超精密加工装备及其关键部.ppt

1,超精密加工装备及其关键部件,主讲：崔仲鸣,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,3,11 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,4,加工的人机系统,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,6,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。,7,滚动轴承,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,缺点接触振动,袁减性能降低,精度寿命难以保证,8,液体静压轴承主轴,精密/超精密加工设备精密主轴部件,液体静压轴承回转精度很高(精度0.1mm)转动平稳无振动，有较高的刚度和回转精度,液体静压轴承 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，不产生固体摩擦 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原来的中心位置；,9,10,1)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，影响轴的精度。2)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降低液体静压轴承的刚度和动特性。,液体静压轴承的缺点,11,2)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 3）轴承用恒温水冷却减小轴承的温升，,1）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,改进方向,12,空气静压轴承主轴,特点 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，空气轴承能满足要求，故在超精密机床中得到广泛的应用。,13,14,结构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。轴的中心位置由相对面的静压空气压力差维持,空气静压轴承主轴,15,双半球空气轴承主轴,16,前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴,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,18,超精密机床主轴和轴承的材料,1 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多采用石墨作主气轴承套，轴不易磨损。,2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。,19,3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,超精密机床主轴和轴承的材料,4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，需要进行稳定比处理,20,主轴的驱动方式,1 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,3 采用内装式同轴电动机驱动机床主轴,21,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。,22,3 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,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,精密导轨部件要求,24,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。,25,再循环滚柱滚动组件,26,3 再循环滚珠滚动组件、,27,直线导轨（产品）,28,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，直线运动精度高，并且平稳，无爬行现象,29,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动精度，运功平稳 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。,30,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。摩擦系数接近于零,31,空气静压导轨有很高的刚度和运动精度,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,33,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,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 mm 累计螺距误差2mm,滑动丝杠进给机构,35,进给驱动系统,精密数控系统,滚珠丝杆副驱动,直流伺服电机或交流伺服电机,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0.5-1 mm。,36,滚珠丝杆副驱动,滚动丝杠,37,38,液体静压丝杠,静压丝杠的原理与静压主轴的相同。,39,直线驱动进给系统,40,直线驱动进给系统（续）,直线伺服电动机驱动的进给单元,41,直线电动机进给驱动的主要优点,速度高，最大进给速度可达80180mmin加速度大，加速度可高达2gl0g定位精度高，高达m行程不受限制。,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,42,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,43,44,1）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,45,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,46,47,48,(2)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,49,(3)热膨胀微量进给机构,50,(4)弹性变形微量进给机构,51,超精密加工环境,52,超精密切削,53,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 mm精度0.01 mm 用于加工陀螺仪，激光反射镜，天文望还镜的反射镜,54,1被加工材料的性质 2、金刚石刀具3、加工用的机床 4、加工条件、5 加工环境 6、测量,影响金刚石精密切削加工的因素,55,超精密金刚石刀具切削的机理,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。10-4 以下的切削加工,56,刀具切削模型,57,58,被切削表面的弹性恢复,刀尖的局部后退,最小切削厚度,59,切削表面形成的模型,60,影响形成表面的因素,(1)切削刃的组糙度(2)切削刃的复映性(3)毛刺与加工变质层,61,切屑深度对切削形态的影响,62,被切削材料与切屑形成状态,63,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,1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。,64,2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削表面的粗糙度,普通刀具切削刃粗糙度为Ry0.3-5 mm，而金刚石刀具的q切刃粗糙度为Ry01一0.2 mm,3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,65,金刚石刀具对超精密切削的适应性,1金刚石的性能,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。,66,2金刚石刀具刃口的锋利性,金刚石刀具刃口的SEM照片,67,3金刚石刀具刃口的粗糙度,金刚石刀具刃口,68,4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、耐缺损性能及耐磨损性能与金刚石的结晶的方位有关、,6金刚石刀具的热化学性能,金刚石刀具具有良好的热特性,69,70,71,主轴回转精度30nm 反馈系统分辨率2.5nm 控制系统分辨率5nm 主轴转速50-1500转/分 溜板直线性0.15m/200mm 行程X x Z=400mm x 400mm 最大加工件直径800mm 最大加工长度400mm,主要技术参数：,72,73,机床特点：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，保证批量加工的快速高精度定位。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。固定式多刀结构，换刀精确、快速。,