超精密机床

关键词： 飞刀 光学 切削 加工

超精密机床（精选八篇）

超精密机床 篇1

大刀盘飞刀切削是一种重要的超精密加工手段,可以加工出具有很高面形精度和很低表面粗糙度值的工件,被广泛应用于大口径光学元件的超精密加工中[1]。尤其是一些易于潮解的光学晶体,无法采用研抛等传动光学加工方式时,单点金刚石飞刀切削就成了唯一可以采用的加工手段[2]。装有大刀盘的超精密铣床一般采用立式结构,如俄罗斯的Mo600立式单点金刚石超精密飞切机床与美国LLNL实验室开发的超精密铣床。这种机床布局结构简单,易于保证机床加工精度以获取良好的工件表面形貌[3]。机床主轴一般由气体静压轴承支承,大刀盘与主轴直接连接,刀具安装在刀盘外侧,主轴旋转时,刀具线速度很大,将给刀盘施加较大的离心力,从而造成刀盘形变。

飞刀切削是一种确定性加工,工件表面形貌由刀具截面轮廓沿刀具轨迹复印而成[4]。刀盘在离心力作用下发生形变会使安装在刀盘外侧刀具的运动轨迹发生误差,并反映在飞切加工表面上,由于这种因素造成的加工误差,国内外尚无相关的研究报道。

本文通过有限元方法分析与计算在主轴旋转时大刀盘上的应力与应变分布,得到了在不同转速情况下刀盘的变形情况,得出了在改变转速时已加工表面产生台阶的合理解释,并提出了抑制这种误差的工程方案。

2 大刀盘结构以及机床运动方式

机床结构如图1所示,在加工过程中,所加工平面光学元件吸附在真空吸盘上,吸盘随工作台沿着导轨做进给运动,同时,大口径飞刀盘在主轴带动下高速旋转,天然金刚石刀具固定在刀盘外侧以很快的线速度飞切元件,形成高精度的光学表面。机床飞刀盘结构尺寸如图2所示,刀盘为类似碗型的结构,刀盘外侧对应位置分别安装两个等质量刀架,用于安装天然金刚石刀具,刀盘在高速旋转时,会产生较大的离心力,造成刀盘内部的应力发生变化,从而产生刀盘变形,影响机床加工精度,需要对刀盘在不同转速下旋转的受力以及应变情况进行分析计算。

3 大刀盘受力及应变情况分析

刀盘通过8个M12的螺栓与主轴轴套相连接,需计算刀盘相对于连接处的形变,因此可以定义刀盘上表面的圆心为坐标原点进行受力分析。

如图3所示的刀盘受力分析示意图,刀盘外侧对称位置悬挂两个刀架,用于安装天然金刚石刀具。定义O点为坐标原点,在惯性参考系即大地参考系中进行受力分析。对于任意质点,根据牛顿第二定律有:

其中:d F是作用在该质点上的外力的合力;dm是该质点的质量;r軆是质点相对于惯性坐标系的位置向量;F是质点相对于惯性坐标系的加速度向量。

根据作用力反作用力原理,则每个质点施加给连接部位一个反方向的力,由于刀盘的对称结构,每一个r軆必然有一个-r軆与之对应,对其进行积分得到总的合力将等于零。但是,当不把刀盘作为理想刚体时,则该反作用力会表现为材料内部的内应力从而使刀盘产生形变,一方面,反作用力会使刀盘向直径变大的趋势发展,另一方面,由于刀盘为碗型结构,刀盘结构并不相对于刀盘面对称,其外缘处的离心力并不在刀盘上表面内,而是与其平行并存在一个力臂,故对刀盘面还有一定的力矩作用,从而使刀盘面翘曲而导致了刀尖的轴向移动。应用有限元软件进行应力以及应变情况分析。

4 刀盘应力应变分布有

计算图2刀盘结构在主轴转速360r/min时的应力以及应变情况,如图4所示。

使用商用有限元软件Pro/Engineering软件进行对刀盘-刀架组件进行三维建模,并采用Pro/Mechanic模块进行有限元划分与计算,将材料统一定义为钢,使用软件自带的Steel材料库文件,在刀盘与主轴轴套的固定面上定义面约束,约束除了轴向旋转自由度外的其它5个自由度,并对整个刀盘与刀架部件施加旋转轴线位于主轴轴线上的固定离心力。

由图4可以看出,刀盘位于刀架附近的锐角边缘处应力最大,存在应力集中,最大的应变则出现在刀尖位置,最大位移为9.5μm,刀盘应变Z向分量最大值也出现在刀尖位置附近,最大位移分量为7.9μm。Z向位移分量为轴向分量,另外还存在径向位移分量,可以看出轴向位移分量在总位移中比例很大,径向位移则比较小。造成这种情况的原因为:高速旋转的离心力造成了刀盘在径向被拉伸,以及在力矩作用下发生翘曲,其中,径向拉伸的位移分量较小,且径向位移不会对加工精度产生很大影响,而由于翘曲造成的轴向位移分量则较大,尤其是该位移发生在加工误差的敏感方向,会对加工精度产生较大影响,是需要加以研究和抑制的。

