨率可达1nm, 旋转轴(B、C ) 分辨率为0.000 01°。机床的运动部件全部采用空气静压支承结构(导轨、进给丝杆螺母副、驱动电机), 将系统的摩擦减小为0。机床的发热量仅为5W, 通过供给机床压缩空气可使温升控制在±0.01℃。利用该机床可实现铣削、车削和高速刻绘加工。

2.2国内超精密机床发展现状

北京机床研究所自主研发了一系列具有自主知识产权的超精密机床, 如SQUARE 系列超精密光学镜面铣床、SPHERE200 超精密球面镜加工机床、NANO-TM 500纳米级车铣复合加工机床和NAM-820超精密数控车床。这些机床的轴系精度小于等于0.05µm, 导轨精度达0.1µm /200mm, 加工件(有色金属) 表面粗糙度Ra≤0.002µm。其中NAM-820超精密数控车床, 采用具有自主知识产权、获得国家科技进步一等奖的超精密气体静压主轴, 确保主轴的回转精度小于0.05µm。X 轴、Z 轴采用高精度气体静压导轨, 位置反馈元件采用高精度双频激光干涉仪, 分辨率为0.01µm, 专用数控系统分辨率高达0.001µm。NANO-TM500纳米级车铣复合加工机床是目前我国最新一代的纳米级加工机床。机床溜板采用直线电机对称双驱动结构, 最小移动控制量为1nm,机床回转工作台采用空气静压轴承、高分辨率直接驱动结构, 回转精度为0.005µm, 机床主轴采用高精度空气静压轴承、整体电主轴结构, 回转精度为0.005µm, 加工件表面粗糙度Ra≤5nm。

哈尔滨工业大学研制的型号为HCM- I亚微米超精密加工车床, 主轴精度小于等于50nm, 径向刚度220N /Lm, 轴向刚度160N /Lm, 导轨Z 向(主轴) 直线度小于等于0.2µm /100mm, X 向(刀架)直线度小于等于0.2µm /100mm, 加工工件精度形面精度(圆度) 小于等于0.1µm。

三零三所研制的Nanosys-300、CJY-500和COMM等超精密机床已达到国际先进水平。C JY-500超精密研磨机的加工工件平面度为0.03µm /50×50mm,加工工件表面粗糙度Ra 为0.000 3µm。Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工机床,