高精密和超精密機床

1、高精密和超精密機床單位：同濟大學現(xiàn)代制造技術研究所  作者：張曙 衛(wèi)漢華等 發(fā)布時間：2012-5-14 11:18:16高精密加工隨著航空航天、汽車等工業(yè)的技術發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，對零件的加工精度和工藝要求也越來越高。以滿足歐盟尾氣排放要求的柴油發(fā)動機為例，燃油噴射閥門（圖1）需要在每一沖程內快速開閉58次，而閥門往復行程僅20m，對閥門的氣密性和動態(tài)特性的要求很高，從而對其加工精度的要求也大大提高。圖1 高精度燃油噴射閥門為了滿足上述要求，對這些零件的加工精度要求很高，超出了一般精密加工機床可能達到的要求。盡管超精密加工機床可以達到所需的精度，但由于超精密加工對機

2、床的床身、導軌、主軸的特殊結構，使該類機床不僅價格高昂，也有行程偏小、切削效率低、裝夾時間長等缺點，難以滿足尺寸較大工件的大批量生產(chǎn)需要。高精度加工機床是對應上述加工要求的機床。高精密加工的精密度級別介乎精密加工與超精密加工之間，如表1所示。高精度加工在定義上的一個特點是除了公差范圍以外，也同時考慮零件尺寸大小和批量。加工大批量零件時保持5m的公差，加工相互配合的兩個零件時保持2m的公差，或用小直徑的立銑刀在定位精度為0.3m的機床上進行加工等，都屬于高精密加工的范疇。也就是說，零件尺寸和工件批量決定了某些特定公差實現(xiàn)的難度。高精度機床的結構特點為了實現(xiàn)較高精度的切削運動，高精密加工機床的運動

3、控制普遍采用較高級別的功能部件。在導軌和軸承方面，由于高精度加工需要實現(xiàn)高精度和平穩(wěn)的定位運動、軌跡運動和微小距離運動，因此高精度加工機床采用靜壓絲杠和靜壓導軌較為常見。此外，高精密加工機床的電主軸也可采取動壓或靜壓軸承的方案，以同時實現(xiàn)支承和冷卻功能，并提高主軸的剛度和阻尼性能。在位置控制方面，由于精密測量是控制高精度加工的前提，要保證機床的運動達到需要的精度級別，其電子尺的測量精度須要高12個數(shù)量級。目前高精度加工機床一般采用分辨率達0.050.1m的玻璃光柵。機床的加工精度、光潔度和刀具壽命與機床的剛性成正比，因此高精度加工機床尤其重視床身的設計和材料選擇。以瑞士DIXI公司的JIG系列

4、坐標鏜床為例，其床身材料為球墨鑄鐵，經(jīng)過有限元分析優(yōu)化后，床身的靜態(tài)剛度達120N/m，比一般數(shù)控機床高3倍，高頻動態(tài)剛度比一般機床高23倍。此外，JIG系列機床的床身采用三點支撐，并將刀庫、電氣柜、托盤交換裝置等周邊系統(tǒng)與床身分離，此舉除可以簡化機床安裝以外，還有提高機床穩(wěn)定性、降低床身顫動的作用。提高機床剛性的另一種途徑是使用人造花崗石材料澆注的床身。以德國KERN公司的Pyramid Nano機床為例，該機床采用了KERN公司專有的Armorith人造花崗石材料（圖2中灰色表示Armorith人造花崗石材料，藍色表示金屬部件），與球墨鑄鐵相比，Armorith材料的阻尼性能高10倍，熱導

5、率低50%，熱膨脹系數(shù)也較低。穩(wěn)定的溫度及震動阻尼基座使Pyramid Nano機床可以加工出光潔度非常高的表面。此外，Armorith材料具有非常高的密度，2t重的機身僅占2.5m2車間面積。高精密機床的熱管理機床運行時產(chǎn)生的熱量所造成的熱變形對加工精度會產(chǎn)生巨大的影響。超精密機床由于機床的總質量遠高于所切削的材料，而且單位時間的切削量少，因此，只需要維持機床所處環(huán)境的溫度恒定，即可避免熱變形的問題?？墒?，高精度機床的使用條件是中批量和大批量生產(chǎn)，要求高速度、大切削量的加工，機床的工件、刀具、絲杠、主軸等部件在加工過程中將產(chǎn)生可觀的熱量，必須在機床設計上加以周密考慮。以DIXI的JIG系列坐