5 刀盘应变有限元计算模型的验证

为了验证有限元计算模型的正确性,分别使用该模型计算两种不同转速下的刀尖处变形情况,并进行实际切削实验,测量转速突变时工件表面留下的台阶,与理论计算结果进行比对。计算240r/min以及390r/min时的刀尖处位移轴向分量,如图5所示。

由图可知,刀盘在刀尖处的应变在垂直方向的分量分别为8.6μm与3.2μm,相差5.4μm,这种差异将导致实际加工中采用不同转速时,切削深度的变化。而超精密加工中,切削深度是一个重要的参数,需要严格保证,所以,这种变形应该是尽力避免的。为了验证以上的有限元仿真结果,对某工件进行了变转速加工实验,当采用高转速加工到一半时,在线修改主轴转速使其在工件表面加工出来一个台阶,并使用轮廓仪对该台阶的高度进行测量,测量结果如图6所示。

从图6可以看出,当主轴从240r/min升到390r/min时,产生了一个接近5μm的台阶(台阶两侧的斜率是由于测量时样品摆放不水平产生),这个结果与仿真结果5.4μm是非常接近的,从而说明了由于刀盘的特殊结构,导致了离心力在刀盘面上产生力矩作用,从而使刀盘面向上发生了翘曲,导致当转速提高时,刀尖位置上移,并在加工工件的表面形成台阶。

6 结论

刀盘翘曲而产生的轴向应变是刀盘应变的最主要部分,而且这个方向的应变对加工非常敏感。在机床的实际使用中,总是出现在静止状态下进行进刀确定了切削深度后,启动机床实际加工时却切不到工件的情况,就是由于刀盘翘曲所产生,需要在以后的刀盘设计中考虑到这个因素的影响,具体解决方案就是设法使刀盘结构相对于刀盘面对称,这样离心力只会使刀盘产生径向应变,而不会带来力矩作用使刀盘翘曲。研究成果对于超精密切削工艺以及旋转部件结构设计具有普遍意义。

摘要：飞刀切削是一种重要的超精密加工手段,机床采用大刀盘可以飞切加工大口径平面元件,比之车削方式具有一定优势,但直径变大后,刀盘外侧在旋转时的加速度随之增大,并使刀盘产生变形,影响机床加工精度。文中通过有限元仿真,计算了某型机床上大刀盘在不同转速下的变形关系,以及这种变形对飞切加工表面的影响,并设计实验对仿真结果进行了验证。最终,针对大刀盘变形的影响原因,进行刀盘结构分析与优化,提出刀盘结构的改进方案,可以大幅度抑制刀盘变形,提高机床加工精度。

关键词：飞刀切削,大刀盘,有限元仿真,结构优化

参考文献

[1]杨福兴.激光核聚变光学元件超精密加工技术的研究[J].光学技术,2003,29(6):649-651.

[2]庞启龙,陈明君,王景贺,等.KDP晶体单点金刚石车削表面形貌分形分析[J].强激光与离子束,2007,19(9):1487-1491.

[3]王景贺,陈明君,董申,等.KDP晶体光学零件超精密加工技术研究的新进展[J].工具技术,2004,38(9):56-59.

精密和超精密加工技术的发展 篇2

精密和超精密加工技术的发展

精密和超精密加工技术的.发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展,故世界各国对此都极为重视,投入很大力量进行研究开发,同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口.随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切.

作 者：王大伟 崔宇 杨坤 陈喜龙 作者单位：装甲兵技术学院,吉林长春,130117 刊 名：科技资讯 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(14) 分类号：V261.99 关键词：精密   超精密

超精密机床 篇3

KDP晶体是一种优质的非线性光学材料,其作为光学倍频转换器及电光开关元件在ICF高功率固体激光系统中发挥着重要作用。KDP晶体具有质地软、易潮解、脆性高、高温度敏感性等特点,是一种非常难加工的光学材料,但是ICF激光系统对KDP晶体元件的表面粗糙度提出了极高的要求(RMS≤5 nm)[1,2,3]。KDP晶体光学元件超精密制造技术目前仅为美国、日本及俄罗斯等少数国家所掌握且相关技术和设备处于对我国封锁的状态,而国内在大口径KDP晶体的加工设备及加工技术方面与国外先进水平尚有一定差距,因此,立足依靠自主力量研制超精密加工设备解决大口径KDP晶体光学元件的加工工艺难题已成为我国ICF重大光学工程建设支撑技术的燃眉之急。

面向ICF激光装置中KDP晶体光学元件加工需求,我们研制开发了最大加工范围达500 mm×500 mm的超精密单点金刚石飞切机床DFC-600A,见图1。该机床基于低温度敏感性的高刚度大理石床身及气浮静压轴承/导轨支撑技术,采用力矩电机和直线电机直驱技术实现了主轴和工作台的高精度恒速驱动,从而有效地确保了KDP晶体光学元件飞切加工过程中所需的机床几何精度及运动精度的小误差和高稳定性。

