精密超精密加工機床關鍵技術分析
哈爾濱工業大學 蓋玉先 董申
1 引言
超精密加工機床的研制開發始於20世紀60年代。當時在美國因開發激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發制作反射鏡的超精密加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機床應運而生。1980年美國在世界上首次開發了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，它標誌著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研制開發滯後於美國20年。從1981～1982年首先開發的是多棱體反射鏡加工機床，隨後是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機床技術也都處於世界先進水平。我國的超精密加工機床的研制開發工作雖起步比較晚，但經過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。哈爾濱工業大學精密工程研究所研制開發的HCM-Ⅰ超精密加工機床，主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。 表1 國內外典型超精密車床性能指標匯總 型號(生產廠家) HCM-Ⅰ
(中國哈工大) M-18AG
(莫爾特殊機床,美國) Ultraprecision CNC machine
(東芝,日本) Ultraprecision Lathe
(IPT，德國)
主軸 徑向跳動(μm) ≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048
軸向跳動(μm) ≤0.05 ≤0.05(500r/min)
徑向剛度(N/μm) 220 100
軸向剛度(N/μm) 160 200
導軌 Z向(主軸)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm 0.044μm/80mm
X向(刀架)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm 0.044μm/80mm
X、Z向垂直度(") ≤1 1
重復定位精度(μm) 1(全程)
0.5(25.4mm)
加工
工件
精度 形面精度(μm) 圓度：0.1 平面度：0.3 ＜0.1(P-V值) 0.1
表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(P-V值) Ra0.002 0.002～0.005RMS
位置反饋系統分辨率(μm) 25 2.5 10
溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1
隔振系統固有頻率(Hz) ≤2 2
加工範圍(mm) 320 356 650×250
2 主軸系統
超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的回轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的壹個部件，通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研制開發的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺回轉精度。主軸振擺回轉精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復徑向振擺，屬於靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉精度可達0.05μm，最高可達0.03μm，由於軸承中支承回轉軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高於軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學者研究表明，當軸和軸套的圓度達到0.15～0.2μm的精度時，可以得到10nm的回轉精度，並通過FFT測定其所制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細致的工作。要做到納米級回轉精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.15～0.2μm，再通過空氣膜的均化作用來實現外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、分布精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產生微小振動的直接原因，從而影響回轉精度。要改善供氣系統的狀況，軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對表面進行堵塞加工。 3 直線導軌
作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌，是僅次於主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是：動作靈活、無爬行等不連續動作；直線精度好；在實用中應具有與使用條件相適應的剛性；高速運動時發熱量少；維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有V-V型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的V-V型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。後兩種都屬於非接觸式導軌，所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮後兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由於油的粘性剪切阻力而發熱量比較大，因此必須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養也麻煩。氣體靜壓導軌由於支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發熱問題，如?畛醯納杓坪俠恚?蛟諍笮?奈?薇Q?矯婕負醪換岱⑸?裁次侍狻5?匭胱⒁獾脊烀嫻姆萊盡？掌?脊斕募湎督鑫?肝⒚祝?勻緔舜笮〉某景H庋氹強床壞降模?庋?某景＜詞故墻嗑皇乙膊荒芡耆景B淙肟掌?脊烀婺諢嵋?鸕脊烀嫻乃鶘恕W芴蹇蠢矗?掌?慚溝脊焓悄殼白詈玫牡脊歟?舨荒鼙Vし萊咎跫?蛐敫撓靡禾寰慚溝脊臁D殼翺掌?慚怪畢叩脊斕鬧畢叨瓤紗?.1～0.2μm/250mm。
HCM-Ⅰ超精密加工機床上使用的即是空氣直線導軌，其氣浮面上的壓力分布如圖1所示。
圖1 氣浮面上的壓力分布
