超精密加工装备及其关键部课件

超精密加工装备及其关键部课件1 超精密加工装备及其关键部件超精密加工装备及其关键部件 超精密加工装备及其关键部课件2 1给定的精度指标(包括形位公差、尺寸精度表面粗糙度和加工变质层等)2加工机械的直线运动和回转运动精度；3加工机械的定位精度(包括夹具的定位精度)；4加工机械、工具及工件的刚度；5加工机械、工具、工件的振动；6加工机械、工具、工件的热变形；7工具的尺寸及形状精度；8加工机械、工具、工件的磨损和磨伤；9工具、工件的定位安装精度；Io工件在前道工序加丁中的尺J、形状的决定加工精度主要因素决定加工精度主要因素超精密加工装备及其关键部课件311 工件材质及其物理、机械性能；12 工件的形状和尺寸13 工件材料的不均匀性；14 加工单位的大小(去陈、结合、变形，等)；15 测量技术及数据处理(包括尺寸、形状、粗粮度、性能的测试）16 加工者的技术熟练程度；17 加上环境的力、振动、热清洁程度超精密加工装备及其关键部课件4加工的人机系统超精密加工装备及其关键部课件5(1)回转主轴和回转工作台的精度必须满足加工精度的要求，而且要具有与加工条件相适应的足够的刚度；(2)直线导轨应具有与加工精度相适应的直线进给精度，而且不产生爬行及微小的振动；(3)进给机构要满足加工精度的要求，而且进给平稳、均匀、没有振动，超精密加工装备及其关键部件超精密加工装备及其关键部件超精密加工装备及其关键部课件6精密主轴部件精密主轴部件 精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心 主轴要求达到极高的回转精改，转动平稳，无振动其关键在于所用的精密轴承。(1)静态和动态回转精度高，振摆小；(2)主轴的精度寿命长；(3)主轴本身及驱动系统术不产生振动，或振动极小，而且震动的衰减特性好；(4)应具有与使用条件相匹配的、足够大的刚度和负荷容量；(5)发热少而且热平衡的性能好(6)维护、保养方便。超精密加工装备及其关键部课件7滚动轴承滚动轴承优点优点标准化，有互换性容易购置滚动轴承的内圈与外圈通过钢球或滚柱相接触 缺点缺点接触振动 袁减性能降低精度寿命难以保证超精密加工装备及其关键部课件8液体静压轴承主轴液体静压轴承主轴精密精密/超精密加工设备超精密加工设备精密主轴部件精密主轴部件 液体静压轴承回转精度很高液体静压轴承回转精度很高(精度精度0.1m mm)转动平稳无振动，有较转动平稳无振动，有较高的刚度和回转精度高的刚度和回转精度液体静压轴承液体静压轴承 压力油通过节流阀进入轴承偶合压力油通过节流阀进入轴承偶合面间的油腔。使轴在轴套内悬俘，不产生固体摩面间的油腔。使轴在轴套内悬俘，不产生固体摩擦擦 当轴受力偏歪时偶合面间泄油的间隙改变，当轴受力偏歪时偶合面间泄油的间隙改变，造成相对油腔的油压不等，压力差将推动轴回向造成相对油腔的油压不等，压力差将推动轴回向原来的中心位置；原来的中心位置；超精密加工装备及其关键部课件9超精密加工装备及其关键部课件10 1)液压油温度升高、在不同转速时温度升液压油温度升高、在不同转速时温度升高值不等。温度升高将造成热变形，影响高值不等。温度升高将造成热变形，影响轴的精度。轴的精度。2)静压油回油时将空气带人油池形成静压油回油时将空气带人油池形成微小气泡悬浮在油中不易徘出因此将微小气泡悬浮在油中不易徘出因此将降低液体静压轴承的刚度和动特性。降低液体静压轴承的刚度和动特性。液体静压轴承的缺点液体静压轴承的缺点超精密加工装备及其关键部课件11 2)2)静压轴承用油经过温度控制，使其达到恒温，静压轴承用油经过温度控制，使其达到恒温，减少轴承的温升减少轴承的温升 3 3）轴承用恒温水冷却减小轴承的温升）轴承用恒温水冷却减小轴承的温升，1 1）提高静压油的压力。