1 高精度空气静压主轴/导轨的设计制造技术

我们研制的空气静压主轴采用“T”型结构和小孔节流方式,选用高级氮化钢38CrMoAl,经过一系列的热处理、稳定化处理及磨削加工、人工研磨、高精度组合装配等制造工艺,实现了主轴的实测回转精度(轴向)达到0.04μm。

为了防止一般金属材料加工后内应力变形及热变形等问题影响,我们研发的单点金刚石飞切机床的导轨采用“C”型结构和小孔节流方式,选用高稳定性、低膨胀系数的天然大理石材料,经过粗磨、精研及高精度组合装配等工艺技术措施,实现了导轨在全行程600 mm范围内任意150 mm长度的实测直线度优于0.07μm。

2 主轴及工作台的高精度恒速直驱技术

单点金刚石飞切机床的工作台和主轴分别采用直线电机和力矩电机进行运动直驱,采用高精度直线光栅尺和圆光栅进行闭环位置检测,整个运动控制系统设计为基于观察器的三层控制模式,如图2所示。

图2中运动控制系统除了具备位置环、速度环、电流环三环控制,还带有速度、加速度、加速度jerk前馈控制,同时采用干扰观察器技术来抑制外部扰动对工作台直线运动速度和主轴转速稳定性精度的影响。图中Kvj为加加速度前馈,Kvi为电流前馈,Kva为加速度前馈,Kvv为速度前馈,T为速度控制器,K1为速度环阻尼系数,Kpv为速度环刚性系数,KD为速度环微分,Kp为电流环带宽。工作台直线运动调速范围可达0.3~600 mm/min,主轴调速范围可达0~60 rpm。我们通过对控制模型和干扰模型的分析,经优化直驱电机驱动参数,实现了工作台在0.5~1 mm/min直线运动速度下速度波动值小于0.18 mm/min,主轴在200~300rpm速度下速度波动值小于0.08 rpm,从而确保了单点金刚石飞切KDP晶体元件时,工作台和主轴的高精度恒速运行。

3 光学元件超精密飞切工艺验证实验

不同于采用减小切削厚度以实现KDP晶体切削中脆塑转变的方法[4,5,6],我们在对KDP晶体光学元件超精密单点金刚石切削机理进行深入研究的基础上,通过多轮实验迭代优化了相关刀具参数和机床切削参数,并经巧妙地调节金刚石刀具刃倾角,即使在较大切深(5μm)的情况下也实现了脆性KDP晶体材料的塑性加工,这样有利于在保证KDP晶体元件切削精度的前提下提高加工效率。在对330 mm×330 mm×10 mm的KDP晶体工程样件进行飞切工艺验证实验后,采用ZYGO激光干涉仪进行了全口径表面形貌检测,结果为:面形精度PV达到3μm(如图3所示)、表面粗糙度Rq优于4 nm(如图4所示)。此外,我们对铝合金、聚碳酸酯等光学材料零件也开展了大量相关工艺实验研究工作,同样实现了这些零件的光学级表面加工质量(如图5、图6所示)。

结束语

通过本论文的研究工作,我们攻克了空气静压主轴和大行程空气静压导轨的高精度、高刚度设计制造技术,解决了大惯量主轴及低速工作台的高精度恒速直驱问题,实现了KDP晶体、铝合金、聚碳酸酯等光学元件的高精度加工。下一步工作,我们将在进一步深入研究单点金刚石切削机理的基础上,优化超精密单点金刚石飞切机床的结构及控制系统设计技术,提升该类机床关键功能部件精密加工与装配的精度及批量制造能力。

摘要：单点金刚石切削是目前理想的KDP晶体加工方法。本项目立足自主技术研发,通过深入研究KDP晶体的单点金刚石切削机理,突破了超精密空气静压主轴和导轨设计及制造关键技术,解决了气浮主轴和工作台高精度恒速直驱问题,研制成功了超精密单点金刚石飞切机床DFC-600A。通过工艺实验表明,该机床能够实现大口径KDP晶体、铝合金及聚碳酸酯等光学元件的超精密加工的需求。

关键词：单点金刚石,飞切,空气静压,恒速直驱

参考文献

[1]杨福兴.激光核聚变光学元件超精密加工技术的研究[J].光学技术,2003,29(6):649-651.YANG Fu-xing.Study on the technology of the ultra-precision machining for the optical complements in laser nuclear fusion[J].Optical Technique,2003,29(6):649-651.

[2]张杰.浅谈惯性约束聚变[J].物理,1999,28(3):142-152.ZHANG Jie.An overview of inertial confinement fusion[J].Physics,1999,28(3):142-152.

[3]杨福兴.KDP晶体超精密加工技术的研究[J].制造技术与机床,2003(9):63-65.YANG Fu-xing.Study on ultra-precision machining technology of KDP crystal[J].Manufacturing Technology&Machine Tool,2003(9):63-65.

