超精密机床结构.pdf

第 1 章超精密机床结构设计 1.1 超精密加工技术与超精密加工机床概述 1.1.1 超精密加工技术的概念 超精密加工技术是上世纪50年代未、60年代初发展起来的一项新技术，由于电子技术、 计算机技术、宇航和激光等技术发展的需要，美国就组织有关公司和研究机构进行微米级 加工技术的研究，在美国诞生的金刚石刀具镜面车削技术催生了超精密加工技术。1962年 美国首先研制出超精密车床(Union Carbide公司，超精密半球面车床)，在该机床上使用 单刃金刚石车刀加工直径 101.6mm的铝合金半球面，成功地实现了镜面车削，尺寸精度达 ±0.6 m，表面粗糙度为Ra0.025 m，迈出了微米级超精密加工的第一步。 目前，超精密加工还没有确切的统一定义。就其加工而言，超精密加工有两种含义， 一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工；二是指向实现微细尺度界限挑战的 加工，即以微电子电路生产为代表的微细加工。一般认为，加工精度高于0.1微米，粗糙度优 于百分之几微米的为超精密加工，更严格的说，尺寸精度为IT－1(在 100 左右时为0.25 m, 粗糙度为Ra0.025 m)或更高的为超精加工。所谓微细加工是指在加工微小尺寸零件或微小尺 寸结构时，能达到极微细的位移精度和极高的重复精度的加工。 超精密加工技术是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，不管是军事工业还 是民用工业都需要这种先进的加工技术。例如，关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中 率的惯导仪表用精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜、 大规模集成电路的硅片、各种光学仪器的反射镜、陀螺仪框架、伺服阀、激光打印机用的 多棱镜、复印机的感光鼓；计算机的硒鼓、磁盘；陀螺仪用的空气轴承、导弹零件、精密 泵零件、动压马达；高速摄影机和自动检测装备的扫描镜、激光加工机的多曲面反射镜和 聚光镜；录象机的磁头和煤气灶的转阀等都需要超精密加工。从某种意义上说，超精密加 工担负着支持必威体育精装版科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志 [1] 之一 。 超精密机床是超精密加工最重要，最基本的加工设备，是实现超精密加工的物质基础。 超精密机床技术是一项综合技术，包括机床的结构、关键基础部件、测控技术和环境技术 等。其关键部件是主轴及其驱动系统、导轨及其驱动系统、检测装置、微进给机构等。 如果我们把超精密机床划分实验室机床和商品化机床，可以清楚地看到，实验室机床 是由大学和研究所研发的原理型机床，它往往由军事需求驱动，为某一特定产品而研制。 这类机床尽可能集成最先进的技术和追求精度的极限，因此在一定程度上是为科学实验为 目的的探索性和先导性的研究成果。但是，实验室机床并不追求功能的多样性，生产率和 经济效益，也不能直接为市场提供规格化、实用化的产品。但是，大学和研究所保持着对 超精密机床研究的持续热情和对高技术进行的超前研究，对超精密机床产业化和商品化起 着推动作用。一些著名研究中心举例如下： (1) 美国劳伦斯．利佛莫尔（LLNL）国家实验室研制了一系列的超精密机床。例如LLNL在 完成DTM-1和DTM-2型超精密金刚石车床之后，1983年美国LLNL和联合碳化物公司Y-12工厂 联合研制DTM-3型84英寸大型超精密机床。该机床可加工直径为2.1 m 质量4.5吨的工件， 第 1 页 采用高压液体静压导轨，在1.07 m×1.12 m 范围内直线度误差小于0.025 μm(在每个溜板 上装有标准平尺通过测量和修正来达到)，位移误差不超过 0.013μm(用氦屏蔽光路的激光 干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.001 (通过两路激光干涉仪测 量，压电陶瓷修正来实现)。 激光测量系统有单独的花岗岩支架系统不与机床联接，油喷 淋冷却系统可将油温控制在20 ± 0.0025度。采用摩擦驱动推力可达1360 N， 运动分辨率 达0.005 μm。 1984年研制成功代表当今最高水平的64’’超精密金刚石车床LODTM，至今为止仍是技术 集成度最高，指标最先进机床。(见1.4.1节介绍)。 LLNL研制的小型光学金刚石车床(BODTM─Baby Optics Diamond Turing Machine)如 图1.6所示。为加工铁合金和难加工金属等需求，LLNL还研制了非金刚石车削的精密工程 研究车床