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1、2020/7/31,Precision and ultraprecision machining,精密和超精密加工技术,第4章 精密和超精密加工的机床设备,2020/7/31,3.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介 3.2 精密主轴部件 3.3 床身和精密导轨部件 3.4 进给驱动系统 3.5 微量进给装置 3.6 机床运动部件位移的激光在线检测系 3.7 机床的稳定性和减振隔振 3.8 减少变形和恒温控制,2020/7/31,第1节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,精密机床是实现精密加工的首要基础条件。 1)美国:50年代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
2、气轴承主轴的超精密机床;19831984研制成功大型超精密金刚石车床DTM3型和LODTM大型超精密车床。 2)英国:1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。 3)日本:现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势,甚至超过了美国。 4)中国:JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。,一、发展概况,2020/7/31,2020/7/31,二、典型机床简介,第1节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,Union Carbide 公司 的半球机床,能加工直径100mm的半球,达到尺寸精 度正负0.6m,表面粗糙度0.025m。 精密空气轴承主轴采用
3、多孔石墨制成 轴衬,径向空气轴承的外套可以调整 自动定心,可提高前后轴承的同心度, 以提高主轴的回转精度。,2020/7/31,二、典型机床简介,Moore 车床,由Moore 3型坐标测量机改 造而成。采用卧式主轴, 三坐标精密数控,消振和 防振措施,加强恒温控制等。 M-18AG型超精密非球面车床, 基本结构同Moore 3,采用空 气静压轴承主轴、气浮导轨、 双坐标双频激光测量系统、 优质铸铁床身,有恒温油浇 淋机和空气隔振垫支承。,2020/7/31,二、典型机床简介,Pneumo 公司的MSG-325超精密车床,采用T形布局,机床空气主轴的径向圆跳动和轴向 跳动均小于等于0.05m。
4、床身溜板用花岗岩制造,导 轨为气浮导轨;机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01m的 双坐标精密数控系统驱动,用HP5501A双频激光干涉仪 精密检测位移。,2020/7/31,二、典型机床简介,DTM-3大型超精密车床,采用精密数控伺服方 式,控制部分为内装式 CNC装置和激光干涉测长 仪,精确测量定位,在 DC伺服机构内装有压电 微位移机构,实现纳米 级微位移。,2020/7/31,2020/7/31,二、典型机床简介,大型光学金刚石车床LODTM,机床采用立式结构,采用止 推轴承,7路高分辨力双频激光 测量系统,4路激光检测横梁上 溜板的运动,3路激光检测刀架 上下运动位置,使用在线测量 和误差
5、补偿,各发热部件用大 量恒温水冷却,用大的地基, 地基周围有防振沟,且整个机 床用4个大空气弹簧支承。,2020/7/31,2020/7/31,二、典型机床简介,OAGM 2500大型超精密机床,机床的x和y向导轨采用液 体静压,z向的磨轴头和 测量头采用空气轴承。床 身采用型钢焊接结构,用 精密数控驱动,双频激光 测量系统检测运动位置。,2020/7/31,二、典型机床简介,AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床,有一个x和y向调整的刀 架及作B轴转动的高精度 转台,借助三轴精密数 控,加工平面、球面和 非球曲面。 采用空气轴承,刀架设 计滑板结构,直线移动 分辨力0.01m,激光测 量反
6、馈,定位精度全行 程0.03m。 加工模具形状精度0.05 m,表面粗糙度0.025m,三、精密超精密机床类型和精度指标,类型:普通(各种精密超精密车、铣等)、专用(磁盘超精密车床) 按工艺方法:超精密车床、超精密铣床、超精密磨床、超精密研磨机、超精密抛光机床、超精密特种加工机床、精密和超精密加工中心等 精度指标:目前,主轴回转精度为0.025um,导轨直线度为1000000:0.025,定位精度为0.013um/1000um,进给分辨率为0.005um,加工表面粗糙度Ra0.003um,温控精度为20 0.0005。,高精度:静态和动态精度,主要部件的材料,轴承,工作台和刀架,微进给(电致伸
7、缩、磁致伸缩,弹性元件等),闭环控制系统 高刚度:受力变形对加工精度影响 高稳定性:热导率低,热膨胀系数小的材料做工作台、床身等基础零件,液体淋浴或空气淋浴控制温度 抗振性:材料,隔离振源,缩短传动链或改用柔性连接 控制性能好:数控 模块化设计,四、精密超精密机床结构特点,2020/7/31,第2节 精密主轴部件,一、主轴轴承,回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下, 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素 (1)轴承精度和间隙的影响。 (2)主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。,主轴轴承,高精度滚动轴承 液体滑动
8、轴承 空气滑动轴承 陶瓷轴承 磁悬浮轴承,2020/7/31,(一)、滑动轴承的分类,按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态,滑动轴承可分为:,液体摩擦轴承,非液体摩擦轴承,液体动压润滑轴承,液体静压润滑轴承,按滑动轴承承受载荷的方向可分为:,径向滑动轴承(向心),推力滑动轴承(止推),2020/7/31,根据润滑膜的形成原理不同分为:,动压润滑轴承,利用相对运动副表面的相对运动和几何形状,借助流体粘性,把润滑剂带进摩擦面之间,依靠自然建立的流体压力膜,将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。,静压润滑轴承,在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷,使运动副表面分离的润滑方
9、法成为流体静压润滑。,2020/7/31,径向轴承(向心轴承),径向轴承的受力Fr 与轴的中心线垂直,止推轴承(推力轴承),止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行,Fr,Fa,轴承座,径向轴瓦,止推轴瓦,2020/7/31,(二)、液体静压轴承工作原理,静压轴承组成:供油系统、节流器、轴承,(1)轴承内圆柱面上,等间隙地开有几个 油腔(通常为4个)。 (2)各油腔之间开有回油槽。 (3)用过的油一部分从这些回油槽流回油 箱(径向回油),另一部分则由两端流回油 箱(轴向回油)。 (4)油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和 周向封油面,它们和轴颈之间的间隙一般 为 0.020.04mm。 (5)油泵供油