[4]王景贺,陈明君,董申,等.KDP晶体单点金刚石切削脆塑转变机理的研究[J].光电工程,2005,32(7):67-70.WANG Jing-he,CHEN Ming-jun,DONG Shen,et al.Study on the mechanism of brittle-ductile transition for turning KDP crystal with single point diamond[J].Opto-Electronic Engineering,2005,32(7):67-70.

[5]张文生,张飞虎,董申.光学脆性材料的金刚石切削加工[J].光学精密工程,2003,11(2):139-143.ZHANG Wen-shen,ZHANG Fei-hu,DONG Shen.Diamond cutting of optical brittle materials[J].Optics and Precision Engineering,2003,11(2):139-143.

进口精密机床维修实例分析 篇4

目前,进口精密机床在各企业中的使用越来越多,作用也很大。当出现故障时,企业要投入比较大的人力物力进行维修。导致精密机床发生故障的故障源很多,技术难度较大,拆装检查都有一定的难度,对于机械部分可能出现的问题,由于故障部分常常不可见,资料不全的情况也经常遇到,需要本着准确、经济、快捷的原则,更新思维方式,多角度思考问题,采用灵活的方法,达到解决问题的目的。下面通过几个机械方面的维修实例来说明:

1 维修实例

a) 例1:我厂30-15S4040/6M导轨磨床是德国瓦德里希公司产品。该机床最大磨削长度6000mm,磨削宽度2800mm,磨削高度2000mm。因使用年久,万能磨头旋转定位机构经常出现故障,重复定位不准确,旋转不正常,严重影响我厂机床导轨磨削品质和产品交货期。

经检查,液压系统,电气系统正常。分析故障原因认为是鼠齿盘或/和油缸内密封圈损坏所致。经向瓦德里希公司咨询,此故障要想解决,必须解体查找原因并更换相关部件。因机床结构复杂精度高,德方派专家来厂指导解体开价高,周期长。厂领导要求本厂技术人员自行攻关解决以上问题。

按常规解体,必须把整个磨架从横梁上拆下,使之平卧在工作台上,垂直地取出磨头,然后再拆卸其他零部件。这样需要拆卸的零部件十分繁多,花费时间太长。如果能水平地拆卸磨头部件则拆卸零件少,但磨头太重,且重心在外,又因活塞较长,抽出过程要始终保持水平状态,如方法不当的话,会把关键零件油缸等拆坏,那就不可收拾。经过充分讨论和研究,最终制定了水平拆卸方案。

首先把磨头水平地用垫板和千斤顶支撑住,使其质量压在工作台上,由于磨头很重,它与工作台之间的摩擦力足以使其与工作台连成一体,然后利用工作台点动,一点一点把磨头活塞从油缸中抽出来,这样就好继续拆卸其他零件,检查各零件磨损情况。经过认真仔细的检查,符合我们的分析判断,更换了定位鼠齿盘、轴承、密封圈等,清洗各零件,上油,最后仍然利用点动,一点一点把磨头活塞送进油缸中。这种方法最大的优点是拆装前后鼠齿盘中心线与活塞中心线保持不变,装配定位精度高。

经过调试,使万能磨头旋转定位精度和重复定位精度达到了要求,旋转不正常的故障也解决了。该机床采用把磨头水平地用垫板和千斤顶支撑住,其质量压在工作台上水平拆卸的维修方案,解决了磨头必须从横梁上拆下及拆卸繁多的零部件及难找中心的关键疑难问题,降低成本,缩短了维修周期,为工厂节约了资金,创下了一定的经济效益,此方案获得我厂“双革四新”成果奖。

b) 例2:我厂格里森No.137准双曲面齿轮磨齿机属于精大稀设备,是齿轮车间的关键设备之一,适用于磨削弧齿锥齿轮、零度齿(zerol)锥齿轮以及准双曲线大齿轮和小齿轮。本机床的另一个特点是主轴孔径大,能够夹持长轴大轮和小轮。

该机床在长期使用过程中,磨头电机故障频繁,产生异常振动和噪声,加工的零件表面粗糙度值超差,设备不能正常工作。经过现场观察和分析,这台设备的故障出在磨头电机轴上,该轴承受较大的扭矩,轴上装齿形皮带盘的键槽,长期使用后,原来的淬火应力微裂纹在变载荷作用下扩展,造成键槽拉裂,使设备出现异常现象。由于电机放置在立柱中,而问题的焦点是如何拆卸、复位,保证机械精度、机械可靠性。因技术资料缺乏,曾同有关方面一道向格里森公司咨询过,他们的维修费用索价很高,且周期很长。鉴于这样的情况,决定自行解决维修这一问题。磨头电机这一部分拆卸工作量很大,很繁琐,技术要求很高。经过反复商讨,制定了磨头电机的修理方案,对电机的拆卸、电机轴的制造、电机的装配、试车工作都进行了细致的研究,这部分主要任务就是拆出磨头电机,将电机轴拆下,测绘电机轴,重新加工新轴换上,并将电机重新装到床身中,对修理后的机床进行机械精度、机械可靠性测试。

1) 拆出电机轴。在压力机上压出电机轴上的转子,取出电机轴,对原电机主轴进行理化、金相分析,诊断轴用材质,决定电机轴材料选用20CrNi2Mo,热处理:S0.8-1 C58。

