《第四章精密和超精密加工的机床设备ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章精密和超精密加工的机床设备ppt课件（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精密和超精密加工技术,华南理工大学 陈松茂 讲师,第四章 精密和超精密加工的机床设备,本章主要提要,2,4.1 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。 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。 英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。 日本：在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件超精密加工技术方面更加先进和具有优势，在中小型超精密机床生产上基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。 欧洲其它国家：
2、如德国、瑞士、法国、意大利等的超精密机床水平也很高。 中国：与国外差距很大。70年代末有长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床及部件，如：JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。,一、发展概况,3,空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。 空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广泛。,有轴承内圈和外圈，外圈上有空气的进出口空，内圈上有喷嘴。,
3、4,二、超精密机床进一步发展的规划,美国POMA计划 0.1m形状精度。已经实现。 日本“超超精密机床”规划 以纳米级精度为目标提高机床精度。已经完成。 中国发展计划 正在研制加工直径1m以上的立式超精密机床。逐步缩小与国外的差距。,5,三、典型超精密机床简介,Union Carbide 半球车床,1962年研制。采用空气静压轴承，立式结构。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。回转精度达到0.125m。,6,美国Moore 车床,1
4、968年研制。由Moore 3型坐标测量机改造而成。采用卧式空气轴承主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。转速5000r/min，径跳0.1m。 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，精密数控系统分辨率0.01m，双坐标双频激光测量系统（分辨率0.01m）、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承，抗振性好。 生产多台，在世界多个国家广泛使用。,7,Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床,1976年研制。主要用于加工直径达2m的金属反射镜。采用双半球结构空气轴承主轴的II-G型卧式车床，和用端面止推及半球空气轴承主轴结构
5、的II-B型立式车床。轴承径向跳动为0.100.13m，端面圆跳动为0.150.18m，2000r/min运转8h的温升在5.6以内，径向刚度为361N/m。,8,美国Pneumo公司的MSG-325超精密车床,采用T形布局，主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜板作x向运动。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均0.05m。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。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反射镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。,9,DTM-3大型超精密车床,1983年由美国L
6、LL实验室联合研制。可加工最大零件2100mm重量4500kg的各种金属反射镜、红外装置零件、大型天体望远镜等。半径方向形状精度27.9nm，圆度、平面度12.5nm，Ra4.2nm。 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。 世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。,10,大型光学金刚石车床LODTM,1984年由美国LLL实验室联合研制。可加工1625mm500mm、重量1360kg的大型金属反射镜。 机床采用立式结构，采用面积较大止推轴承；7路高分辨力双频激光测量系统；4路激光
7、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。 也是世界公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。,11,OAGM 2500大型超精密机床,1991年由英国CUPE公司和SERC公司联合研制。用于精密磨削和坐标测量X射线天体望远镜的大型曲面反射镜，最大加工尺寸2500mm2500mm610mm，2500mm高精度回转工作台。 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。,12
8、,AHN1O型高效专用车削、磨削超精密机床,由日本TOYOTA公司研制。用于加工塑料高精密透镜的金属模。 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，可加工平面、球面和非球曲面。 采用空气轴承，加工直径100mm，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01m，激光测量反馈，定位精度全行程0.03m。 加工模具形状精度0.05m，表面粗糙度0.025m。,13,我国金刚石超精密机床,14,4.2 精密主轴部件,精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。 能高速旋转； 高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长； 主轴本身及其驱动系统振动极小； 发热少，且热平衡性能好； 维护保养
9、方便。 主轴关键是轴承。 早期用滚动轴承（1m，Ra0.04-0.02m，高精度制造困难） 液体静压轴承（0.1m，转动平稳无振动） 空气静压轴承,15,一、液体静压轴承主轴,主轴回转精度,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。,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。,16,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
10、力滑动轴承（止推）,滑动轴承的分类,17,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法成为流体静压润滑。,根据润滑膜的形成原理不同分为：,18,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,根据承受载荷方向不同分为：,19,静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承,液体静压轴承工作
11、原理,20,（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
12、偏心量e。,21,（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）假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
13、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。,22,特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。 缺点：高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。 解决措施（以DTM-3大型超精密机床为例）： （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
14、冷却，减小轴承的温升。,液体静压轴承的优缺点,23,二、空气静压轴承主轴,优点： 回转精度高、转速高，可达100,000r/min； 转动平稳，几乎没有振动，因为完全空气润滑； 不发热，即使在高速下，温升很小，变形小； 摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦； 因为不使用油，不存在密封和泄露问题； 可靠性高，维护保养方便。 缺点： 刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。,24,圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承,结构与液体静压轴承主轴结构基本相同，只是节流孔和气腔大小形状不同。要求有很高的同轴度和垂直度。 1号车床的径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。轴套的
15、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。,Union Carbide 半球车床,25,双半球空气轴承主轴,前后轴承均采用半球状，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。 如：PG150S型，F承载=180Kg，刚度=350N/m,26,前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴,球形一端同时起径向和轴向推力轴承作用，并有自动调心作用，提高前轴承和后轴承的同轴度，提高主轴回转精度；圆柱一端提高刚度和承载能力。,27,立式空气轴
16、承,特点： 下止推面大于上止推面，平衡主轴重量； 圆弧面径向轴承，自动调心、提高精度。,28,三、超精密机床主轴和轴承的材料,要求：不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。 主要材料：轴和轴套均采用38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理；不锈钢、多孔石墨和轴承钢；此外还有铟钢、花岗岩、线膨胀系数接近零的微晶玻璃、陶瓷等。,29,电动机通过带传动驱动 早期采用这种驱动方式； 电动机轴和机床主轴平行； 电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱； 电动机可采用单独地基，以免振动影响机床加工精度； 传动带用柔软的无接缝丝质材料。,四、主轴的驱动方式,直接影响主轴回转精度,30,电动机通过柔性联轴器驱动 这种驱动方式应用较多； 电动机轴和机床主轴在同一轴线上，用柔性联轴器连接，直接驱动； 电动机采用直流或交流变频，可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱；,31,采用内装式同轴电动机驱动机床主轴 将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部
