超精密机床结构

第1页第1章超精密机床结构设计1.1超精密加工技术与超精密加工机床概述1.1.1超精密加工技术的概念超精密加工技术是上世纪50年代未、60年代初发展起来的一项新技术，由于电子技术、计算机技术、宇航和激光等技术发展的需要，美国就组织有关公司和研究机构进行微米级加工技术的研究，在美国诞生的金刚石刀具镜面车削技术催生了超精密加工技术。1962年美国首先研制出超精密车床(UnionCarbide公司，超精密半球面车床)，在该机床上使用单刃金刚石车刀加工直径101.6mm的铝合金半球面，成功地实现了镜面车削，尺寸精度达±0.6m，表面粗糙度为Ra0.025m，迈出了微米级超精密加工的第一步。目前，超精密加工还没有确切的统一定义。就其加工而言，超精密加工有两种含义，一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工；二是指向实现微细尺度界限挑战的加工，即以微电子电路生产为代表的微细加工。一般认为，加工精度高于0.1微米，粗糙度优于百分之几微米的为超精密加工，更严格的说，尺寸精度为IT－1(在100左右时为0.25m,粗糙度为Ra0.025m)或更高的为超精加工。所谓微细加工是指在加工微小尺寸零件或微小尺寸结构时，能达到极微细的位移精度和极高的重复精度的加工。超精密加工技术是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，不管是军事工业还是民用工业都需要这种先进的加工技术。例如，关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯导仪表用精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜、大规模集成电路的硅片、各种光学仪器的反射镜、陀螺仪框架、伺服阀、激光打印机用的多棱镜、复印机的感光鼓；计算机的硒鼓、磁盘；陀螺仪用的空气轴承、导弹零件、精密泵零件、动压马达；高速摄影机和自动检测装备的扫描镜、激光加工机的多曲面反射镜和聚光镜；录象机的磁头和煤气灶的转阀等都需要超精密加工。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一[1]。超精密机床是超精密加工最重要，最基本的加工设备，是实现超精密加工的物质基础。超精密机床技术是一项综合技术，包括机床的结构、关键基础部件、测控技术和环境技术等。其关键部件是主轴及其驱动系统、导轨及其驱动系统、检测装置、微进给机构等。如果我们把超精密机床划分实验室机床和商品化机床，可以清楚地看到，实验室机床是由大学和研究所研发的原理型机床，它往往由军事需求驱动，为某一特定产品而研制。这类机床尽可能集成最先进的技术和追求精度的极限，因此在一定程度上是为科学实验为目的的探索性和先导性的研究成果。但是，实验室机床并不追求功能的多样性，生产率和经济效益，也不能直接为市场提供规格化、实用化的产品。但是，大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情和对高技术进行的超前研究，对超精密机床产业化和商品化起着推动作用。一些著名研究中心举例如下：(1)美国劳伦斯．利佛莫尔（LLNL）国家实验室研制了一系列的超精密机床。例如LLNL在完成DTM-1和DTM-2型超精密金刚石车床之后，1983年美国LLNL和联合碳化物公司Y-12工厂联合研制DTM-3型84英寸大型超精密机床。该机床可加工直径为2.1m质量4.5吨的工件，第2页采用高压液体静压导轨，在1.07m×1.12m范围内直线度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.001(通过两路激光干涉仪测量，压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统不与机床联接，油喷淋冷却系统可将油温控制在20±0.0025度。