2) 测绘电机轴。通过分析,决定将原电机轴上平键宽度6.35改成8P9,将轴上键槽加深1mm,增加轴上键槽强度,以避免再度出现撕裂现象,为了便于日后操作,决定将键与轴上的键槽用胶粘在一起,并将皮带轮键槽逐个修制。轴与转子内孔过盈量在0.02mm和0.04mm之间,转子压入后,先研磨两端中心孔,校正中心孔与转子振摆不大于0.01,然后精磨外圆。轴上螺纹在精磨外圆后再与螺母配车。

3) 电机轴压入转子后做动平衡,然后再分别进行安装不同规格皮带轮的动平衡实验,保证今后在换用各种皮带轮的使用中均保持平衡。

4) 电机装配完成后,对电机进行运转测试,将最大的皮带盘装在电机轴上,连续运转24h,其振动噪音,稳定性均符合标准。

5) 该电机轴换新后用至今日,多年来一直正常使用。

c) 例3:我厂SXE-500等离子切割机是德国进口数控设备(图1)。因工厂搬迁,需要异地安装该设备,该机床由主滑板5、辅滑板1、横梁6、主驱动装置4、辅驱动装置2、横向驱动装置、主导轨、辅导轨、控制台、操纵面板、软管挂架等组成。一般情况下,搬迁运输该机床前,首先要拆下横梁、主/辅滑板(立柱)(5, 1)、割具座架3以及气管、辅助管道、电气操纵箱、行走电机等一系列部件,然后再重新组装被拆卸的各部件。由于生产车间任务紧迫,要求尽快安装机床,早日恢复生产。如采用传统的拆装方法显然不能满足要求,于是大胆设想了整机搬运的新思路。

由于该机床是П型结构,自身不能稳定,要想整体搬运机床必须要有固定装置才能运输。而机床自身并不具备这样的装置,经过分析研究,采用方木做框架支撑,并用螺栓紧固。而斜支撑具有较好的稳定性,有利于起吊、运输机床。横梁上四只切割具座架以及主、辅滑板(立柱)(5, 1)等部件无需拆卸,只需加固即可。为此采用整体运输、整体安装的方法,如图1所示。

采用以上方法,缩短了设备的拆、移、装时间,对机床本身而言也避免了拆装造成的机床原有精度丧失,节约了人力、物力和财力,最大限度地降低了成本,并提前投入了生产运行。

2 结束语

精密机床维修还有许多检测方法和维修手段,我们应该根据实际情况现场分析,把问题判断准确,用最有效、最省事的方法把故障排除,因此提高维修人员的综合分析能力,在工作中不断积累经验是非常重要的。

摘要：进口精密机床价格昂贵、维修困难,一旦出现故障,不及时维修常带来较大的经济损失。介绍了在工作中灵活运用维修方法的实例。

精密加工机床设计思路探讨 篇5

1 现代机床设计目标要求

1.1 更高的切削速度。有利于提高机床的生产能力, 缩短生产周期, 降低生产成本, 提高生产经济效益。

1.2 更精准的切削精度。

现代高科技产品对于部件要求更为细致、精确, 复杂且细化, 这就要求加工机床能够做到高精度加工, 对于加工部件的切削精度要求非常高。

1.3 更适用的加工范围。

虽然现在高精密加工越来越有专门化的趋势, 但是基于成本考虑复合化加工机床更符合大部分企业的生产需要。一套完整机床能够最有效地加工企业产品的各种需要部件, 加工完成之后只需要进行简单组装即可, 同一套机床加工的部件, 在标准尺度和加工精密度方面的协调性更好, 产品更符合要求。

2 机床结构设计原则

根据加工机床的运动原理, 可以将机床的运动大致分为横向、纵向和环向移动三个方向。机床结构设计可以基本遵循以下原则:

2.1 轻量高密度原则。

机床移动部分部件的重量越轻部件之间的摩擦就越小, 对于不见得损伤程度也就越低, 无论是提高机床使用寿命还是维持机床切削精度独有很大帮助。高密度即要求部件材质更紧密, 耐用性能更良好, 切割部件的准确性能更好。

2.2 重心稳定驱动原则。

部件在移动过程需要保持在一定约束范围之内, 否则会造成生产部件的误差值过大, 对于生产合格率和产品使用均会造成不良影响, 因此需要将移动部件控制在中心轴上移动以保证驱动力的正常运行, 尽可能地减小误差值。

2.3 对称不偏移原则。

由于机床本身也是由各个部件组成的, 构件之间难免结合处会留有空隙, 现代机床基本上都是大型设备, 由于重力的影响, 如果机床不能保持受力均匀分担很容易造成受理失衡, 导致机床产生形变。同时机床在运转过程中也会产生大量的热量, 如果机床不对称, 在受热变形时很容易造成机床形变不均匀产生偏转力矩, 导致机床加工的精准度下降。

