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高精度加工機床的關鍵部件技術（一）
閱讀：647 發(fā)布時間：2022-4-171 引言
高精度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)制作反射鏡的高精度加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的高精度加工機床應運而生。1980年美國在世界上開發(fā)了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，它標志著亞微米級高精度加工機床技術的成熟。日本的高精度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高精度加工機床技術也都處于水平。我國的高精度加工機床的研制開發(fā)工作雖起步比較晚，但經過廣大高精度工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。
2 主軸系統(tǒng)
高精度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，故主軸的回轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是高精度加工機床中重要的一個部件，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)的高精度加工機床的主軸中精度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，其精度在迅速提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺回轉精度。主軸振擺回轉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精度可達0.05µm，高可達0.03µm，由于軸承中支承回轉軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉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，可以到10nm的回轉精度，并通過FFT測定其所制造的精度空氣軸承主軸的回轉精度為8nm。HCM-Ⅰ高精度加工機床的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外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、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生微小振動的直接原因，從而影響回轉精度。要改善供氣系統(tǒng)的狀況，軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的，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。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此須對表面進行堵塞加工。
3 直線導軌
作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌，是僅次于主軸的重要部件。對高精度加工機床的直線導軌的基本要求是：動作靈活、無爬行等連續(xù)動作；直線精度好；在實用中應具有與使用條件相適應的剛性；高速運動時發(fā)熱量少；維修保養(yǎng)容易。高精度加工機床中的常用導軌有V-V型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統(tǒng)的V-V型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導軌，所以*不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮后兩種也是適宜的導軌。液體靜壓導軌由于油的粘性剪切阻力而發(fā)熱量比較大，因此須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養(yǎng)也麻煩。氣體靜壓導軌由于支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發(fā)熱問題，如果設計合理，則在后續(xù)的維修保養(yǎng)方面幾乎不會發(fā)生什么問題。但須注意導軌面的防塵。空氣導軌的間隙僅為十幾微米，而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔凈室也不能*消除，塵埃落入空氣導軌面內會引起導軌面的損傷。總體看來，空氣靜壓導軌是目前精度高的導軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導軌。目前空氣靜壓直線導軌的直線度可達0.1～0.2µm/250mm。
通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論：(1)須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產生位置擾動，擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節(jié)流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統(tǒng)機械加工手段很難加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結構，當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時，有可能產生變形，使氣膜厚度不均勻以致于影響其性能。但經過計算證明，使用長螺釘時，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時，氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級，可忽略不計。