精密与超精密加工课件第四章.ppt
2023/10/4,疏 达2010年9月,Precision and ultraprecision machining,精密和超精密加工技术,2023/10/4,3.1 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统 3.7 机床的稳定性和减振隔振 3.8 减少变形和恒温控制,第4章 精密和超精密加工的机床设备,2023/10/4,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,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,二、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。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。,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,二、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,2023/10/4,第2节 精密主轴部件,一、液体静压轴承主轴,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。,2023/10/4,（一）、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,2023/10/4,1）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，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。,（二）、液体静压轴承的缺点,2023/10/4,二、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。,2023/10/4,第2节 精密主轴部件,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。,2023/10/4,第2节 精密主轴部件,2023/10/4,第2节 精密主轴部件,2023/10/4,三、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。,2023/10/4,四、主轴的驱动方式,第2节 精密主轴部件,1）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,2023/10/4,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,2023/10/4,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,2023/10/4,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。,2023/10/4,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。,2023/10/4,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,2023/10/4,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,2023/10/4,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导轨等。,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,滑动导轨按导轨的截面形式分,滑动导轨分两大类凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,三角形导轨,支承导轨为凸形时山形导轨支承导轨为凹形时V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,矩形导轨,矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差适用于载荷较大而导向性要求不高的机床,矩形导轨,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,燕尾形导轨,燕尾形导轨结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂一般用作中、低速的多层导轨,圆柱形导轨制造简单要求加工时就直接达到较高精度磨损后很难调整和补偿间隙圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合,燕尾形导轨,圆柱形导轨,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,双三角形组合,导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性，很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难适用于精度要求较高的机床在载重偏离中央时，仍能保持良好导向，美国Moore公司生产的坐标镗床、坐标测量机采用双三角形导轨。,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,具有较大的承载能力、制造调整比较简单导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。,双矩形组合,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,导向性好、制造方便和刚度高应用最广泛如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。,三角形矩形组合,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,四、导轨的结构形式,两个燕尾平面同时起导向及压板作用不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等,燕尾形组合,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,五、滚动导轨,滚动导轨的优点,滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。特点：摩擦系数小（0.00250.005）静、动摩擦系数很接近 运动轻便灵活；运动所需功率小；摩擦发热少；磨损小；精度保持性好(钢制淬硬导轨修理期间隔可达1015年)低速运动平稳性好，一般没有爬行现象,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,五、滚动导轨,滚动导轨的优点,移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约0.10.2m）。滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；维护方便（只需更换滚动体）；高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起,2023/10/4,滚动导轨的应用,需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床、仿形机床等。外圆磨床砂轮架为实现微量进给：工具磨床为手摇工作台轻便；立式车床为提高速度；平面磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨。,第3节 床身和精密导轨部件,五、滚动导轨,2023/10/4,滚珠导轨,第3节 床身和精密导轨部件,滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小适用于载荷较小的机床,2023/10/4,滚柱导轨,第3节 床身和精密导轨部件,承载能力和刚度：都比滚珠导轨大应用：载荷较大的机床，应用最广泛对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大0.02mm左右。