采用摩擦驱动推力可达1360N，运动分辨率达0.005μm。1984年研制成功代表当今最高水平的64’’超精密金刚石车床LODTM，至今为止仍是技术集成度最高，指标最先进机床。(见1.4.1节介绍)。LLNL研制的小型光学金刚石车床(BODTM─BabyOpticsDiamondTuringMachine)如图1.6所示。为加工铁合金和难加工金属等需求，LLNL还研制了非金刚石车削的精密工程研究车床(PERL─PrecisionEngineeringReseachLathe)PERL1和PERL2(图1.7所示)。最近的报道LLNL正在研制下一代超精密光学车磨机床P0GAL(图1.21所示)。(2)美国Rochester大学的光学研究所和光学加工中心(COM)美国罗切斯特大学光学中心(COM)是APOMA(美国精密光学制造者协会)美军方企业界学术会合作的一个研究中心由美国先进防御研究项目(DAPRA)支持开发了POTICAM系列的超精密光学加工机床。OPTICAM超精机床系列设备包括:OPTICAM/SM&/FS球面加工机床和抛光系统；OPTICAM/PL平面抛光机床；OPTICAM/AM非球面加工机床；OPTICAM/PM棱镜加工机床等。2000年开始进行保形光学制造技术的研究开发了Nanotech150AG非球加工机床和Q22磁流变加工机床等，组建的QED公司专门从事磁流变加工机床。(3)英国的Granfield大学及Granfield精密工程研究所[2]1968成立了CranfieldUnitforPrecisionEngineering(CUPE)，1987年分出CranfieldPrecisionEngineeringLtd(CPE)专门从事超精密机床的设计和研究。主要超精密机床研制成果有：1980年为X射线天文望远镜研制的LDTM大型金刚石车床，是可以加工1.4m大型非球镜的立式车床。1984年为磁记录器等加工研制的7轴超精密磨床。1979为美国Kodak公司大型分块镜研制的OAGM2500六轴CNC超精密磨床(见1.4.3节介绍)，1991年开发了Nanocentrer250非球面光学零件加工中心。1994年研发SiWeg™硅片磨床。1997年研发DeltaTurn40高速高精车床(见图1.19)。2006年研发BoXTM大型超精密磨床(见1.4.4节介绍)。该所开发的Nanocenter250和随后发展的Nanocenter600是为满足单点和延性磨削两方面的使用要求而设计的3轴超精密CNC非球面加工中心，包含两个直线运动X、Z和一个回转运动B。床身“T”字形结构，用人造花岗岩材料Granirans100制成，尺寸稳定性非常好。X、Z轴均采用液体静压导轨，摩擦驱动，激光干涉仪测量控制。由于该加工中心保证了工件和刀具之间具有非常高的闭环刚度。X、Z轴的运动分辨率1.25nm，回转轴B的运动分辨率0.1arcsec。该加工中心专门设计了一个刀具调整装置，通过两个LVDT气浮测头调整磨轮相对于中心线的定位精度，以消除加工过程中刀具对工件精度的影响，整个调刀过程均在CNC系统控制下自动进行。在温控方面，采用油喷淋冷却方式，在加工过程第3页中，温度可控制在0.01℃以内。加工工件直径600mm，面形精度优于0.1m，表面粗糙度优于Ra0.01m。另外通过一个垂直轴的控制，还能加工非轴对称非球面零件。商品化机床是由公司开发的系列化、标准化产品，是由市场驱动的，常常是以军民两用产品生产为目标的产品。商品化机床尽量采取成熟的先进技术，尽可能降低使用者的技术水平和环境对机床的苛求。在世界箸名的超精机床厂家有英国的Tayler/Hobson-Pneumo公司，美国的Moore公司和Precitech公司等。Tayler/Hobson-Pneumo公司生产Optoform,Microform和Nanoform三个系列的超精密机床典型产品。美国的Moore公司的产品如Nanotech350超精密车磨床，特别是Freeform700G五轴超精自由曲面铣磨机床它代表了当前最先进水平。