使油中微小气泡的影）提高静压油的压力。使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度响减小，提高静压轴承的刚度改进方向改进方向超精密加工装备及其关键部课件12空气静压轴承主轴空气静压轴承主轴特点特点 空气静压轴承有很高的回转精度在高空气静压轴承有很高的回转精度在高速转动时温升小，因此造成的热变形误差很速转动时温升小，因此造成的热变形误差很小小空气轴承的主要问题是刚度低只能承受较小空气轴承的主要问题是刚度低只能承受较小的载荷。适于超精密切削时切削力小，空气轴的载荷。适于超精密切削时切削力小，空气轴承能满足要求，故在超精密机床中得到广泛的承能满足要求，故在超精密机床中得到广泛的应用。应用。超精密加工装备及其关键部课件13超精密加工装备及其关键部课件14 结构结构空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承类似、轴由压力空气浮在铀套内。轴的中心位置类似、轴由压力空气浮在铀套内。轴的中心位置由相对面的静压空气压力差维持由相对面的静压空气压力差维持空气静压轴承主轴空气静压轴承主轴超精密加工装备及其关键部课件15双半球空气轴承主轴超精密加工装备及其关键部课件16前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴超精密加工装备及其关键部课件17 1）回转精度高。轴四周的气体压力的均匀效果，可以比较容易达到亚微米级的回转精度，而且可长时间保持精度：2)没有振动。因为是完全空气润滑，在回转过程中几乎不产生振动。3)不发热。热变形而使精度降低的因素小 4)经久耐用。因没有摩擦，无论是精度寿命还是轴承寿命都很高。5)可以高速回转，工作在100000rmin也没有问题，、6)摩擦阻力小。在低速时摩擦系数几乎等于零，故驱动力小。7)因为不使用油，所以不会因密封和漏油而发生故障。8)可靠性高，维护、保养方便。只要气源和供气系统不出问题，就不会发生故障c空气静压轴承主轴空气静压轴承主轴超精密加工装备及其关键部课件18超精密机床主轴和轴承的材料超精密机床主轴和轴承的材料1 不易磨损不易磨损 空气轴承主轴，轴和轴套不接触不会产生磨损。但不通气时空气轴承主轴，轴和轴套不接触不会产生磨损。但不通气时偶然会发生少量转动要求主轴和轴套不咬住或磨损偶然会发生少量转动要求主轴和轴套不咬住或磨损 l多采用石多采用石墨作主气轴承套，轴不易磨损。墨作主气轴承套，轴不易磨损。2不易生锈腐蚀不易生锈腐蚀 空气轴承工作时无润滑剂。虽通入的压缩空气经过去水，是空气轴承工作时无润滑剂。虽通入的压缩空气经过去水，是干燥的，不致使轴承生锈腐蚀，但如轴承一段时间不工作，潮干燥的，不致使轴承生锈腐蚀，但如轴承一段时间不工作，潮湿空气会进入轴承内，因此要求主轴和轴套材料不易生锈腐蚀。湿空气会进入轴承内，因此要求主轴和轴套材料不易生锈腐蚀。