超精密平面磨削的技术要求

超精密平面磨削的技术要求

1.1超精密平面磨削的技术指标

精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般

加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的

精密加工对今天来说已是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。精密

加工是指加工精度为1-1µm、表面粗糙度为Ra0.1-0.025µm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于

0.1µm、表面粗糙度Ra小于0.025µm的加工技术，因此，超精密加工又称之为亚微米级加工。但是，目前

超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的技术，如表1所示。

根据我国目前精密平面磨削的基础，结合国外超精密平面磨削的技术指标，提出以下超精密平面磨削机床

的技术指标，并与已实现的技术指标作了比较。

表1 超高精度平面磨床主要技术参数与目前三个精度级的对比单位mm

1.2超精密平面磨削的技术要求

根据表1所示的超精密平面磨削的技术指标，我们可以提出超精密平面磨削机床的技术要求：机床的砂轮

垂直进给能实现微量进给，机床具有足够的静、动态刚性，尤其是对机床的热变形及振动的控制较常规的

机床要有质的提高。

2实现超精密平面磨削的方法与手段

如上所述，为了实现这些技术要求来达到理想的技术指标，在机床的设计理念与机床的具体结构中，要求

与传统的机床有较大的改进与提高，根据我们的经验及对国外精密加工技术资料收集与分析，结合平面磨

削的机床结构、运动要求，可将整机分解为如下的主要单元技术：（1）机床布局型式；（2）新材料运用；（3）主轴精密回转技术；（4）微量进给技术；（5）运动导轨型式；（6）高精度温度控制技术。

2.1机床布局型式

机床布局型式极为重要，是决定成败的关键，但是超精密磨削技术是由精密磨削发展而来，从国外已实现

超精密平面磨削机床看，其结构型式多种多样，既有“磨头移动式”，也有“立柱移动式”或“十字拖板移动式”，无一例外，均未脱离传统的机床布局结构型式。从我们已掌握的高精度平面磨削技术基础上，认为机床结

构采用“十字拖板移动式”适合于超高精度平面磨削机床的研制。因为该结构型式，具有机床结构布局对称

性好，热稳定性好；主要运动部件重心低，运动平稳等优点。

2.2新材料运用

超精密平面磨削对机床的热变形及振动控制要求较高。在机床基础结构件材料的运用上，应突破传统以灰

铸铁为主的原则，采用一些新型材料，如：非金属材料——树脂混凝土，该材料的振动衰减性、耐热梯度、线胀系数等特性均大大优于金属材料。这在国外已被成熟运用，在国内也有运用的例子，如上海机床厂有

限公司的数控凸轮轴磨的床身采用了人造大理石材料，取得了较好的效果。因而在超精密平面磨削机床的

主要关键基础件，如床身、立柱、拖板等应采用人造大理石材料。

2.3主轴精密回转技术

主轴回转精度是超精密平面磨削的关键技术之一，其数值要求在0.1µm以下，而且其刚度、热膨胀性、抗振性等方面都应有非常好的性能。

静压空气轴承的主轴部件具有以下优点：刚性高，摩擦国小，温度变化小，能在高转速下工作，回转精度高，其精度可达到0.1µm-0.025µm,径向和轴向刚度在100-300µm之间，磨损率小（接近于零），寿命长，基本不需要维修等。因而空气静压轴承主轴将是超精密平面磨削的首选。

2.4微量进给技术

在超精密平面磨削加工中，砂轮的微量进给是被加工件尺寸精度和表面质量的重要保证。目前，在精密的平面磨削加工中，其进给通常采用“伺服电机+滚珠丝杆”的典型的纯机械方式，一般以能实现0.1µm的微量进给为极限。若要实现超精密平面磨削所需的0.1µm-0.01µm乃至更小的微量进给，传统的机械方式已不能适用。

从国外的资料了解，目前实现微量进给主要采用以下两种方式：一是利用压电陶瓷的位移分辨率高、响应速度快的特点，二是利用材料的热变形原理实现微量进给。其中压电陶瓷在微量进给机构中的运用比较普遍，已可稳定达到0.01µm的微量进给，因而，在超精密平面磨削加工首选是采用此种方式。其次，超精密平面磨削研制的初级阶段，若能采用对传统的机械方式进行精化，稳定实现0.1µm的微量进给，也可满足在大多数超精密平面磨削加工的需要。

2.5运动导轨型式

超精密平面磨削是依靠砂轮与工件的相对运动来实现的，它不仅需要砂轮具有精密的回转运动，而且也需要工件具有超精密的直线运动，其精度要求应在0.1µ/100mm之内。因而一般常常使用静压导轨，利用其运行精度高、无爬行等优点。静压导轨又分为液体静压和气体静压两种。一般来说，液体静压导轨刚度大，在具有磨削功能的机床使用广泛，但是它的结构相对复杂，由于油的粘性剪切阻力，发热问题较为严重，热变形控制相对较难。因而，采用气体静压导轨更为适用。

2.6高精度温度控制技术

对超精密平面磨削而言，机床热变形的控制极为重要，这在机床的整机布局设计过程中，必须考虑热对称性及热稳定性，可考虑采用先进的设计方法加以先期的控制。对机床运动产生的热量、磨削产生的热量、必须通过恒温手段加以严格控制，如油液、导轨轴承所用空气、冷却液等，其温度控制精度应在0.1 ºC以内。环境温差也是影响超精密平面磨削的一大因素，可考虑采用多层恒温控制手段，机床周围大环境的温差控制在20ºC±1ºC,其近围环境温度应控制在20ºC±0.1ºC，而且要控制人体（操作工）对温度的影响。