浅析超精密加工机床现状及展望

浅析超精密加工机床现状及展望张建锋学号：11309017(汕头大学机械工程学院广东)摘要：本文主要讨论超精密加工以及加工机床的发展历程、国内外现状、关键技术要点以及展望。通过对超精密加工机床的现状和难点分析，总结了未来超精密加工机床的发展趋势，并且具体给出了超精密加工机床的重点需要突破革新的要点和对策。关键字：超精密加工、超精密加工机床、精度、效率。0前言超精密加工技术是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。超精密加工技术是现代制造技术之一，它与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，主要包含有超精密制造、超精密检测、超精密环境控制及其各类辅助研究分支。大部分仪器系统和设备都是通过机床加工出来的，如隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。目前隐形眼镜的加工工艺主要有三种：分别是旋转成型工艺、切削成型工艺和模压成型工艺。计算机硬盘驱动器、光盘和复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。当现有加工设备不能满足零件加工要求时，必然要设计新设备，这就是我们经常提起的超精密机床的研究，而超精密加工机床的结构设计是其中最关键的技术之一。一个高精密机床的设计不仅仅是机械部门一个单元能完成的，它受到材料、物理、设计和工艺水平等多个环节和整个系统的综合影响。本文主要从超精密加工的起源、内涵、影响因素、研究方向和对策等方面来阐述超精密加工机床结构。1超精密加工相关知识概述超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同历史时期，不同的科学技术发展水平的情况下，有不同的理解。通常我们认为一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密加工技术。被加工尺寸大小不同，超精密加工的界别也会不同，通常认为精度与加工尺寸之比(精度比)达到10-6量级也称为超精密加工[1]。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。(1)20世纪50年代至80年代为技术开创期。20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密切削——单点金刚石切削，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等[2]。这一时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等。(2)20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。20世纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床称为超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1.625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有±25nm的加工[2]。(3)20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工的需求急剧增加。在这一时期，超精密加工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟。此外，设备精度也逐渐增广，除了金刚石车床和超精密研磨外，超精密五轴铣削和飞切技术也被开发出来，并且可以加工非轴对称非球面的光学镜片。目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投入巨额经费，对大型紫外线、X射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。目前此类反射镜的材料为质量轻且热传导良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，须使用超精密研磨加工等方法。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚，却是当今世界超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人造器官等，很多小型和超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面甚至超过了美国[3]。2超精密加工机床的现状及发展趋势2.1国外超精密加工机床技术现状发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内容，各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。2.1.1美国生产的超精密加工机床美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。美国Moore公司2000年生产的五轴联动500FG超精密机床不仅可以加工精密回转体非球曲面，还可以加工精密自由曲面。该加床空气轴承主轴转速20~2000r/min，主轴回转误差≤0.025μm。液体静压导轨由无刷直线电机驱动，直线度误差≤0.025μm/300mm，定位精度0.3μm[4]。2.1.2英国生产的超精密加工机床在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉，他是当今世界精密工程研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。英国Cranfield精加工中心于1991年研制成功的OAGM—2500（工作台面积2500mm*2500mm）多功能三坐标联动数控磨床，可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面，成功加工过天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜[4]。2.1.3日本生产的超精密加工机床20世纪80年代，超精密车削加工技术在美国、英国及日本等国发展较快，可加工铝、铜合金的镜面。