超精密加工装备及其关键部课件19 3热膨胀系数些小热膨胀系数些小要减小温升应采用热膨胀系数小的材料制造主轴和轴套并且要减小温升应采用热膨胀系数小的材料制造主轴和轴套并且主轴和轴套两种的材料的热膨胀系数应接近、免得空气轴承内主轴和轴套两种的材料的热膨胀系数应接近、免得空气轴承内的间隙变化的间隙变化超精密机床主轴和轴承的材料超精密机床主轴和轴承的材料4材料的稳定性安好材料的稳定性安好空气轴承精度高，要避免制成后或使用中变形，需要进行稳空气轴承精度高，要避免制成后或使用中变形，需要进行稳定比处理定比处理超精密加工装备及其关键部课件20主轴的驱动方式主轴的驱动方式1 电动机通过带传动驱动电动机通过带传动驱动2 电动机通过柔性联轴节驱动主轴电动机通过柔性联轴节驱动主轴3 采用内装式同轴电动机驱动机床主轴采用内装式同轴电动机驱动机床主轴超精密加工装备及其关键部课件21床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件1 优质耐磨铸铁传统的制造床身和导轨的材料它的优点是工艺性好。耐磨性好，热膨胀系数低。对振动衰减能强2 花岗岩花岗岩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。超精密加工装备及其关键部课件223 人造花岗岩花岗岩碎粒用树脂粘结而成，人造花岗岩具有优良的性能可铸造成形具有吸湿性低并对振动的衰减能力加强超精密加工装备及其关键部课件23(1)运动应均匀、平稳。不允许有停顿或爬行等不连续运动(2)直线运动精度高。运动的平行度误差与角度误差要小；(3)应具有与使用条件相匹配的足够的刚度；(4)在运动过程个不产生振动；(5)定位精度及重复性精度高；床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件精密导轨部件要求精密导轨部件要求超精密加工装备及其关键部课件24滚动导轨滚动导轨采用再循环圆柱滚动组件和再循环滚珠滚动组件。直线运动的精度可以达到m mm级精度，摩擦系数0、0020003：1直线滚动轴承滚柱带保持架在导轨的偶合面间作直线滚动2再循环滚柱滚动组件 直线滚动轴承的工作长度受到轴承长度的限制。再循环滚动组件由于滚柱的再循环它的工作行程长度可以无限没右任何限制。超精密加工装备及其关键部课件25再循环滚柱滚动组件超精密加工装备及其关键部课件263 再循环滚珠滚动组件、超精密加工装备及其关键部课件27直线导轨（产品）超精密加工装备及其关键部课件28液体静压导轨液体静压导轨双圆柱型液体静压导轨平面型液体静压导轨液体静压导轨刚度高，能承受大的载重，直线运动精液体静压导轨刚度高，能承受大的载重，直线运动精度高，并且平稳，无爬行现象度高，并且平稳，无爬行现象超精密加工装备及其关键部课件29气浮导轨和空气静压导轨气浮导轨和空气静压导轨气浮导轨和空气静压导轨可以得到很高的直线运气浮导轨和空气静压导轨可以得到很高的直线运动精度，运功平稳动精度，运功平稳 无爬行，摩擦系数接近于零，无爬行，摩擦系数接近于零，小发热在超精密机床中得到较广泛的应用。小发热在超精密机床中得到较广泛的应用。超精密加工装备及其关键部课件30气浮导轨可以得到较很高的直线运动精度，气浮导轨可以得到较很高的直线运动精度，导轨无爬行现象。摩擦系数接近于零导轨无爬行现象。摩擦系数接近于零超精密加工装备及其关键部课件31空气静压导轨有很高的刚度和运动精度空气静压导轨有很高的刚度和运动精度超精密加工装备及其关键部课件32超精密进给机构的条件(1)不干扰或降低导软的直线世纪精度；(2)进给速度均匀，迟绪平稳：(3)定位精度高；(4)可实现工作所需要的高速进结或微速坦给(5)精度寿命和使用寿命高；(6)维护、保养方便。进给驱动系统进给驱动系统超精密加工装备及其关键部课件33进给机构的种类与特性进给机构的种类与特性(1)滑动丝杠进给机构(2)滚动丝杠(3)液体静压丝杠(4)空气静压丝杠(5)静压油缸进给机构(6)直流线性电机进给（7）磨擦驱动超精密加工装备及其关键部课件34丝杠的螺距误差与积累误差对进给速度的均匀性和定位精度有直接的影响。