超精密车床的非球面加工技术

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

超精密加工技术国防科技重点实验室 1前言 近年来，给家电行业带来繁荣的民用磁带录像机(VTR)，是由于磁头的微细槽加工技术得到确立所致。进而IC存储芯片的存储器扩大竞争是因为步进器为代表的微小定位装置和光学透镜系统取得非常大的进步。可以说，这些尖端加工技术，使日本上升为?个技术国家。 但是，这些尖端加工技术，是所谓精密定位技术，从轮廓生成的观点来看时，其精度还低1个或2个数量级、勉强进入微米级，可以说与欧美的超精密技术相比，还差1、2步则是实情。 随着半导体激光器等各种激光器和 X射线应用机器的发达，对光学透镜(球面、非球面透镜)和反射镜、聚光镜均要求形状精度在亚微米以上。因此，为适应这种精度远远超过原计划水平的要求，我们开发出采用出静压机械元件和激光式测长系统构成的全封闭系统的“SUP一200L”型超精密 NC车床。在微米、亚微米的高精度车床方面，本公司在 VTR业界和软驱动领域销售了有数百合以上交付实绩。 1985年6月作为向超精密方面迈进第一步，开发了超精密小型磁盘加工机。下面就以其实绩和研究作为基研而开发的“SUP一200L”(照片1)说明车床的设计思想和其性能。 2迈向非球面加工的途径 依靠电子技术的发展，家电行业正从传统的磁介质系统向光应用系统进行变革。如摄像机行业也出十电子器件的应用而进一步指向轻量化和自动化，把采用非球面透镜等作为轻量和高性能化的目标。进而使用非球面透镜的高性能的光学系统，而在电子行业又进步正推进 IC LSI的高集成化。 这样一来，在各自的行业中，都不得不变成高性能的光学系统。但是，对于非球面透镜或反射镜来说，其范成法不像传统的球面法那样采用机械的方法。假如，即使采用机械方法也会因透镜的设计日的不同其形状各异，刀具和材料的精细补偿和挤压成形等生产手段，使形状发生变化，即使采用补偿凸轮等机械也不能满足其要求的精度。 表1示出非球面透镜的形状精度分类和要求精度，为实现这样的0．1μ m以下的形状精度，具有更高分辨率、更正确的跟踪性的机床是必需的。本公司曾在世界上首先开发出以微米级加工民用 VTR磁鼓螺旋管线的纯 NC式管线加工机床以及开发出磁盘用基片加工的超精密磁盘加工机床和镜面加工的机床。在开发这些机床的经验基础上又采用最新的技术进行了超精密车床的研制。 3结构和机床要素 作为能满足超精密车床的因素，粗略地可举出以下4点。 ①作为机床，对于指令要正确而稳定地充分发挥机床精度的机械系统。 ②相对意图的形状，能给予正确的指令，时间不滞后进行运算处理的 NC装置。 ③对于NC来的指令，能正确地控制机械系统的伺服系统。 ④对机械系统和控制系统不给予坏影响的环境。 唯有使这些因素完全匹配的系统才可以说是超精密车床。下面叙述一下对“SUP一200L”的各种因素的研讨和实施的内容。表2表示“SUP一200L”机床的规格。 3.1机械系统 正交2铀不采取叠合而采用 T字形配置，追求各自轴的直线变，使两轴产生正确地垂直度。主轴配置在 Z轴上。驱动马达在两轴端采用动平衡的特殊形式，借助联轴节进行动力传递(参照图1) 为高速切削，主轴采用有利于热的空气静压轴承。超精密磁盘加工机床使用的是 PI公司制造的4B型，空气压力8kg／cm2。另外，在200L型机床上，由于限制主轴马达的发热和振动，最高速度定为4000rpm。另外，为了适应把主轴分度和磨削加工作为主体的需要，也准备了安装 PI公司的10B型的“SUP一200L”型机床。 G型机床是以加工模具为主的较重的大工件为对象，主轴的最高速度定为2000rpm。 