,2023/10/4,2023/10/4,再循环滚柱滚动组件,第3节 床身和精密导轨部件,2023/10/4,再循环滚珠滚动组件,第3节 床身和精密导轨部件,2023/10/4,滚动导轨的预紧,在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径不一致误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧提高了导轨的精度和刚度。阻尼性能也有所增加，提高了导轨的抗振性。,第3节 床身和精密导轨部件,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,六、液体静压导轨,静压导轨特点,工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,六、液体静压导轨,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,七、气浮导轨和空气静压导轨,气浮导轨,常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国Pneumo公司的MSG325使用气浮导轨。,2023/10/4,第3节 床身和精密导轨部件,七、气浮导轨和空气静压导轨,空气静压导轨,运动件的导轨面，上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高。静压空气的节流方式：多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流。静压空气压力46大气压。,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,一、数控系统的伺服系统,数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。,2023/10/4,进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,第4节 进给驱动系统,一、数控系统的伺服系统,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,伺服驱动装置,指令,速度环,位置环,速度检测,一、数控系统的伺服系统,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,一、数控系统的伺服系统,1、位移精度高2、稳定性好3、快速响应4、调速范围宽,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,二、精密数控系统,对超精密机床，刀具和工件的z向和x向运动以及加工非球曲面的精密回转工作台都是由精密数控系统进行控制的。精密数控系统通过直流伺服电机或交流伺服电机，双频激光测量系统检测z向和x向的位移反馈给精密数控系统，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,三、滚珠丝杠副驱动,进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,四、液体静压和空气静压丝杠副驱动,提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。,2023/10/4,第4节 进给驱动系统,五、摩擦驱动,进一步提高导轨运动的平稳性和精度，优于滚珠丝杠副的驱动。,2023/10/4,第5节 微量进给装置,一、对微量进给装置的要求,微量进给装置具有微量移动或微量转动及微量进给等功用。微量进给机构应满足的要求：1）精微进给和粗进给应分开,以提高微位移的精度,分辨力和稳定性；2）运动部分必须是低摩擦和高稳定度的,以实现更高的重复精度；3）末级传动元件必须具有很高的刚度,即夹金刚石刀具处必须是高刚度的；4）微量进给机构内部联接必须是可靠联接,否则重复精度很难实现；5）工艺性好，容易制造；6）微量进给机构具有好的动特性；7）微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。,2023/10/4,第5节 微量进给装置,二、对微量进给装置的应用,1）实现微量进给；2）实现超薄切削；3）在线误差补偿；4）用于切削加工非轴对称特殊型面。,2023/10/4,第5节 微量进给装置,三、机械结构弹性变形微量进给装置,2023/10/4,第5节 微量进给装置,四、压电和电致伸缩传感器进给装置,压电和电致伸缩传感器的材料,压电材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。压电陶瓷是一种具有能量转换功能的陶瓷，在机械力的作用下发生形变时，会引起表面带电。带电强度的大小，可以和施加电场的强度成正比，也可以成反比。因此，能够在各个领域中得到广泛应用。压电陶瓷PZT。,2023/10/4,第5节 微量进给装置,电致伸缩传感器的结构和性能,两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起，正极联在一起，负极联在一起。要提高电致伸缩传感器的动态特性，应减少传感器中的陶瓷片，减少传感器的电容量。,2023/10/4,电致伸缩式微量进给装置的结构,第5节 微量进给装置,2023/10/4,电致伸缩式微量进给装置的结构,第5节 微量进给装置,2023/10/4,第7节 机床的稳定性和减振隔振,一、机床的稳定性,1、各部件的尺寸稳定性好 1）采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件；2）各部件经过消除应力；2、结构刚度高，变形小 1）结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度；2）各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。,2023/10/4,第7节 机床的稳定性和减振隔振,问题1：什么样的机床的稳定性好？问题2：怎样减少机床内部的振动？问题3：怎样减少外界振动对机床的影响？,2023/10/4,第7节 机床的稳定性和减振隔振,二、隔振的目的与任务,隔振的目的是采用一定的隔振措施，使环境振动不致影响精密设备的正常工作。根据隔振措施的不同，可分为积极隔振和消极隔振两种。隔振措施是针对振源采取的，称为积极隔振；隔振措施是对精密设备采取的，其目的是减小环境振动对精密设备的影响，称为消极隔振。隔振设计的任务是在理论计算及实践的基础上，根据精密设备允许的振动量、水平度要求以及环境振动的大小，选择有效的和经济合理的隔振方案，其中包括确定隔振系统的质量、刚度、尺寸、结构型式及隔振器的材料、型式、刚度、尺寸、数量和布局等。,2023/10/4,第7节 机床的稳定性和减振隔振,三、提高机床结构的抗振性和消除减少机床内的振动,1、各运动部件都经过精密动平衡，消灭或减少机床内部的振源。2、提高机床结构的抗振性。3、在机床结构的易振动部分，人为的加入阻尼，减小振动。4、使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件。,2023/10/4,第7节 机床的稳定性和减振隔振,四、隔离振源，使用隔振沟、隔振墙和空气隔振垫以减少外界振动的影响,1、超精密机床应尽量远离振源；LODTM大型超精密车床为避免恒温水的水泵的振动的影响，水泵将恒温水打到水箱中，恒温水靠自重从水箱流到超精密机床的各个部件。2、超精密机床采用单独地基，隔振沟、隔振墙等；LODTM车床除用带隔振沟的地基外，还将机床放置在带隔振墙的房间。3、使用空气隔振垫 Moore公司的M18AG车床、Pneumo公司的MSG-325车床、DTM3机床和LODTM车床用空气隔振垫支承，高位支承将使机床的抗振性提高，增加机床的稳定性。,2023/10/4,第8节 减少热变形和恒温控制,问题1：减少机床热变形的措施？问题2：LODTM车床是怎样进行恒温控制的？,2023/10/4,第8节 减少热变形和恒温控制,一、减小机床热变形的措施,1）尽量减少机床中的热源；2）采用热膨胀系数小的材料制造机床部件；3）结构合理化使在同样的温度变化条件下，机床的热变形最小；4）使机床长期处在热平衡状态，使热变形量成为恒定；5）使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地区小环境的精密恒温。,2023/10/4,第8节 减少热变形和恒温控制,二、LODTM 的恒温控制,机床放置在用铝制框架和绝热塑料炉墙板做成的恒温室里；恒温室内通恒温空气；使用两级水冷热交换器，用测热传感器测进入的空气温度；重要部件直接用恒温水流控制。,2023/10/4,习题4-4习题4-17习题4-26,课后思考题,2023/10/4,本章结束,