精度：螺距误差：1 m mm 累计螺距误差2m mm滑动丝杠进给机构滑动丝杠进给机构超精密加工装备及其关键部课件35进给驱动系统进给驱动系统精密数控系统精密数控系统滚珠丝杆副驱动滚珠丝杆副驱动直流伺服电机或直流伺服电机或交流伺服电机交流伺服电机进给系统的驱功元件进给系统的驱功元件高精密级的滚珠丝杠付对以做到相邻螺距误差高精密级的滚珠丝杠付对以做到相邻螺距误差0.5-1 m mm。超精密加工装备及其关键部课件36滚珠丝杆副驱动滚珠丝杆副驱动滚动丝杠滚动丝杠超精密加工装备及其关键部课件37超精密加工装备及其关键部课件38液体静压丝杠液体静压丝杠静压丝杠的原理与静压主轴的相同。超精密加工装备及其关键部课件39直线驱动进给系统超精密加工装备及其关键部课件40直线驱动进给系统（续）直线伺服电动机驱动的进给单元超精密加工装备及其关键部课件41直线电动机进给驱动的主要优点直线电动机进给驱动的主要优点n速度高，最大进给速度可达80180mminn加速度大，加速度可高达2gl0gn定位精度高，高达0.1-0.01mmn行程不受限制。直线电动机的主要种类直线电动机的主要种类：直流直线电动机 交流永磁（同步）直线电动机 交流感应（异步）直线电动机超精密加工装备及其关键部课件42直线电动机的基本结构直线电动机的基本结构直流直线电动机的基本结构交流永磁直线电动机的基本结构超精密加工装备及其关键部课件43超精密加工装备及其关键部课件441）精微进给和粗进给应分开2)运动部分必须是低摩擦和高稳定度的3）末级传动元件必须有很高的刚度4)微量进给机构内部联接必须是可靠联接5)工艺件好，容易制造。精密和超精密微位移机构应满足下列设计要求精密和超精密微位移机构应满足下列设计要求超精密加工装备及其关键部课件45微量进给机构微量进给机构(1)磁致伸缩微量进给机构具有磁致伸缩效应的铁、帖、镍等合金，长度将随磁场强度变化而变化，式中 材料的磁致伸缩系数超精密加工装备及其关键部课件46超精密加工装备及其关键部课件47超精密加工装备及其关键部课件48(2)电致伸缩微量进给机构电致伸缩微量进给机构某些晶体如石英单晶铂料及压电陶瓷等的压电效应来实现微量进给超精密加工装备及其关键部课件49(3)热膨胀微量进给机构热膨胀微量进给机构超精密加工装备及其关键部课件50(4)弹性变形微量进给机构弹性变形微量进给机构 超精密加工装备及其关键部课件51超精密加工环境超精密加工环境超精密加工装备及其关键部课件52超精密切削超精密切削超精密加工装备及其关键部课件53超精密切削超精密切削超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工用于加工铝合金无线铜黄铜非电解镍等有色金属和某些非金属材料表面粗糙度Ra0.02-0.005 m mm精度精度0.01 m mm 用于加工陀螺仪，激光反射镜，天文望还镜的反射镜用于加工陀螺仪，激光反射镜，天文望还镜的反射镜超精密加工装备及其关键部课件541被加工材料的性质被加工材料的性质 2、金刚石刀具、金刚石刀具3、加工用的机床、加工用的机床 4、加工条件、加工条件、5 加工环境加工环境 6、测量、测量影响金刚石精密切削加工的因素影响金刚石精密切削加工的因素超精密加工装备及其关键部课件55超精密金刚石刀具切削的机理超精密金刚石刀具切削的机理尺寸/mm10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 切削加工范畴 （切深）超微细切削领域细微切削领域普通切削领域赵精密切削加工与普通切削加工重要区别就是切削深度小赵精密切削加工与普通切削加工重要区别就是切削深度小一般都在微米之下一般都在微米之下。