6、標鏜床為例，為了控制熱變形，在機床7處主要熱源設置了溫度控制點, 其分布如圖3所示。圖中的控制點分別是：滾珠螺母；絲杠軸承；主軸軸承和電機； B、C軸直接驅動電機；電氣柜；液壓系統(tǒng)；冷卻循環(huán)系統(tǒng)。同時在各個熱源都設計了獨立的冷卻循環(huán)回路并計算好各處熱源的發(fā)熱量。在機床工作期間，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各個熱源的發(fā)熱量供應比室溫低2的冷卻液。確保每各個循環(huán)回路都提供稍大于熱源發(fā)熱量的冷卻量，以保持機床的熱變形在允許范圍之內。由于刀具在切削過程中的熱變形無法完全避免，機床的數(shù)控系統(tǒng)可以對刀具引起的Z軸誤差作出補償。最后，必須指出的是，除了先進功能部件和技術以外，超精密機床的制造也離不開傳統(tǒng)工藝，例如，裝

7、配1臺超精密機床需要高達數(shù)百小時的刮研工作量。超精密加工超精密加工是指尺寸精度在100nm以內的加工技術。隨著航空航天、精密儀器、光學和激光技術的迅速發(fā)展，以及人造衛(wèi)星姿態(tài)控制和遙測器件、光刻和硅片加工設備等各種高精度平面、曲面和復雜形狀零件的加工需求日益迫切，超精密加工的應用范圍日益擴大。它的特點是可以直接加工出具有納米級表面光潔度和亞微米級形面精度的表面，借以實現(xiàn)各種優(yōu)化的、高成像質量的光學系統(tǒng)，并促使光學電子設備的小型化、陣列化和集成化。近年來，超精密加工開始從高技術裝備制造領域走向消費品生產(chǎn)領域。應用最為廣泛的是各種電子產(chǎn)品中的塑料成像鏡頭，如手機和數(shù)碼相機鏡頭、光盤讀取鏡頭、人工晶體

8、等。同時，也開始用于各種自由曲面光學零件、微透鏡陣列、漸進式鏡片、菲涅爾透鏡、微溝槽陣列等各種光束處理鏡片的加工。與成像鏡頭相比，光束處理器件具有更為復雜的形面。若干典型的光學器件如圖4所示。圖4 典型的光學零件此外，為了提高光束處理器件的加工效率，出現(xiàn)了出若干新的加工技術，如刀具法向成型車削、飛刀切削、慢刀伺服車削等。單晶金剛石車削和法向成型車削單晶金剛石車削（Single Point DiamondTurning）是最早出現(xiàn)的超精密加工工藝。單晶金剛石刀具是采用單晶金剛石制造的尺寸很小的切削刀具，由于其刀尖半徑可以小于0.1m，工件加工后的表面粗糙度可達納米級。因此能在硬材料上直接切削出具

9、有極光潔的表面和超高精度的微小三維特征，適用于塑料鏡頭注塑模模芯、鋁合金反射鏡以及有機玻璃透鏡等零件的加工。美國Moore Nanotechnology System公司的450UPL型超精密車床的外觀如圖5所示。圖5 450UPL型超精密車床通常，單晶金剛石車削加工只對X軸和Z軸進行軌跡控制，雖然理論上可以在一次車削過程中可以加工回轉體的端面和內外成形表面，但由于刀具結構的限制，在加工LED準直鏡等落差較大的成形表面時，刀具與鏡面會發(fā)生干涉，往往無法一次完成整個鏡面的車削。為了解決這類光學器件的加工，開發(fā)了刀具法向成形（Tool-normalContouring）加工模式。將刀架安裝在回轉B

10、軸上，機床對X、Z、B軸同時進行控制，使刀具在車削過程中始終保持刀尖與工件曲面的法線重合，一次完成整個鏡面的車削，如圖6所示。圖6 刀具法向成形車削過程飛刀切削加工除了回轉對稱的鏡片外，各種波導器件在產(chǎn)品上的應用也越來越多，波導器件是一種引導和約束光傳播路徑和方向的光學器件。條形波導器件特點是鏡面曲率大、形狀狹長，采用一般車削加工的效率低而且加工范圍受車床的主軸回轉半徑限制。飛刀切削（Fly-cutting）是在超精密車床的基礎上，通過改變刀具和工件的裝夾方法，提高大曲率狹長工件切削效率的加工模式。它的原理是將刀具徑向安裝在圓柱形的刀盤前端上，再將刀盤安裝在車床主軸上隨主軸高速旋轉，故稱為“飛

