精密制造技术3-1

第3章 精密和超加工的机床设备 3 -1
精密制造技术
机电工程学院 制造工程系
Guangdong University of Technology
July,27, 2013

3.精密和超加工的机床设备
 精密和超精密加工的基础是精密加工工艺、精密加工装备及其环境、精密 加工测控手段。 本章的主要内容
1.精密和超精密机床发展概况 2.典型超精密机床的简介 3.精密主轴部件 4.精密机床的总体布局和床身导轨 5.进给驱动系统 6.微量进给装置 7.机床的稳定性和减振隔振 8.减少热变形和恒温系统

3.1 精密和超精密机床发展概况
 精密、超精密机床是实现精密、超精密加工的首要基础条件  随着光电子、微电子、通讯、精密光学、新能源、精密传感 器、军事科学、航空航天等技术等的迅猛发展，对精密、超 精密零件的加工的需求越来越高，使得对精密、超精密机床 的研究和开发显得十分迫切。  美国是国际上最早研究和掌握超精密机床开发技术的国家， 从超精密加工工艺到超精密机床结构布局、超精密功能部件 、精密加工的误差控制补偿到超精密加工的环境控制等各方 面，一直走在世界的前列。  日本的精密、超精密加工技术起步较晚，但日本有着雄厚的 工业技术和市场应用基础。随着光电子、微电子、通讯、精 密光学制造的迅猛发展，日本在民用超精密加工技术及其装 备领域占有很重要的地位。

3.1 精密和超精密机床发展概况
1.美国 50年代末期，随着国防工业和尖端技术发展的需要， 美国首先发展了金刚石刀具超精密切削技术，当时称为 “SPDT技术” (Single Point Diamond Turning)，并 发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。比较有代表的有 ：
 Lawrence Livermore国家实验室(LLL或LLNL)于1983—1984年 研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超精密车床，这两台机床是现 在世界公认的水平最高的、达到当前技术最前沿的大型超精密机床。  Union Carbide公司、Moore Special Tool公司和美国空军兵器研 究所一起于20世纪90年代制订了一个以0.1μm形状精度，加工直径为 800mm的大型球面光学零件的超精加工规划，即举世闻名的POMA规 划(Point One Micrometer Accuracy)。它对机床提出了极严格的 要求。这规划已经实现：例如，美国Moore公司现在生产的Nanotech 一500FG 轴数控超精密机床的主要精度指标都已达到上述要求。

3.1 精密和超精密机床发展概况
2. 英国
 英国是较早从事精密和超精密加工 技术研究的国家之一。英国Cranheld Precision Engineering公司(CUPE)以其 精加工技术闻名于世，曾生产HATC 300等超精密车床。 1991年Cranfield公 司研制成功用于加工 X 射线天体望远 镜用反射镜的2.5mx2.5m大型超精密机 床，可用于精密磨削和坐标测量。这是 迄今第二个能制造这样大的大型超精密 机床的单位。

3.1 精密和超精密机床发展概况
3. 日本  精密与超精密加工装备发展起步较晚 。但是由于得到有关方面的重视和协 同努力，发展很快。以微电子、光电 子、民用光学设备和通讯设备制造为 背景，大力发展中小型超精密加工装 备。在中小型超精密机床生产上，已 基本上和美国并驾齐驱。多功能和高 效专用超精密机床在日本发展较好， 使日本在微电子、家电制造等领域处 于世界领先地位。
球形反射镜加工

3.1 精密和超精密机床发展概况
4. 中国精密机床和超精密机床的发展情况  我国在20世纪60年代起即开始发展精密机床，经过40多年的努力，现在 我国的精密机床已具有相当规模，不仅大部分品种都已能够生产，而且精 度质量上也已达到一定的水平。  但我国在基础理论和超精密基础零部件研究和产业化方面与世界先进水平 还存在较大的差距。
快刀伺服金刚石车床
大型精密金刚石镜面切削车床

3.1 精密和超精密机床发展概况
离轴抛物面镜 (飞刀加工)
大口径离轴抛物球面镜 (单点钻石车削)
透镜阵列 (快刀伺服加工)
快刀伺服装置
典型的光学零件

3.2 典型超精密机床的简介
1. Union Carbide公司的半球车 床(1号车床)
 这台空气轴承主轴的车床的外形构造。  它能加工Φ100mm的半球，达到尺寸精度 ±0.6μm，表面粗糙度及。Ra=0.025μm。  这是最早期的使用金刚石刀具实现超精密 镜面切削的机床  采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的 外套可以调整自动定心，轴承的回转精度 达到0.125μm

3.2 典型超精密机床的简介
2. Moore车床
 美国1968年发展了Moore车床。改造了 Moore 3型坐标测量机而研制成功的。  使用了和1号车床相同结构的空气轴承主 轴，以保证达到很高的加工精度;  机床具有三坐标精密数控，即工作台的x、 z方向和回转工作台的B向;  金刚石刀具装在精密回转工作台上，在加 工各种非球曲面时，刀具将垂直于加工表 面，以提高所加工的非球曲面的精度和表 面质量  Moore的M-18AC型超精密非球面车床空 气静压轴承主轴回转精度0.05μm，空气 浮轨，精密数控系统的分辨率0．01μm ，双坐标双频激光测量系统(分辨率 0.01μm)作为工作台移动位置测量及反 馈，  机床床身用优质铸铁制造，有恒温油浇淋 机床中的各发热部件  空气隔振垫支承，以隔离外界振动的影响

3.2 典型超精密机床的简介
3. Ex-Cell-O公司的2m镜面 立式车床
 为加工大功率的CO2气体激光核聚变装 置中的大直径的光学部件，1976年ExCell-O公司开发了加工金属反射镜直径 达2m的金刚石镜面切引车床。  开发了新的空气轴承回转轴的超精密 车床。制成用双半球结构空气轴承主 轴的Ⅱ-G型卧式车床  用端面止推和半球空气轴承主轴结构 的Ⅲ-B型立式车床  这种立式车床主轴的径向圆跳动为 0.10~0.13μm，端面圆跳动为0.15～ 0.18μm  2000r/min运转8h的温升在5.6℃以内， 径向刚度为361N/μm。
8.2-meter astronomical mirror for the ESO Very Large Telescope (VLT) in 1995 at the REOSC factory in Saint Pierre du Perray, France