10-4 以下的切削加工以下的切削加工超精密加工装备及其关键部课件56刀具切削模型刀具切削模型超精密加工装备及其关键部课件57超精密加工装备及其关键部课件58被切削表面的弹性恢复刀尖的局部后退最小切削厚度超精密加工装备及其关键部课件59切削表面形成的模型切削表面形成的模型超精密加工装备及其关键部课件60影响形成表面的因素影响形成表面的因素(1)切削刃的组糙度切削刃的组糙度(2)切削刃的复映性切削刃的复映性(3)毛刺与加工变质层毛刺与加工变质层超精密加工装备及其关键部课件61切屑深度对切削形态的影响切屑深度对切削形态的影响超精密加工装备及其关键部课件62被切削材料与切屑形成状态被切削材料与切屑形成状态超精密加工装备及其关键部课件63超精密切削加工用金刚石刀具超精密切削加工用金刚石刀具超稿密切削用工具应具备的条件超稿密切削用工具应具备的条件1刀具刃口的锋利性：刀具刃口的锋利性：刃口半径越小被切削表面的弹性恢复量就越小，加工变质层也越小。超精密加工装备及其关键部课件642切削刃的粗糙度切削刃的粗糙度工具的轮廓在被切削表面复映，切削刃的粗糙度决定切工具的轮廓在被切削表面复映，切削刃的粗糙度决定切削表面的粗糙度削表面的粗糙度普通刀具切削刃粗糙度为Ry0.3-5 m mm，而金刚石刀具的q切刃粗糙度为Ry01一0.2 m mm 3刀具与被切削材料的亲和性低刀具与被切削材料的亲和性低4刀具的切削刃强度高、耐磨损刀具的切削刃强度高、耐磨损超精密加工装备及其关键部课件65金刚石刀具对超精密切削的适应性金刚石刀具对超精密切削的适应性1金刚石的性能金刚石的性能指标金刚石单位显微硬度86106KN/mm2莫氏硬度10-导热系数142W/(m*k)热膨胀系数0.9-1.4510-6/K研磨能力0.77-1日前在超精密切削中使用最多，效果最好的是天然单晶金刚石刀具。超精密加工装备及其关键部课件662金刚石刀具刃口的锋利性金刚石刀具刃口的锋利性金刚石刀具刃金刚石刀具刃口的口的SEM照片照片超精密加工装备及其关键部课件673金刚石刀具刃口的粗糙度金刚石刀具刃口的粗糙度金刚石刀具刃口金刚石刀具刃口超精密加工装备及其关键部课件684金刚石刀具切削刃轮廓的复映性金刚石刀具切削刃轮廓的复映性5金刚石刀具的强度与耐缺损性能金刚石刀具的强度与耐缺损性能金刚石刀具的强度、耐缺损性能及耐磨损性能金刚石刀具的强度、耐缺损性能及耐磨损性能与金刚石的结晶的方位有关、与金刚石的结晶的方位有关、6金刚石刀具的热化学性能金刚石刀具的热化学性能金刚石刀具具有良好的热特性超精密加工装备及其关键部课件69超精密加工装备及其关键部课件70超精密加工装备及其关键部课件71 主轴回转精度主轴回转精度30nm 反馈系统分辨率反馈系统分辨率2.5nm 控制系统分辨率控制系统分辨率5nm 主轴转速主轴转速50-1500转转/分分 溜板直线性溜板直线性0.15m/200mm 行程行程X x Z=400mm x 400mm 最大加工件直径最大加工件直径800mm 最大加工长最大加工长度度400mm主要技术参数：主要技术参数：超精密加工装备及其关键部课件72超精密加工装备及其关键部课件73机床特点：机床特点：采用超精密气体静压主轴及回转工作台。采用超精密气体静压主轴及回转工作台。超高精度气动卡盘结构，保证批量加工的超高精度气动卡盘结构，保证批量加工的快速高精度定位。快速高精度定位。可加工高精度球面镜，也可进行平面及圆可加工高精度球面镜，也可进行平面及圆柱表面的镜面加工。柱表面的镜面加工。固定式多刀结构，换刀精确、快速。固定式多刀结构，换刀精确、快速。