但随着机床工业的发展，对床身、导轨、立柱等大中型结构件的精度要求不断提高，仅靠手工研磨已不能适应生产发展的需要。例如三坐标测量机的横梁，陶瓷工件的加工直线性要求1μm/1800mm；半导体制造方面也要求0.5~1μm/500mm*500mm这样高的精度，在这种情况下，日本住友重机械公司经历6年于1985年研制成功的KSX-815超精密平面磨床获得日刊工业新闻社选定的1991年“十大新产品奖”。用该磨床磨削1500mm的工件，直线度达到0.9μm。磨削500mm*500mm的平板，其平面度达到1μm。西铁城公司的SG-530型NC超精密平面磨床为了尽可能地提高精度，消除了摩擦、间隙等非线性因素，采用静压轴承。为控制由于热量引起的机床变形，采用了对称两支承门型结构以及两端支承主轴结构。用该磨床加工500mm*300mm的平板，用自动准直仪测量其平面度为0.6μm；加工用于激光打印机的透镜(复曲面，即XZ断面和YZ断面具有不同曲率半径)，其形状精度可达0.63μm[4]。2.1.4德国、瑞士等生产的超精密加工机床德国JUNG公司是国际上知名度较高的平面磨床，它以精度高、使用寿命长而著称。JUNG公司的主要平面磨产品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作台纵向运动一般都设有两套运动装置，往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，现在该厂生产的高精度镗床DHP40已加上多轴数控系统成为加工中心，同时为使用高速切削，已将主轴最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心，它的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达到5μm，已达到过去坐标镗床的精度[4]。2.2国内超精密加工机床技术现状我国的超精密加工技术在上世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如精度达到0.025μm精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床等达到了国际先进水平。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。但总的来说，我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外相比，与生产实际要求相比，还有相当大的差距[5，6]。3超精密机床结构设计的难点影响制约超精密机床结构精度的主要因素有主轴系统、直线导轨、刀具材质和形状、加工方式、机床的抖动和阻尼特性等。现在有很多新的组合加工方式也能达到很好的表面精度，有着广阔的前景。如EDM+化学腐蚀混合加工，其生产效率高、精度好。精密加工机床主要由机械系统、测控系统和管理系统组成，各系统间相互作用、相互影响，共同保证超精密机床的加工精度[7]。(1)机械系统是超精密加工机床的机构本体，机械系统的性能是超精密机床加工精度的根本保障。对其要求为：高的静精度和动精度，高的静刚度和动刚度，高稳定性。(2)精密加工和超精密机床必须具备相应的检测和控制技术。检测系统将测量的结果反馈给控制系统，以便预防和补偿误差。对数控系统的要求是高的编程分辨率，高精度的伺服控制软硬件环境。(3)严密的组织管理系统。通过对被加工材料和加工机理的分析，选择相应的加工设备、加工工具，制定合理的加工工艺才能保证加工的精度和效率，被加工材料应该质地均匀、性能稳定、无外部及内部微观缺陷。4.展望超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程，其发展综合利用了基础理论(包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能元件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术、运动控制技术、可重构技术和环境技术等。因此，技术高度集成已成为超精密机床的主要特点。当今超精密加工加床技术的发展趋势是：技术上不断朝着加工的极限方向发展，向更高精度、更高效率(设备的整合化)方向发展，向大型化、微型化(大型零件和微小另据爱你的加工)方向发展；功能上向加工检测补偿一体化方向发展；结构上向多功能模块化方向发展；功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展，总体来讲是向极限制造技术方面发展。具体来说，超精密机床的未来突破点和展望有以下几点：(1)在机床结构方面。为了增加超精密机床的静刚度和动刚度，一些超精密机床采用很特殊的结构，例如三角棱形立式结构的超精密磨床能改善创痛龙门式结构在重的加工负载下容易产生俯仰和偏摆变形的缺点。今年来采用多自由度的并联机床机构也进一步增大了机床的刚度。(2)超精密主轴和导轨。磁悬浮株洲技术，永磁、电磁和气浮结合的控制方案也在研究中，以及水静压轴承的研究等都是未来突破超精密加工关键点。(3)超精密驱动技术。精密滚珠丝杠是超精密机床驱动采用的常规方式，但是这种方式存在许多缺点，限制了运动精度的进一步提高。近年来，直线电机在超精密加工设备的驱动上得到了广泛应用，直线电机采用无机械减速系统的无摩擦直接驱动方式，适合高精度、高分辨率、高速度场合，也成为了未来提高驱动带给机床整体精度的一个发展趋势。(4)超精密加工的误差建模与补偿技术。用变分法精度、多体动力学等分析误差建模理论，可以将刀具几何参数、加工工艺条件及机床运动误差三大因素对加工工件的精度影响准确的建立数学模型。因此，研究更新更完美的数学模型理论和高效的应用到实践中是至关重要的。(5)超精密机床的数控系统。超精密机床数控系统的特点是高编程分辨率(1nm)和高精度的伺服控制软硬件环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件，意味着需要高的控制速度，例如插补周期小于1ms，伺服闭环采样周期小于0.1ms[5-7]。因此，超精密加工机床的结构设计还有很有长的路要走，须脚踏实地，任重而道远。参考文献[1]李圣怡，戴一帆.超精密加工机床新进展.机械工程学报.2003,39(8):7-14.[2]袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术[M].北京:机械工业出版社，1999.[3]袁巨龙，王志伟，文东辉，吕冰海，戴勇.超精密加工现状综述.