轴承加工：超精密加工[02]

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

球形镜面研、抛时要求研具保持在被加工表面的法向上，有两种保证方法：一是通过研具（1）本身的自定位机构来达到；二是通过采用数控系统使研磨头（2）倾斜一φ角来实现。 球形镜面的磨抛加工法是建立在借助激光干涉仪（4）进行表面（3）的误差测量的基础上（图2b）。测量时，激光干涉仪沿X和Y坐标移动，或沿X，Y中之一的方向移动和工作台（5）转动，镜面误差的测量结果被记录在模拟量或数字量的记忆装置中，然後进行处理。根据来自数控系统的指令磨头（研具）被移动到标有对给定面形误差最大的偏差处并磨除材料。之後表面被重新检测和重复加工工序。就这样以逐步趋近的方法去达到所要求的面形精度。 平面形镜面的加工主要采用磨削和研抛工艺方法来加工，目前此法所能达到的最高平面度<0.2µm/300mm，表面粗糙度Ra<1nm。 电物理加工法 电物理加工的方法有多种，其中获得最广泛应用的是电磨料抛光和离子束表面加工。前者的实质是使电解加工过程中所产生并留下的氧化膜由磨料从被加工表面上去掉以获得镜面；後者则是借助离子发生器射出的离子束对表面进行研、抛。 离子束表面加工法如图3所示：经过预磨削加工的工件（2）被放置入真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室（1）中，离子发生器（8）射出的离子束以高达30K电子伏的强度作用在被加工的表面上，并以1µm~5µm/h的速率去除表层材料，从而达到10nm乃至更高的形状精度。 在工作过程中，离子发生器（8）射出的离子束打在工件上的强度和加工过程均由计算机（6）及程序软件（5）来实现，而根据激光干涉仪（9）对被加工表面形状的检测结果，借助驱动装置（12）来调节光栏（掩盖物）（11）改变离子束强度，通过控制器（7）控制离子发生器（8），通过驱装置（3）和（4）控制工件位置，并由传感器（10）来测量和控制真空室（1）中的温度，使之保持恒定。 除上述方法之外，还有其他的超精密复合加工方法，如电火花成形加工後继而采用的流体抛光法、电化学抛光法、超声化学抛光法、动力悬浮研磨法、磁流体研磨法以及采用ELID技术的磨削法等。采用ELID技术进行光学玻璃非球面透镜加工时面形精度可达0.2µm，表面粗糙度则达Ra=20nm。 超精密加工机床的设计与制造 超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保证超精密加工工艺和目标的实现。因此，超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是：消除或减少机床上的热源和振源；提高机床的结构刚度和几何精度；减少机床的变形（含温度变形和力变形）对机床加工精度的影响等。为了实现这些基本原则和要求，超精密加工机床设计时，经常采取的一些原则措施有： 首先是尽量不用或少用摩擦发热量大的传动装置（如机械无级调速器），并把工作过程中发热量大的热源（如电机、冷却润滑油箱等）与机床本体结构分离或隔热，以避免热量落入机床本体引起机床结构的热变形。 选用热胀系数α和导热系数λ值低的材料作机床的重要零部件材料。这样的材料如表1所示。与此同时也要尽量采用热物理特性相同或相近的材料来制造机床的构件和零部件。 零部件的结构设计力求热对称，而且应考虑采取强迫的风冷或液体冷却并预留相应的冷却液循环流动通道。当冷却的尺寸范围在200mm~1500mm时，风的流量应为（3~10）m3/s或液体的通量为（1~10）L/s，从而可分别保持温度波动为±0.05°C和±0.02°C。对个别强热源处（如主轴轴承）所产生的热量，必要时可采用专门的热管带走。 超精密加工机床不仅要考虑安装和工作在恒温室里，而且在极高精度要求的情况下，还应考虑控制机床工作在温度 ±0.01°C的油淋浴的恒温箱中，因此，机床的工作过程必须是完全自动或遥控的，不能有人在现场，以免人的活动和体温对环境条件产生影响。 为了避免振动影响加工精度，除了机床必须安装在由空气支承、弹簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，机床上的旋转运动件也要严格进行动平衡，残馀不平衡量应小于0.5~1g.mm。与此同时，为了消除和减少机床本身内部振源，要尽量采用运动平稳的传动系统，如非接触的气动和液体传动，禁止或避免采用带有冲击力的传动，如有间隙的换向机构等。 通过振源振动频率的调整（如改变转速）或通过对机床工艺系统的质量（m）和弹簧刚度（k）等动力参数的选择使振源的振动频率与机床工艺系统的固有频率相互远离，避开共振区，减少振动对机床工作的影响。 选用具有高内阻尼系数的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的双层壁铸铁件作为机床的结构件，以保证高度衰减内部产生和外部传来的振动，因为振动衰减的效果正比于阻尼系数（即衰减指数）。正常情况下，铸铁的衰减指数为0.006~0.008，而天然大理石和人造大理石的衰减指数则分别为0.02~0.04和0.06~0.08；不清砂的双层壁铸件可以大大增加结构的内阻尼，因而可大大提高衰减振动的效果。 主轴部件设计的关键指标是回转精度和刚度，为此优先采用带有温控的低噪音主轴电机并通过扭矩或各种电磁的和薄膜的联轴节与主轴联接进行驱动，主轴轴承则采用具有自定位功能的球面气浮或液体静压轴承结构。用此结构的主轴精度（径向和轴向跳动）可达0.01µm。当工作压力为0.3MPa~0.6MPa时，气浮轴承的平均刚度为200N~400N/µm，液体静压轴承则为600N~1000N/µm。但为了主轴跳动不超过0.05µm，供油压力的波动值不应大于0.01MPa，油温波动也不应大于0.05°C。 进给传动的设计主要要求是：保证能有效进行误差动态补偿的换向精度；可实现最小5nm的脉冲位移；采用修正系统後具有2nm的高定位精度。为此，可供选择的进给传动方式有以下几种： －滚珠丝杠副。特点是刚度大，可实现的增量位移为100nm（即0.1µm）。 －摩擦传动。传动刚度为50N~100N/µm，拉力达100N，可实现的移动增量为5nm。缺点是寿命低，不够灵敏。