高精密与超精密机床.docx

高精密和超精密机床
单位:同济大学现代制造技术研究所  作者:张曙卫汉华等 发布时间:2012-5-14 11:18:16
高精密加工
随着航空航天、汽车等工业的技术发展和环保要求的不断提高,对零件的加工精度和工艺要求也越来越高。以满足欧盟Ⅴ尾气排放要求的柴油发动机为例,燃油喷射阀门(图1)需要在每一冲程内快速开闭5~8次,而阀门往复行程仅20μm,对阀门的气密性和动态特性的要求很高,从而对其加工精度的要求也大大提高。
图1 高精度燃油喷射阀门
为了满足上述要求,对这些零件的加工精度要求很高,超出了一般精密加工机床可能达到的要求。尽管超精密加工机床可以达到所需的精度,但由于超精密加工对机床的床身、导轨、主轴的特殊结构,使该类机床不仅价格高昂,也有行程偏小、切削效率低、装夹时间长等缺点,难以满足尺寸较大工件的大批量生产需要。
高精度加工机床是对应上述加工要求的机床。高精密加工的精密度级别介乎精密加工与超精密加工之间,如表1所示。
高精度加工在定义上的一个特点是除了公差范围以外,也同时考虑零件尺寸大小和批量。加工大批量零件时保持5μm的公差,加工相互配合的两个零件时保持2μm的公差,,都属于高精密加工的范畴。也就是说,零件尺寸和工件批量决定了某些特定公差实现的难度。
高精度机床的结构特点
为了实现较高精度的切削运动,高精密加工机床的运动控制普遍采用较高级别的功能部件。
在导轨和轴承方面,由于高精度加工需要实现高精度和平稳的定位运动、轨迹运动和微小距离运动,因此高精度加工机床采用静压丝杠和静压导轨较为常见。此外,高精密加工机床的电主轴也可采取动压或静压轴承的方案,以同时实现支承和冷却功能,并提高主轴的刚度和阻尼性能。
在位置控制方面,由于精密测量是控制高精度加工的前提,要保证机床的运动达到需要的精度级别,其电子尺的测量精度须要高1~2个数量级。~。
机床的加工精度、光洁度和刀具寿命与机床的刚性成正比,因此高精度加工机床尤其重视床身的设计和材料选择。
以瑞士DIXI公司的JIG系列坐标镗床为例,其床身材料为球墨铸铁,经过有限元分析优化后,床身的静态刚度达120N/μm,比一般数控机床高3倍,高频动态刚度比一般机床高2~3倍。此外,JIG系列机床的床身采用三点支撑,并将刀库、电气柜、托盘交换装置等周边系统与床身分离,此举除可以简化机床安装以外,还有提高机床稳定性、降低床身颤动的作用。
提高机床刚性的另一种途径是使用人造花岗石材料浇注的床身。以德国KERN公司的Pyramid Nano机床为例,该机床采用了KERN公司专有的Armorith人造花岗石材料(图2中灰色表示Armorith人造花岗石材料,蓝色表示金属部件),与球墨铸铁相比,Armorith材料的阻尼性能高10倍,热导率低50%,热膨胀系数也较低。稳定的温度及震动阻尼基座使Pyramid Nano机床可以加工出光洁度非常高的表面。此外,Armorith材料具有非常高的密度,。
高精密机床的热管理
机床运行时产生的热量所造成的热变形对加工精度会产生巨大的影响。超精密机床由于机床的总质量远高于所切削的材料,而且单位时间的切