1 引言
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]4WM< 9^@#Ua 超精密加工機床的研制開發(fā)始于20世紀60年代。當時在美國因開發(fā)激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發(fā)制作反射鏡的超精密加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機床應運而生。1980年美國在世界上首次開發(fā)了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，它標志著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研制開發(fā)滯后于美國20年。從1981～1982年首先開發(fā)的是多棱體反射鏡加工機床，隨后是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機床技術也都處于世界先進水平。我國的超精密加工機床的研制開發(fā)工作雖起步比較晚，但經(jīng)過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所研制開發(fā)的HCM-Ⅰ超精密加工機床，主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。
表1 國內(nèi)外典型超精密車床性能指標匯總 y-_IMu.J`
| 型號(生產(chǎn)廠家) | HCM-Ⅰ &"=<w
(中國哈工大) | M-18AG 8r.3t\o)X
(莫爾特殊機床,美國) | Ultraprecision CNC machine /U= ?D(>x
(東芝,日本) | Ultraprecision Lathe 86 W.z6
(IPT，德國) |
| 主軸 | 徑向跳動(µm) | - | ≤0.075 | ≤0.05(500r/min) | ≤0.048 |
| 軸向跳動(µm) | - | ≤0.05 | ≤0.05(500r/min) | - |
| 徑向剛度(N/µm) | 220 | - | 100 | - |
| 軸向剛度(N/µm) | 160 | - | 200 | - |
| 導軌 | Z向(主軸)直線度 | ＜0.2µm/100mm | ≤0.5µm/230mm | - | 0.044µm/80mm |
| X向(刀架)直線度 | ＜0.2µm/100mm | ≤0.5µm/410mm | - | 0.044µm/80mm |
| X、Z向垂直度(") | ≤1 | 1 | - | - |
| 重復定位精度(µm) | - | 1(全程) BP=<TRp .
0.5(25.4mm) | - | - |
加工 G! U
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工件 ><{Lh@{
精度 | 形面精度(µm) | 圓度：0.1 | 平面度：0.3 | ＜0.1(P-V值) | 0.1 |
| 表面粗糙度(µm) | Ra0.0042 | 0.0075(P-V值) | Ra0.002 | 0.002～0.005RMS |
| 位置反饋系統(tǒng)分辨率(µm) | - | 25 | 2.5 | 10 |
| 溫控精度(℃) | ≤0.004 | ±0.006 | ±0.1 | - |
| 隔振系統(tǒng)固有頻率(Hz) | ≤2 | 2 | - | - |
| 加工范圍(mm) | 320 | 356 | 650×250 | - |
2 主軸系統(tǒng)
?zK\!r{ P]H4!}M 超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的一個部件，通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研制開發(fā)的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)�？諝廨S承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度。主軸振擺回轉(zhuǎn)精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復徑向振擺，屬于靜態(tài)精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度可達0.05µm，最高可達0.03µm，由于軸承中支承回轉(zhuǎn)軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉(zhuǎn)精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學者研究表明，當軸和軸套的圓度達到0.15～0.2µm的精度時，可以得到10nm的回轉(zhuǎn)精度，并通過FFT測定其所制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1µm。另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產(chǎn)生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點。但是在主軸剛度、發(fā)熱量與維護等方面需要做細致的工作。要做到納米級回轉(zhuǎn)精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.15～0.2µm，再通過空氣膜的均化作用來實現(xiàn)外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數(shù)量、分布精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產(chǎn)生微小振動的直接原因，從而影響回轉(zhuǎn)精度。要改善供氣系統(tǒng)的狀況，軸承材料宜選用多孔質(zhì)材料。這是因為多孔質(zhì)軸承是通過無數(shù)小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質(zhì)材料的均勻性是很重要的。因為多孔質(zhì)供氣軸承材料內(nèi)部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對表面進行堵塞加工。
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