2.4 短作用路径原则。

机床刀具对加工部件的作用距离越短, 误差越小, 生产的品质就越高, 相反如果刀具对加工部件作用的距离越长, 作用时间也就越长, 刀具在受热作用下产生的变化越久越明显, 产生偏差和误差的可能性就越大。

3 机床部件材料选择

绿色环保已经成为世界主流意识, 在机械加工领域同样追求生态友好型发展思路, 高加工精度、高生产效率和环境友好型加工机床成为当前机床设计的总体目标。要实现这一目标不仅需要有优良的设计思路, 同时也对机床材质提出了更高要求。

目前机床结构件设计要求必须要有良好的刚度质量比, 使用得较多的就是钢和铸铁两种, 两者在刚性方面均符合要求, 而且成本也经济划算。但是对于高精密加工机床的材质, 就需要更高性能和标准的材质。高精密加工机床最显著的特点就是加工时稳定性要求高, 部件与部件之间的阻尼系数要求高, 容易滑动的材质不适合于做高精密加工机床部件。

在选择高精密加工机床部件材料时应当注意材料本身的物理特性, 因为在机床运转过程中影响最明显的就是部件材料受力的物理性变化。材料受热膨胀系数值越小对机床越有利, 结构件的热容量大, 则机床对环境温度变化敏感程度低, 对机床受热形变的影响程度越小, 热导率高的材料在启动后能够迅速使机床达到热均匀状态, 可以有效避免局部受热不均匀造成的不对称形变, 高阻尼材质对机床动态性能有较好的保护作用, 在一定程度上能够减小机械运转产生的振动影响。

4 高精加工机床设计新概念

4.1 倒置加工生产新概念。

倒置式加工对于缩短加工辅助时间, 提高生产速度方面有很好的作用, 其加工方式为保持加工件装夹在主轴上固定, 使切削刀具从上面移向并完成两个方向的进给方式。在对加工部件进行倒置加工时, 切削运动是由夹持件主轴来完成, 切削产生的废渣和冷却液能在第一时间内进入到收集器, 对于排除废渣影响和移除热量均有很好的效果。对于缩短加工时间, 提高了生产效率效果显著。

4.2 高精密复合型磨削、车削机床

此种复合型加工机床是将精密圆柱面磨削和硬车削两种加工技术进行整合, 使一次夹装能完成两种任务的加工方式, 具有生产效率高, 加工精度高的特点。具有可近距离操作性, 减振效果明显, 热稳定性良好, 加工废弃物良好的排除性, 可以有效的缩短加工时间提高生产效率。

5 未来发展趋势展望

现在机床设计部件已经市场化, 对于机床的价值判定取决于是否具有独特性和无可替代性, 并能为客户体验带来新价值。结合本文对机床设计思路的阐述, 机床设计可以总结为以下几个发展趋势:

5.1 机床移动部件的轻量化越来越成为必然趋势, 可以有效降低部件移动惯性力影响, 降低驱动功率, 提高能耗使用率。

5.2 复合加工方式越来越成为主流, 将复杂的加工件在一台机床上实现完整加工, 有利于缩短加工周转期, 相同的加工标准有利于提高加工精度。

5.3 机床构件模块化, 使用模块化的机床构建设计, 可以针对不同用户的需求对机床配置进行适时更换, 可以实现定制原则, 提高机床的适用性。

5.4 新型复合材料在机床结构件中的大量使用, 对于大阻尼系数材料的广泛使用, 能够有效地减小运行产生的振动, 最大可能地增大机床工作稳定性。

摘要：我国低产高耗能产业结构当前已经严重阻碍我国社会整体经济的发展, 已经不能满足我国提高社会经济生产效益的要求, 实行产能结构转型已经迫在眉睫。要实现产能就够转型, 制造业是重中之重, 尤其是在高精密加工技术领域, 我国处于劣势地位, 还有很大的差距需要追赶。在加工机床这一领域更是被欧、美、日强国进行技术封锁, 只要靠自力更生才能有出路, 为此本文的写作主要对高精密加工机床的设计思路提出自己的看法, 希望能起到一定的促进作用。

伺服精密化助推数控机床“再制造” 篇6

数控机床是以数字化制造技术为核心的机电一体化机床, 通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成, 大致上可分为数控车床、数控铣床、加工中心等16大种类。“十二五”期间我国中高端数控机床将成为增长的主力。

目前, 在数控机床行业的实际应用中, 交流伺服系统已明显占据了一定的优势;而按照机床传动机械的不同, 又将应用的伺服系统分为进给伺服与主轴伺服两类。为了进一步提高机床行业伺服驱动单元的控制性能, 大量的数字处理技术被引入到该领域, 大幅提高了控制精度和响应速度及整机的可靠性。在机床行业所使用的电机上, 目前主要包括步进电机、伺服电机和混合式步进电机等, 高精密数控机床要求电机采用全封闭式结构, 搭配高速、高精度光电编码器, 与高性能驱动器配合作高精度速度和位置控制, 稳定可靠、振动小、噪声低。

