高精密和超精密机床.docx

高精密和超精密机床单位：同济大学现代制造技术研究所作者：张曙卫汉华等发布时间：2012-5-1411:18:16高精密加工
随着航空航天、汽车等工业的技术发展和环保要求的不断提高，对零件的加工精度和工艺要求也越来越高。以满足欧盟Ⅴ尾气排放要求的柴油发动机为例，燃油喷射阀门（图1）需要在每一冲程内快速开闭5~8次，而阀门往复行程仅20μm，对阀门的气密性和动态特性的要求很高，从而对其加工精度的要求也大大提高。

图1高精度燃油喷射阀门
为了满足上述要求，对这些零件的加工精度要求很高，超出了一般精密加工机床可能达到的要求。尽管超精密加工机床可以达到所需的精度，但由于超精密加工对机床的床身、导轨、主轴的特殊结构，使该类机床不仅价格高昂，也有行程偏小、切削效率低、装夹时间长等缺点，难以满足尺寸较大工件的大批量生产需要。
高精度加工机床是对应上述加工要求的机床。高精密加工的精密度级别介乎精密加工与超精密加工之间，如表1所示。

高精度加工在定义上的一个特点是除了公差范围以外，也同时考虑零件尺寸大小和批量。加工大批量零件时保持5μm的公差，加工相互配合的两个零件时保持2μm的公差，或用小直径的立铣刀在定位精度为0.3μm的机床上进行加工等，都属于高精密加工的范畴。也就是说，零件尺寸和工件批量决定了某些特定公差实现的难度。高精度机床的结构特点
为了实现较高精度的切削运动，高精密加工机床的运动控制普遍采用较高级别的功能部件。
在导轨和轴承方面，由于高精度加工需要实现高精度和平稳的定位运动、轨迹运动和微小距离运动，因此高精度加工机床采用静压丝杠和静压导轨较为常见。此外，高精密加工机床的电主轴也可采取动压或静压轴承的方案，以同时实现支承和冷却功能，并提高主轴的刚度和阻尼性能。
在位置控制方面，由于精密测量是控制高精度加工的前提，要保证机床的运动达到需要的精度级别，其电子尺的测量精度须要高1~2个数量级。目前高精度加工机床一般采用分辨率达0.05~0.1μm的玻璃光栅。
机床的加工精度、光洁度和刀具寿命与机床的刚性成正比，因此高精度加工机床尤其重视床身的设计和材料选择。
以瑞士DIXI公司的JIG系列坐标镗床为例，其床身材料为球墨铸铁，经过有限元分析优化后，床身的静态刚度达120N/μm，比一般数控机床高3倍，高频动态刚度比一般机床高2~3倍。此外，JIG系列机床的床身采用三点支撑，并将刀库、电气柜、托盘交换装置等周边系统与床身分离，此举除可以简化机床安装以外，还有提高机床稳定性、降低床身颤动的作用。
提高机床刚性的另一种途径是使用人造花岗石材料浇注的床身。以德国KERN公司的PyramidNano机床为例，该机床采用了KERN公司专有的Armorith人造花岗石材料（图2中灰色表示Armorith人造花岗石材料，蓝色表示金属部件），与球墨铸铁相比，Armorith材料的阻尼性能高10倍，热导率低50%，热膨胀系数也较低。稳定的温度及震动阻尼基座使PyramidNano机床可以加工出光洁度非常高的表面。此外，Armorith材料具有非常高的密度，2t重的机身仅占2.5m2车间面积。

高精密机床的热管理
机床运行时产生的热量所造成的热变形对加工精度会产生巨大的影响。超精密机床由于机床的总质量远高于所切削的材料，而且单位时间的切削量少，因此，只需要维持机床所处环境的温度恒定，即可避免热变形的问题。可是，高精度机床的使用条件是中批量和大批量生产，要求高速度、大切削量的加工，机床的工件、刀具、丝杠、主轴等部件在加工过程中将产生可观的热量，必须在机床设计上加以周密考虑。
以DIXI的JIG系列坐标镗床为例，为了控制热变形，在机床7处主要热源设置了温度控制点,其分布如图3所示。

图中的控制点分别是：①滚珠螺母；②丝杠轴承；③主轴轴承和电机；④B、C轴直接驱动电机；⑤电气柜；⑥液压系统；⑦冷却循环系统。
同时在各个热源都设计了独立的冷却循环回路并计算好各处热源的发热量。在机床工作期间，冷却液循环系统根据各个热源的发热量供应比室温低2℃的冷却液。确保每各个循环回路都提供稍大于热源发热量的冷却量，以保持机床的热变形在允许范围之内。
由于刀具在切削过程中的热变形无法完全避免，机床的数控系统可以对刀具引起的Z轴误差作出补偿。最后，必须指出的是，除了先进功能部件和技术以外，超精密机床的制造也离不开传统工艺，例如，装配1台超精密机床需要高达数百小时的刮研工作量。
超精密加工
超精密加工是指尺寸精度在100nm以内的加工技术。随着航空航天、精密仪器、光学和激光技术的迅速发展，以及人造卫星姿态控制和遥测器件、光刻和硅片加工设备等各种高精度平面、曲面和复杂形状零件的加工需求日益迫切，超精密加工的应用范围日益扩大。它的特点是可以直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级形面精度的