拖板导轨采用在刚性及振动衰减能力上都有利的汕静压导轨。 X轴及Z轴仅行程不同外，都是作成同样断面结构，表3示出所得刚性(移动部件的重量都是约200kg)。另外，表4示出 X、 Z轴的直线度测量结果，图2示出一例。 对于进给系统，厌恶切削时的低速滚珠系统的动态，对走刀丝杠采用60度梯形丝杠。支架轴承一也采用重视轴向刚性的油静压轴承，使走刀扭矩的变动为最小的设计。 主体及主要部件的材料(拖板、床身和激光器底座等)全部采用膨胀系数4?5×10 -6 m℃的殷钢(Invar)系列材料，以防止因温度变化造成精度变化。另外，即使是同样的材料，底座要重视衰减能力的组织，而其它结构材料要使用衰减能力和强度都作为适度的组织状态在振动特性及应力分析上要进行 CAE的模态实验分析及有限元法的分析，设计成不仅能进行车削而且即使在研磨和飞刀切削加工时也能充分发挥 其性能的结构．图3表示整体模型。并且就底座的结构，在线框模型的模拟上，拖板位于任何位置上，底座上面的平面皮的偏差均可得到0．5μm以下的分析结果。 3．2 NC装置及激光干涉式测长系统 作为位置反馈装置是采用 HP5501A型激光反馈系统，其最小分辨率为0．01 μm。与此相适应， NC的最小脉冲为1脉冲0．01μm，因而最大指令值不可过小。 随着分辨率的大幅度提高，最高的快进给速度不要在实用范围以下，使最高脉冲发生速度要超过激光的输出速度1．5Mpps的3Mpps以上。进而在非球面等的连续近似插补时，为使指令区段问不产生紊乱，在多 CPU的区段间进行无接口指令。在1个程序内可适应4000区段以上的细分，扩大了存储的能量和处理能力及充实了其它补充功能。 对于非球面等，将由函数表示的任意形状的数据输入输出用手工进行达到0．1μm，是很麻烦的作业。因此，在个人计算机上进行制作程序数据，采用向 NC存储器直接传递系统。 另外，用 Form Talgaurf(成形粗糙度检查仪)测定的数据完成了自动修正系统。确信本系统有助于复杂的非球面程序的制造、修正。 3．3伺服系统 为了尽可能缩小对指令值的误差，所以尽量提高速度环路增益和位置环路增益。对此在研究开发 NC导程加工机“SNC?LT”的当时，本公司就注意了这一点，但把形状作为问题时，左右机床走刀系统的跟踪性的是位置环路增益：Kp。不提高它，就不能范成正确的形状。图4中表示导程加工机上的Kp的不同造成其形状的不同。 这样，随着分辨率的提高。在 Kp方面，必须提高整个走刀系统的伺服增益。关于“SNC一200L”的走刀系统和伺服系统，从设计初期就注重了这点，通过高的刚性和快速响应性，实现了超精密轮廓的控制系统。 有关伺服系统，还有?个问题，这就是在非球面加工中所见到的变曲点上的动态问题。即在现状的伺服系统中，在现象的变换、进行方向的变化，增加减速时因整个系统上滞后，控制系统受阻梗，变动大。对于位置环路增益和速度控制方式的关系就起因于这种现象，即使对速度控制方式也采用与传统不同的方式构筑控制系统。图5表示对轨迹解析装置的变极点的动态示例和对策示例。 在机械系统的特性无论如何也不能改善时，说不定通过从控制系统方面修正依靠其特性的软件伺服的高精度化也有探讨的余地。但是，我想这成为与上面所提到的测量仪所得来的数据程序方法是同样的方法。 3.4环境装置 使用激光反馈系统，如果要把高精度轮廓控制、高精度定位控制在0．01μm时，最大的问题就是温度的影响。因此，对激光的光程系统要进行加罩，避开外部影响。另外，拖板的润滑油和供给主轴的空气都要使用恒温装置，进行温度管理并经常对机床内部填充与供给主轴同样的空气，使机内的构件和空气温度保持在0．1℃的范围。测量数据如图6所示。从而得知室温和供给空气的温度变化即使是 l℃左右，也要在极小范围内进行温度控制。 