11、刀”。工件則安裝在工作臺上隨工作臺進行直線進給，從而實現(xiàn)切削過程。條形波導器件和飛刀切削過程如圖7所示。圖7 條形波導器件和飛刀切削過程當一條刀具軌跡完成后，“飛刀”隨著主軸沿切削間距方向移動一定距離，轉為另一條軌跡的加工。由于刀具每旋轉一周，刀具與工件只接觸一次，加工效率比較低，因此以飛刀切削平滑曲面時，一般采用聚晶金剛石材料的圓弧刀刃車刀來取代單晶金剛石尖刀，以盡量增大切削間距，同時提高主軸轉速，以提高加工效率。刀切削的另一種用途是加工具有微結構陣列的光學器件。微結構表面是指具有特定功能的微小表面拓撲形狀，形面精度達亞微米級的表面。如微結構陣列光學器件、菲涅爾透鏡、衍射光學元件、梯度折射率

12、透鏡、閃耀光柵、多棱鏡等，典型的金字塔微結構如圖8所示。圖8 金字塔微結構由于微結構陣列光學元件能大大提高光學器件的深寬比，有利于產(chǎn)品的小型化。用飛刀切削加工微結構陣列的原理是在整個面上完成一個方向的加工后，根據(jù)要加工的微結構形狀的需要將工件轉動一定的角度再進行另一個方向的加工，直到加工出所需要的線性槽微結構、由多條相交線組成的微槽結構陣列，重復性的棱柱矩陣、金字塔矩陣等。慢刀和快刀伺服車削技術飛刀銑削雖然可以加工部分微結構，但飛刀加工時工件的安裝與調整比較困難，加工面形仍然受刀具尺寸的影響。此外，非幾何形狀的反光罩、正弦相位板等具有自由曲面陣列的光學器件，由于其微結構的排列為非相交線組成，難

13、以采用飛刀切削加工。慢刀伺服和快刀伺服車削是近年發(fā)展比較快的超精密加工技術，這2種技術均能顯著提高微結構陣列和自由曲面光學器件的加工效率。1慢刀伺服車削慢刀伺服（Slow Tool Servo）車削是對車床主軸與Z 軸均進行控制，使機床主軸變成位置可控的C軸，機床的X、Z、C三軸在空間構成了柱坐標系，同時，高性能和高編程分辨率的數(shù)控系統(tǒng)將復雜面形零件的三維笛卡爾坐標轉化為極坐標，并對所有運動軸發(fā)送插補進給指令，精確協(xié)調主軸和刀具的相對運動，實現(xiàn)對復雜面形零件的車削加工。慢刀伺服車削Z軸和X軸往往同時作正弦往復運動，需要多軸插補聯(lián)動，如圖9所示。圖9 慢刀伺服車削因此，在加工前需要對零件面形進行

14、多軸協(xié)調分析，進而確定刀具路徑和刀具補償。此外，慢刀伺服受機床滑座慣性和及電動機響應速度影響較大，機床動態(tài)響應速度較低，適合加工面形連續(xù)而且較大的復雜光學器件。2快刀伺服車削快刀伺服（Fast ToolServo）車削與慢刀伺服的差別在于：將被加工的復雜形面分解為回轉形面和形面上的微結構，然后將兩者疊加。由X軸和Z軸進給實現(xiàn)回轉形面的軌跡運動，對車床主軸只進行位置檢測并不進行軌跡控制。借助安裝在Z軸但獨立于車床數(shù)控系統(tǒng)之外的冗余運動軸來驅動刀具，完成車削微結構形面所需的Z軸運動。這種加工方法具有高頻響、高剛度、高定位精度的特點?？斓端欧且惶姿欧刂频牡都芗捌淇刂葡到y(tǒng)，金剛石刀具在壓電陶瓷驅動下可以進行Z軸的往復運動?？刂葡到y(tǒng)在實時采集主軸角度信號的基礎上，實時發(fā)出控制量，控制刀具實時微進給，從而實現(xiàn)刀具跟蹤工件面形的起伏變化，如圖10所示