10、压力为ps ,油液经节流器T进入各油腔,将轴颈推向中央,油液最后经封油面流回油箱,压力降低为零。 (6)当主轴不受载荷且忽略自重时,则各油腔的油压相同,保持平衡,轴在轴承正中心,这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等,均为h0。 (7)当主轴受径向载荷(包括自重)F作用后,轴颈向下移动产生偏心量e。,(8)油腔3处的间隙减小为h0-e ,由于油液流过间隙小的地方阻力大,流量减小,因而流过节流器T3的流量减少,压力损失随之减小 (9)供油压力ps 一定,油腔3内的油压p3升高 (10)油腔1处的间隙增大为h0e,由于油液流过间隙大的地方阻力小,流量增加,因而流过节流器T1的流量增加,压力损失亦随
11、着增加,所以油腔1内的油压p就降低,这样油腔3与油腔1之间形成了压力p = p3 -p1,产生与载荷方向相反的托起力,以平衡外载荷F。,(11)如油腔的有效承载面积为A,则轴承的承载能力为:F= A(p3 - p1) (12)各油腔由同一个液压泵供油,则每个油腔必须串联一个节流器。 (13)没有节流器,各油腔油压相同,互相抵消,就不能平衡外载荷了,这时主轴产生位移,甚至使轴颈与轴承表面接触 (14)油腔压力是液压泵供给的,与轴的转速无关。因此,静压轴承可以在很低的转速下工作。,2020/7/31,1)液体静压轴承的温升很高,难以控制,造成热变形,影响主轴精度。 2)静压油回油时将空气带入油源,
12、形成微小气泡悬浮在油中,不易排出,降低轴承的刚度和动特性。 解决措施: 1)提高静压油的压力到68MPa,使油中微小气泡的影响减小,提高静压轴承的刚度和动特性。 2)静压轴承用油经温度控制,基本达到恒温,减少轴承的温升。 3)轴承用恒温水冷却,减小轴承的温升。,(三)、液体静压轴承的缺点,2020/7/31,二、空气静压轴承主轴,第2节 精密主轴部件,径向轴承的轴套制成外面鼓形,能自动调整定心。轴套的外表面做凸形球面,与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时,轴套可以自动调整位置,从而保证轴颈与轴鼓为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。,2020/7/31,第2节 精密主轴部件,前后轴
13、承均采用半球状,既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面,有自动调心作用,可提高前后轴承的同心度,提高主轴的回转精度。,2020/7/31,第2节 精密主轴部件,2020/7/31,第2节 精密主轴部件,2020/7/31,三、超精密机床主轴和轴承的材料,第2节 精密主轴部件,1)不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。 2)不易生锈腐蚀。 3)热膨胀系数小,且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。 4)材料的稳定性好。38CrMoAl氮化钢,经表面氮化和低 温稳定处理,不锈钢和多孔石墨和轴承钢。 此外:铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。,2020/7/31,四、主轴的驱动方式,第2节 精密主轴部件,1
14、)电动机通过带传动驱动 2)电动机通过柔性联轴器驱动 3)采用内装式同轴电动机驱动,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,一、超精密机床的总体布局,1)主轴箱位置固定,刀架装在十字形滑板上 2)T形布局 3)R 布局 4)立式结构布局,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,二、床身和导轨的材料,铸铁成本低 有良好减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工 导轨常用的铸铁灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁 灰铸铁应用最多的牌号是HT200 常用的孕育铸铁牌号是HT300 耐磨性高于灰铸铁,但较脆硬,不易刮研,且成本较高。 常用于较精密的机床导轨 耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒
15、钛铸铁 与孕育铸铁相比,其耐磨性提高12倍,但成本较高 常用于精密机床导轨,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,比铸铁长期尺寸稳定性好,热膨胀系数低,对振动的衰减能力强,硬度高、耐磨并不会生锈。,由花岗岩碎粒用树脂粘结而成,可铸造成形,吸湿性低,并对振动的衰减能力加强。,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,三、导轨分类,导轨的作用和特点,导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷,而 且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。 但是与主轴部件相比,具有以下的特点: 1)工作速度低。 2)导轨的工作部分既长又薄,刚度差,是机床最薄弱的环节 之一。 3)受力情况
16、比较复杂,这样给计算带来困难。 4)导轨的加工工作量较大,需配备专用导轨磨床进行加工, 甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,导轨的基本要求,(一)导向精度高 1、导轨在水平面内和垂直面内的直线度 2、导轨的平行度 3、导轨间的垂直度 (二)足够的刚度 外力作用下导轨本身抵抗变形的能力,三、导轨分类,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,导轨的基本要求,(三)精度保持性(耐磨性)好 1、降低导轨面的比压; 2、良好的防护与润滑; 3、正确选择导轨副的材料和热处理; 4、选择合理的加工方法。 (四)运动的灵敏度 是运动部件从静止到开始移动期间,进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小,灵敏度越高。,三、导轨分类,2020/7/31,第3节 床身和精密导轨部件,按两导轨面间的摩擦性质分类,1)滑动导轨 两导轨面间是滑动摩擦。又可按两导轨面间的摩擦状态的不同 而分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨。 2)滚动导轨 两导轨面间是滚动摩擦。又可按中间滚动体的不同而分为:滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承