高精密和超精密机床卫汉华
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,或用小直径的立在定位精度为0.3μm的机床上进行加工等,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。目前高精度加工机床一般采用分~0.1μm的玻璃光栅。
机床的加工精度、光洁度和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,2t重车间面积。
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