精密和超精密加工的机床设备技术

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1、2019/7/25,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,2019/7/25,3.1 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,2019/7/25,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,2019/7/25,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,二、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,2019/7/25,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,2019/7/25,（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）,2019/7/25,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。,2019/7/25,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,2019/7/25,（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。,2019/7/25,1）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,2019/7/25,二、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。,2019/7/25,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。,2019/7/25,第2节 精密主轴部件,2019/7/25,第2节 精密主轴部件,2019/7/25,三、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。,2019/7/25,四、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,2019/7/25,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,2019/7/25,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,2019/7/25,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。,2019/7/25,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。,2019/7/25,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,2019/7/25,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,2019/7/25,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