美国的Precitech公司产生Optimum系列六种超精密机床销售全球，德国的Kugler公司生产的超精飞切车床F系列微车床，D系列微钻床，B系列金刚石磨床，A系列测量机，MAE系列等多种超精密机床。德国的LOH公司是世界上光学加工机床的重要厂家。随着超精密机床技术的不断完善和各种元部件的开发应用，现在商品化机床超精密车床也可达到很高的精度。长期以来，西方工业大国把超精密机床列为对我国禁运或限制进口的高技术产品。开发改革以后，我国争取到了较好的国际环境，加之世界制造业的大转移，使到高端制造产业也加快向中国的转移进程，在光学制造行业也陆续进口了不少超精密机床。第一台引进的超精密车床是长春光机所应用光学国家实验室80年代由美国Pnewmoprecision公司研制生产的MSG-325超精密车床[3]。它是利用激光干涉反馈控制的2轴联动的加工机床，数控分辨率为25nm。该机床可加工直径355mm的非球面金属反射镜，花岗岩的平台由自动调平式气垫支承，刀具轴（X轴）和主轴（Z轴）以T型配置在同一平面上。主轴采用空气静压轴承，轴向、径向跳动均小于0.1m，轴向、径向刚度分别大于8.9kg/m和14.3kg/m。X和Z轴也采用空气静压轴承，直线度分别为0.5m/305mm和0.5m/203mm。加工直径152mm，球半径为508mm的铝合金球面镜时，形状精度为0.5m，粗糙度为19.6nmRa，加工152mm的铝合金平面镜时，形状精度为0.25m，粗糙度为9.8nmRa。在我国，北京机床研究所，航空精密机械研究所，哈尔滨工业大学和国防科技大学等已相继研制成功不少超精密机床，如CJT-1形超精密镗床，其主轴精度为0.05m；CJC-1型超精密车床，其主轴精度为0.05m，导轨直线度为0.1m/100mm，加工圆度为0.047-0.077m，表面粗糙度Ra0.01-0.02m。为超精密加工配套的金刚石刀具研磨机，可刃磨至金刚石刃口半径为0.05m，表面粗糙度Ra0.01-0.005m[1]。我国的超精密加工技术虽经过多年的努力已取得很大进展，但与国外相比，尚属于起步阶段，目前还不能达到稳定的亚微米级精度加工水平，还不能满足我国高技术产品，尤其是现代先进产品生产的需要。这就需要我们作出更多的努力。1.1.2超精密加工机床的加工精度等级和划分精度第4页现在，多棱镜和磁盘等被称为超精密加工产品的电子、光学机械零件的加工精度，尺寸比率已达到0.1106的程度，形状精度为0.1m已不困难，一些产品甚至可达10nm精度水平。但与X射线显微镜的反射镜、核聚变反射镜、下一代大规模集成电路32nm光刻技术对准精度的要求相比，产品精度还差一至二个数量级。近来，随着LSI的发展以及微机械的要求，人们希望达到纳米甚至于亚纳米的加工精度。根据所确定的产品精度，来确定与之相适应的机床的精度，一般情况下，机床的精度最好比工件的精度高一个数量级，再根据工件的形状及大小的变化、机床的工作条件等的变化做相应改变。1)日本提出的超精密机床加工精度等级[4]日本精机学会提出的精加工等级具有一定的代表性。1977年该学会精密机床研究专业委员会根据当时技术发展的要求，所对机床的加工精度标准提出了补充IT-1和IT-2两个等级。表1.1是该补充后标准的具体内容，可看到比原来的最高精度等级IT0提高了很多。表1.1日本精机学会精密机床分会提出的精加工等级(m)精度等级IT2IT1IT0IT-1IT-2零件(基本尺寸10~30mm)尺寸精度2.51.250.750.30.25圆度0.70.30.20.120.06圆柱度1.250.630.380.250.13平面度1.250.630.380.250.13表面粗糙度0.20.070.050.030.01机床主轴跳动0.70.30.20.120.06运动直线度1.250.630.380.250.13提案中以亚微米为单位的加工精度是0级以上精度。此提案的数据表明，主轴的回转误差仅为工件尺寸精度的四分之一左右，走刀运动的直线度与工件的圆柱度和平面度处于同一数量级，主轴的跳动量与工件的圆度处于同一数量级，表面粗糙度比尺寸精度高一个数量