面对数控机床行业最新的技术发展, 使得伺服控制系统也亟待在各方面提升其性能指标, 其中, 分布式串行伺服系统、高控制精度和稳定性, 以及降低电机的能耗, 是目前整体伺服系统在技术研发上的主要趋势。

(摘自《南京机电行业信息》2012年第1期)

精密与超精密加工技术发展现状分析 篇7

美国、日本、德国等国家在高技术领域 (如国防工业、集成电路、信息技术产业等) 之所以一直领先, 与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。由于加工技术水平的发展, 精密和超精密加工划分的界限逐渐向前推移, 但在具体数值上没有确切的定义。被加工零件的尺寸精度在1.0~0.1μm, 表面粗糙度Ra在0.1~0.03μm之间的加工方法称为精密加工。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm, 表面粗糙度Ra小于0.025μm, 以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术, 亦称之为亚微米级加工技术, 且正在向纳米级加工技术发展。

二、国内外发展现状

(一) 国外发展现状。

超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家, 早在20世纪50年代末, 由于航天等尖端技术发展的需要, 美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术, 称为“SPDT技术” (Single Point Diamond Turning) 或“微英寸技术”, 并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y-12工厂在美国能源部支持下, 于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM-3型, 该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜 (包括X光天体望远镜) 等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm (半径) , 圆度和平面度为12.5nm, 加工表面粗糙度为Ra4.2nm。英国的克兰菲尔德精密工程研究所 (简称 CUPE) 享有较高声誉, 是当今世界上精密工程的研究中心之一, 是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre (纳米加工中心) 既可进行超精密车削, 又带有磨头, 也可进行超精密磨削, 加工工件的形状精度可达0.1μm, 表面粗糙度Ra<10nm。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚, 但它是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、办公设备中的小型、 超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面, 甚至超过了美国。

(二) 国内发展现状。

我国的精密、超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步, 进入20世纪80年代后, 各个行业相继投入了更多的人力物力对超精密加工技术与装备进行了深入研究, 陆续研制成功了超精密加工设备。特别是在20世纪90年代后期多家单位相继研制成功了非球面超精密加工设备, 这标志着我国超精密加工设备的水平上到了一个新的台阶。哈尔滨工业大学是国内最早从事超精密加工技术研究的单位之一, 于1996年研制出了亚微米级的超精密机床, 2006年研制成的大平面超精密铣床, 已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一, 研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等, 如精度达0.025μm的精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床、NAM-800型纳米数控车床等新一代纳米级加工机床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动-位移测微仪等, 达到了国内领先、国际先进水平。但总的来说, 我国在精密、超精密加工的效率、精度可靠性, 特别是规格 (大尺寸) 和技术配套性方面与国外比, 与生产实际要求比, 还有相当大的差距。

三、发展趋势

在尖端技术和产品的需求下, 加工的高精度、高质量、高效率、低成本及批量加工的一致性显得越来越重要, 并逐渐进入到纳米级加工精度的时代。随着国民经济发展和人民生活水平提高, 精密与超精密加工技术在民品中的广泛应用, 如汽车制造、计算机、通信网络、光盘、家用电器等均紧密依赖于超精密制造技术的支持。今后, 超精密切削和磨削将追随着超精密抛光的高精度、高质量, 同时, 超精密抛光在追随切削和磨削高效率的同时, 向切削磨削加工难以达到的更高精度和质量发展。

参考文献

[1].盖玉先, 董申.超精密加工机床的关键部件技术[J].制造技术与机床, 2000

超精密微机械制造技术分析 篇8

在工业繁荣发展的过程中, 工业领域发生了一场变革, 主要集中在国防领域、航空领域、医疗领域以及电子领域, 这些领域在变革的过程中, 对精密微小零件的要求越来越高, 为了充分的满足要求, 在进行微小零件加工时, 应用了微机械, 由此也促使现代装备加工向着微小化的方向发展。超精密微机械制造技术作为有效的微小零件加工技术, 在工业中得到了广泛的应用。

