1超精密平面磨削的技术要求
1.1超精密平面磨削的技术指标
精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段,通常,按加工精度划分,可将
机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展,划分的界限将逐渐向前推移,过去的精密加工对今天来说已是普通加工,因此,其划分的界限是相对的,且在具体数值上至今没有固定。精密加工是指加工精度为1-1µm、表面粗糙度为Ra0.1-0.025µm的加工技术;超精密加工是指加工精度高于0.1µm、表面粗糙度Ra小于0.025µm的加工技,,因此,超精密加工又称之为亚微米级加工。但是,目前超精密加工已进入纳米级精度阶段,故出现了纳米加工及其相应的技术,如表1所示。
根据我国目前精密平面磨削的基础,结合国外超精密平面磨削的技术指标,提出以下超精密平面磨削机床的技术指标,并与已实现的技术指标作了比较。
1.2超精密平面磨削的技术要求
根据表1所示的超精密平面磨削的技术指标,我们可以提出超精密平面磨削机床的技术要求:机床的砂轮垂直进给能实现微量进给,机床具有足够的静、动态刚性,尤其是对机床的热变形及振动的控制较常规的机床加兄实奶岣摺
2实现超精密平面磨削的方法与手段
如上所述,为了实现这些技术要求来达到理想的技术指标,在机床的设计理念与机床的具体结构中,要求与传统的机床有较大的改进与提高,根据我们的经验及对国外精密加工技术资料收集与分析,结合平面磨削的机床结构、运动要求,可将整机分解为如下的主要单元技术:(1)机床布局型式;(2)新材料运用;(3)主轴精密回转技术;(4)微量进给技术;(5)运动导轨型式;(6)高精度温度控制技术。
2.1机床布局型式
机床布局型式极为重要,是决定成败的关键,但是超精密磨削技术是由精密磨削发展而来,从国外已实现超精密平面磨削机床看,其结构型式多种多样,既有“磨头移动式”,也有“立柱移动式”或“十字拖板移动式”,无一例外,均未脱离传统的机床布局结构型式。从我们已掌握的高精度平面磨削术基础上,认为机床结构采用“十字拖板移动式”适合于超高精度平面磨削机床的研制。因为该结构型式,具有机床结构布局对称性好,热稳定性好;主要运动部件重心低,运动平稳等优点。
2.2新材料运用
超精密平面磨削对机床的热变形及振动控制要求较高。在机床基础结构件材料的运用上,应突破传统以灰铸铁为主的原则,采用一些新型材料,如:非金属材料——树脂混凝土,该材料的振动衰减性、耐热梯度、线胀系数等特性均大大优于金属材料。这在国外已被成熟运用,在国内也有运用的例子,如上海机床厂有限公司数控凸轮轴磨的床身采用了人造大理石材料,取得了较好的效果。因而在超精密平面磨削机床的主要关键基础件,如床身、立柱、拖板等应采用人造大理石材料。
2.3主轴精密回转技术
主轴回转精度是超精密平面磨削的关键技术之一,其数值要求在0.1µm以,而且其刚度、热膨胀性、抗振性等方面都应有非常好的性能。
静压空气轴承的主轴部件具有以下优点:刚性高,摩擦国小,温度变化小,能在高转速下工作,回转精度高,其精度可达到0.1µm-0.025µm,径向和轴向刚度在100-300µm之间,磨损率小(接近于零),寿命长,基本不需要维修等。因而空气静压轴承主轴将是超精密平面磨削的首选。
2.4微量进给技术
在超精密平面磨削加工中,砂轮的微量进给是被加工件尺寸精度和表面质量的重要保证。目前,在精密的平面磨削加工中,其进给通常采用“伺服电机+滚珠丝杆”的典型的纯机械方式,一般以能实现0.1µm的微量进给为极限。若要实现超精密平面磨削所需的0.1µm-0.01µm乃至更小的微量进给,传统的机械方式已不能适用。
从国外的资料了解,目前实现微量进给主要采用以下两种方式:一是利用压电+瓷的位移分辨率高、响应速度快的特点,二是利用材料的热变形原理实现微量进给。其中压电陶瓷在微量进给机构中的运用比较普遍,已可稳定达到0.01µm的微量进给,因而,在超精密平面磨削加工首选是采用此种方式。其次,超精密平面磨削研制的初级阶段,若能采用对传统的机+方式进行精化,稳定实现0.1µm的微量进给,也可满足在大多数超精密平面磨削加工的需要。
2.5运动导轨型式
超精密平面磨削是依靠砂轮与工件的相对运动来实现的,它不仅需要砂轮具有精密的回转运动,而且也需要工件具有超精密的直线运动,其精度要+应在0.1µ/100mm之内。因而一般常常使用静压导轨,利用其运行精度高、无爬行等优点。静压导轨又分为液体静压和气体静压两种。一般来说,液体静压导轨刚度大,在具有磨削功能的机床使用广泛,但是它的结构相对复杂,由于油的粘性剪切阻力,发热问题较为严重,热变形控制+对较难。因而,采用气体静压导轨更为适用。
2.6高精度温度控制技术
对超精密平面磨削而言,机床热变形的控制极为重要,这在机床的整机布局设计过程中,必须考虑热对称性及热稳定性,可考虑采用先进的设计方法加以先期的控制。对机床运动产生的热量、磨削产生的热量、必须通过恒温手段加以严格控制,如油液、导轨轴承所用空气、冷却液等,其温度控制精度应在0.1 ºC以内。环境温差也是影响超精密平面磨削的一大因素,可考虑采用多层恒温控制手段,机床周围大环境的温差控制在20ºC±1ºC,其近围环境温度应控制在20ºC±0.1ºC,而且要控制人体(操作工)对温度的影响。
3结束语
上述,仅对我们认为实现超精密平面磨削较为关键的几个方面,进行了简单讨论,由于这是一个复杂的系统工程,还有许多方面,如机床隔震、高效清洁过滤等技术,也是非刂匾,需要进一步探讨与研究