解读高精密和超精密机床的区别

鼎亚河北制博会2018-06-28 10:32:21


导读

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表面,借以实现各种优化的、高成像质量的光学系统,并促使光学电子设备的小型化、阵列化和集成化。

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表面,借以实现各种优化的、高成像质量的光学系统,并促使光学电子设备的小型化、阵列化和集成化。


超精密加工技术正迎来一个繁荣的时代。鉴于军事、信息等产业对高精度先进陶瓷元件的巨大需求,新的高性能先进陶瓷材料不断涌现,这类材料的超精密加工成为经久不衰的研究热点。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光技术已取得长足的进展,加工后工件表面精度可达纳米级或亚纳米级,并且加工方法目趋多样化。


总的来说,超精密磨削、珩磨等固着磨粒超精密加工技术正在追求游离磨粒加工技术的加工精度,而游离磨粒超精密加工技术正在追求固着磨粒加工的效率。超精密加工技术正向着适于大批量生产的高效高质量、低成本、环境友好的方向发展。

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。


近年来,超精密加工开始从高技术装备制造领域走向消费品生产领域。应用最为广泛的是各种电子产品中的塑料成像镜头,如手机和数码相机镜头、光盘读取镜头、人工晶体等。同时,也开始用于各种自由曲面光学零件、微透镜阵列、渐进式镜片、菲涅尔透镜、微沟槽阵列等各种光束处理镜片的加工。与成像镜头相比,光束处理器件具有更为复杂的形面。若干典型的光学器件如图4 所示。

     

此外,为了提高光束处理器件的加工效率,出现了出若干新的加工技术,如刀具法向成型车削、飞刀切削、慢刀伺服车削等。


慢刀和快刀伺服车削技术



慢刀伺服和快刀伺服车削是近年发展比较快的超精密加工技术,这2种技术均能显著提高微结构阵列和自由曲面光学器件的加工效率。


1、快刀伺服车削


快刀伺服车削与慢刀伺服的差别在于:将被加工的复杂形面分解为回转形面和形面上的微结构,然后将两者叠加。


由X 轴和Z 轴进给实现回转形面的轨迹运动,对车床主轴只进行位置检测并不进行轨迹控制。借助安装在Z 轴但独立于车床数控系统之外的冗余运动轴来驱动刀具,完成车削微结构形面所需的Z 轴运动。这种加工方法具有高频响、高刚度、高定位精度的特点。


快刀伺服是一套伺服控制的刀架及其控制系统,金刚石刀具在压电陶瓷驱动下可以进行Z 轴的往复运动。控制系统在实时采集主轴角度信号的基础上,实时发出控制量,控制刀具实时微进给,从而实现刀具跟踪工件面形的起伏变化,如图10所示。

      

 快刀伺服在加工前仅需对零件面形进行精确计算,生成能表征零件面形的数据文件。此外,快刀伺服系统的运动频响高、行程只有数毫米,更适于加工面形突变或不连续、有限行程内的微小结构。


2、慢刀伺服车削


慢刀伺服(Slow Tool Servo)车削是对车床主轴与Z 轴均进行控制,使机床主轴变成位置可控的C 轴,机床的X、Z、C 三轴在空间构成了柱坐标系,同时,高性能和高编程分辨率的数控系统将复杂面形零件的三维笛卡尔坐标转化为极坐标,并对所有运动轴发送插补进给指令,精确协调主轴和刀具的相对运动,实现对复杂面形零件的车削加工。


慢刀伺服车削Z 轴和X 轴往往同时作正弦往复运动,需要多轴插补联动,如图9 所示。

     

因此,在加工前需要对零件面形进行多轴协调分析,进而确定刀具路径和刀具补偿。


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。

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Pyramid Nano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Pyramid Nano 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。



结束语


超精密加工设备的研制目前在 国内还处于起步阶段,还没有形成一 个产业,在超精密加工设备以及超精 密加工工艺技术等方面,国内各个单 位各有特点,相互之间进行深层次交 流还存在着一定的障碍。随着太空探测、卫星通信和能源技术的发展,超精密加工技术的应用范围正在急剧扩大。例如,具有巨大的产业、经济、科技和社会效应的太阳能利用和半导体照明等战略性新兴产业都离不开超精密加工技术的支撑。因此,超精密加工已成为衡量一个国家制造科技水平的重要标志。



文章来自《航空制造技术杂志》 题目:高精密和超精密机床



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