通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論：(1)必須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產生位置擾動，擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統機械加工手段很難加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結構，當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時，有可能產生變形，使氣膜厚度不均勻以致於影響其性能。但經過計算證明，使用長螺釘時，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時，氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級，可忽略不計。
4 進給與微量進給系統
進給系統中最常用的是各種進給絲杠，在超精密加工機床中滾珠絲杠因其反向間隙小、傳動效率高而得到了廣泛的應用。精度更高的靜壓絲杠和摩擦驅動裝置也逐漸用於超精密加工機床。
超精密加工機床的滾珠絲杠壹般的精度等級為C0級。由於是閉環控制，利用最好等級的滾珠絲杠，可獲得現行最高水平0.01μm的定位精度。滾珠絲杠不需要靜壓絲杠所必需的附屬裝置，是使用極為方便的絲杠。但作為亞微米級超精密加工機床的進給絲杠必須考慮到由於滾珠的轉動和滾珠間的接觸滑動有微小的振動及與滑動絲杠等相比較振動衰減特性差等問題。HCM-Ⅰ超精密加工機床采用的滾珠絲杠，在嚴格保證伺服電動機與絲杠、絲杠和螺母與底座和溜板的聯接裝配的基礎上，加大溜板氣浮面積、提高其氣浮剛度，從而減小由於絲杠的誤差對溜板運動精度的影響。並且絲杠螺母與溜板采用了浮動連接結構，從而減小了溜板起伏造成滾珠絲杠受壓波動而引起的絲杠瞬間或永久的變形。同時也避免了由於滾珠絲杠本身彎曲引起的因絲杠旋轉而造成的溜板運動誤差，因此實現了運動的最小位移分辨率≤0.01μm。 >
靜壓絲杠副的絲杠與螺母由於不直接接觸，而是有壹層高壓液體膜相隔，所以沒有由於摩擦而引起的爬行和反向間隙，因此可以長期保持精度，進給分辨率更高；又由於油膜具有均化作用，可以提高進給精度，在較長的行程上可以達到納米級的定位分辨率。但是靜壓絲杠裝置較大，且必須有油泵、蓄壓器、液體循環裝置、冷卻裝置和過濾裝置等眾多的輔助裝置，另外還存在環境汙染問題。
摩擦驅動是通過摩擦把伺服電動機的回轉運動轉換成從動桿的直線運動，實現無間隙傳動，其工作原理如圖2所示。從微觀上看，壓緊輪與從動桿之間的油膜處於液體潤滑狀態，潤滑油的剪斷特性決定牽引系統。因而要選擇系數較高的潤滑油。壓緊輪滾動時實現進給，進給分辨率取決於伺服電動機回轉壹周的步進數。采用摩擦驅動進給的壹個重要問題是預壓，若預壓力過小，則接觸面有可能產生滑動；若預壓力過大，由於彈性變形，則很難實現正確的驅動。另外由於預壓力的存在，還容易產生磨損問題。新的研究表明，用扭曲滾輪摩擦驅動可以實現埃(?)級定位。
圖2 摩擦驅動原理圖
各種進給絲杠及摩擦驅動特性如表2所示。
超精密加工機床中還廣泛應用微量進給機構，以滿足對更高定位精度和進給分辨率的要求。常用的方法有采用滾動絲杠進給和彈性進給並用的方法和由粗調和微調壓電元件組合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工機床采用的是壓電式微量進給刀架。 表2 各種進給機構特性表 種類 優點 缺點 定位精度
進給絲杠 滑動
絲杠 制造容易，但需有研磨加工技術，衰減性好 需註意爬行 經仔細研磨加工後定位精度為0.01μm
前加工需達到0.1μm
滾珠
絲杠 已有規格化，容易搞到(C0)級 衰減性不好，
需註意爬行，
註意微小振動 最高可達0.01 μm
前加工需達到0.1μm
液體靜
壓絲杠 精度高，衰減性小 裝置大，輔助設備多和維護難，油汙染 相當好的定位精度為0.01μm，通常是
0.03 μm
氣體靜
壓絲杠 精度高，維護容易 加工難 0.01μm
摩擦驅動 精度高，結構簡單 需要適宜的預壓和管理 當前的目標是0.01μm
壓電元件 超微細的分辨率(亞納米，nm) 行程微小(幾微米～十幾微米) nm，
5 環境條件
超精密加工的環境條件有三。其壹是汙染，超精密加工機床必須置於潔凈的超凈室內才能充分發揮其優勢。室內的潔凈度以壹立方英尺中0.5μm以上的灰塵的數量表示。作為超精密加工機床的工作環境應為20000～3000級以下。
其二是振動。環境振動的幹擾不僅會引起機床本體的振動，更主要的是會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，後者將直接反映到被加工零件的精度和表面質量上。因此超精密加工機床必須設置性能優異的隔振裝置。目前國外超精密加工機床中，大多數采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統，並取得了較好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧在具有較大承載能力的同時，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統獲得較低的固有頻率，遠離環境幹擾頻率，提高隔振效果。經理論分析研究和計算比較，HCM-Ⅰ超精密加工機床采用了直筒約束膜式結構，並取內、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結構簡單，便於模具的制造以及裝置的安裝和調整。
表3 提高超精密加工精度的計劃目標 誤差原因 日本精度(μm) POMA計劃值(μm)
位置檢測精度
定位精度
偏擺、俯仰、傾斜
直線度
軸向跳動
徑向跳動
主軸的延伸
主軸驅動
熱的影響
工件的裝夾
形狀精度(綜合精度) 0.005
0.005
(0.05")
0.02
0.005
0.005
0.025
0.01
0.025
0.025
0.05 0.05
0.01
0.02
0.02
0.02
0.02
0.05
0.01
0.05
0.05
0.1
註：POMA是在將直徑為800mm的大型非球面反射鏡的形狀精度提高到0.1μm的前提下出來的。
p>其三是溫度。超精密加工機床的加工必須在恒溫室內進行，加工過程中溫度的變化，會造成機床運動精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這壹問題，通常從兩個方面入手，壹是選擇合適的部件材料，超精密加工機床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實際出發，HCM-Ⅰ超精密加工機床幾乎全部采用花崗巖。二是保持溫度的恒定控制。在總結國內外經驗之後，哈爾濱工業大學提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎上進行的超精密恒溫供油系統的溫控精度達到了世界先進水平。
6 結束語
亞微米級超精密機床HCM-Ⅰ的誕生，標誌著我國的超精密加工研究跨入了國際行列。但它畢竟還沒有走出實驗室，沒有商品化，要趕上國際先進水平還需加倍的努力。表3列出的是美國POMA的精度目標值和日本學者認為的今後精度目標值。
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