4加工和其评价 综上所述，把最尖端的超精密技术进行组合、制造超精密车床、评价它的方法非常难的。总之，工件的特性、刀具的状态和夹具、切削方法及对它的测量，可以说这些技术、技巧本身就是超精密技术。因此本公司作为合理的评价而容易采用的可靠性高的方法，如下： 被切削材料：纯铝、无氧铜(都是99．9％)和 PMMA 使用车刀：单晶 lR， R形状精度0．3Lμm以下 切削形状：①平面，②圆柱，③锥形，④端面高度差加工，⑤球面?R80mm，⑥非球面 切削油：使煤油做成雾状喷出 安装方法：螺纹工件夹具 测量机如下： 形状精度：轮廓粗糙度检查仪(Form Talgenrf) 圆度、平面度：圆度仪200(Talyrond) 走刀螺距的评价：微分干涉显微镜 切削条件如下； 主轴速度：2000rpm 进刀量：6μm 走刀：10μ m／rev 照片2表示无氧铜的非球面加工例子。 图7是平面加工例子，表面粗糙度和包括主轴与 X导轨的垂直度误差为0.204μm。 图8是端面的平面度，外圆圆度数据。软质材料测定较难，这似乎是因Talyron圆度仪有测量界限。 图9是端面上带有高度差的加工例子，清楚地表明有0．3μm的高度差。实验时高度差达到0.1μm，但由于是表面粗糙度为 Rmax0．05μm的材料，所以不能清楚地观察到其高度差。 图10是 R＝80mm的球面加工例子。车刀的R形状精度约为0．2μm，被切削材料是 PMMA。 图 ll是为确定变曲点的情况及机床的跟踪性而加工的非球面的形状。这种加工程序是使用个人计算机，将函数给予的形状传送到径向，将分割400的纵向数据传送到存储器，而进行的。 图12是将非球面按最初的程序进行加工并将它在 Form Talysurf(轮廓粗糙度检查仪)上进行测量的结果。图13是由所得的数据进行程序修正再进行加工的结果。这种修正是对数据进行亚微米的补偿，含有无数的变曲点指令(变换方向的指令)。另外，这时的插补都是直线插补。 这样，当以无补偿加工时，机床具有的形状误差及车刀圆形误差就相加，形状误差就表现出更大的误差。通过对这误差进行补正，则误差可得到改善，取得良好的形状。这一情况表示机床对于控制系统，显示出很好的响应性。 这种重复稳定性高的情况，即使拖板和刀具等有误差因素，通过程序也能得到良好的形状。另外，通过将部件区更细地划分，部件区间接口的影响和变曲点的形状的紊乱，在数据上是看不见的。 当使用上述的自动程序修正系统，进行 Ni?P电镀工件的非球面加工时，由于进行2次测量修正作业，则很简单地制造出图14那样的高精度形状。 利用同一系统，直线插补和圆弧插补都是可能的。而且修正用数据是 ASCII码，从其他计算机来的修正也行。 5结束语 至此已把“SUP一200L”超精密 NC车床进行亚微米加工时存在的诸多问题已经搞清。但它是利用金刚石刀具车削铝和铜等材料的。然而在现实中对淬火钢和硬质合金等的超精密加工的要求则非常高。当然，为使“SUP一200L”也能充分适应这种要求，也对拖板及主体进行了设计。现在通过使用金刚石和 CBN超硬砂轮的磨削主轴进行加工实验，最近将发表利用车刀的切削和利用砂轮磨削的复合起来进行加工的系统，对能进行光学工件的超精密加工寄予厚望。 综上所述，可以确信，在可视光范围内，“SUP一200L”是能实现亚微米的形状精度和表面粗糙度的。但是，在实现亚微米加工可能的同时，则又强烈要求超精密的纳米级加工是当然的，这必须作更大地努力去实现它。以目前的系统还不能接近紫外范围进而 X射线范围的光学性能。对于精密定位及范成形状，还必须引进更新的技术。 最后，对在 NC装置及伺服技术中给与很大帮助的(株)安川电机制作所表示衷心谢意。