1 超精密加工的特点

超精密加工技术兴起于20世纪60年代, 具备非常高的加工精度, 随着超精密加工的发展, 加工尺寸的精度已经达到了纳米级。在超精密加工技术不断发展完善的过程中, 具备了越来越多的特点, 具体说来, 主要包含以下几个方面:第一, “进化”加工原则, “进化”加工有两种方式, 一种是直接式, 一种是间接式, 在直接式进化加工中, 所使用的设备及工具精度都比工件的精度低, 经过相应的加工工艺以及特殊工艺装备处理之后, 完成工件的加工, 一般来说, 单件、小批量工件的生产适合用此种形式的进化加工, 而在间接式进化加工中, 在直接式的基础上进行, 从而将第二代工作母机生产出来, 之后, 工件的加工借助母机来完成, 在批量生产中, 此种方式非常适合[1];第二, 微量切削机理, 此种切削机理有别于传统的切削机理, 在进行切削工作时, 在晶粒内进行而且晶粒要比背吃刀量大;第三, 广泛的应用新方法, 随着工件加工技术的发展以及加工要求的提升, 传统切削和磨削方法的局限性逐渐的显露出来, 其加工精度已经达到了极限, 而超精密加工在应用了特种加工、复合加工等新方法之后, 超越了精度极限, 促使加工精度越来越高;第四, 形成综合制造工艺, 工件的加工需要满足一定的加工要求, 基于此, 在进行加工时, 工件的材料、加工方法、设备、工具、测试手段等都需要进行综合的考虑, 这样才能保证工件加工的质量, 由此一来, 工件加工的复杂程度就变得很高, 加工难度也比较大, 超精密加工技术中将这些因素综合起来, 形成了综合制造工艺;第五, 与高新技术产品紧密结合, 超精密加工技术在加工的过程中, 使用的设备价格都比较昂贵, 因此, 基本不会形成系列, 通常是针对某一个特定的产品来进行设计, 这就需要与高新技术产品紧密结合, 提升设计的科学性, 保证加工的质量与精度;第六, 与自动化技术联系紧密, 超精密加工技术在进行加工时, 与自动化技术相结合, 在控制、检测等方面实现了自动化, 减少工作人员的使用, 避免了人的因素的影响, 提升了加工的质量[2];第七, 加工与检测一体化, 在超精密加工中, 精密检测是必不可少的一个环节, 具备关键性的作用, 通常来说, 在加工的工程中就实现了精密检测, 提升了加工与检测的效率。

2 超精密微机械制造技术

2.1 微机械加工设备技术

对于超精密微机械制造技术, 国内外都非常重视其发展, 并且在研究的过程中都取得了比较好的成就。在微机械加工设备技术方面, 国外的各国中, 日本的技术水平是处于领先水平的, 其所研制出来的超高精密微机械加工机床, 实现了3D复杂自由曲面的加工, 这样一来, 在超精密微机械工件切削加工中, 面临的难题便迎刃而解。除日本外, 国外很多国家的微机械加工设备技术都已经发展的比较好, 比如德国, 在微切铣削技术的研究方面, 取得了比较大的进展, 在淬火钢、硬铝材料的微型零件中, 就可以利用此种技术进行切削, 同时, 德国的研究人员还研制出来微小型的加工系统, 这样一来, 在进行微小零件加工时, 大型机械无法完成的事情就可以利用这个微小型的加工系统来完成。此外, 德国还对单个零件的生产从经济性及生辰两个方面进行了研究, 从而研制出来小型化设备, 在小批量零件生产中得到了很好地应用。

同国外相比, 国内的研究成果比较少, 尽管如此, 我国在微机械加工设备技术方面的研究好是取得了一定的效果。对于此项技术的研究, 多是由我国的大学来进行, 研究的主要方向便是微小制造系统以及微小切削技术, 现如今, 已经取得了一定的研究成果。哈尔滨工业大学经过大量的研究之后, 生产出了微小型超精密三轴联动数控铣床, 在这个机床中, 采用了直径比较小的进口刀具, 实现了微小切削[3];而在北京理工大学的研究中, 研制出了微小型的车铣加工系统, 在进行微小型零件加工时, 所具备的定位精度非常好, 已经与国际的水平持平。此外, 我国在进行研究的过程中, 还开发出了微摩擦磨损测试仪, 此测试仪同时还具备微小型切削功能, 经过我国多年的研究, 为超精密微机械制造技术的发展奠定了坚实的基础。

2.2 微切削加工技术

在微切削加工技术中, 不止加工零件、刀具要实现微小化, 整个加工过程同样需要实现微小化, 这是微切削加工技术发展过程中所必须要解决的一个问题, 基于此, 在进行研究的过程中, 要研究整个微切削过程, 对微切削机理进行深入的理解并准确的把握, 进而有效的将微切削加工的参数、工艺等确定, 提升微切削加工系统设计的科学性, 最终促使加工出来的工件和工具具备非常高的精度, 而且使用寿命也比较长[4]。实际上, 切削形成的过程是一个动态的过程, 而且具备非线性的特征, 通过对这个过程科学的研究, 可以有效地提升切削力预测的准确性。在微切削过程中, 具备切削极限, 如果切削的深度并未达到最小的切削极限, 那么切削形成就会比较困难, 因此, 在切削时, 要准确的确定最小的切削极限。对于不同的零件材料来说, 所具备的最小切削极限是不相同的, 为了准确的对其进行确定, 就需要建立起相应的模型, 要保证构建的模型适应每种零件材料。此外, 刀具刃口、刀具变形、刀具磨损等因素也会对最小切削极限产生影响, 在进行确定时, 还需要综合考虑这些方面的因素, 以便于提升确定的准确性进而有效的提升微切削的有效性, 促进切削形成。

3 结束语

在当前工业领域发展的过程中, 超精密微机械制造技术是一项十分重要的技术。对于此项技术的研究, 国内外都十分的重视, 均已经研制出了相应的微机械制造设备以及微小型加工系统, 从而很好地完成了微小零件的加工, 促进了工业领域的发展。我国与国外的研究相比, 还存在很大一段差距, 而这差距也正是未来我国超精密微机械制造技术发展的方向, 随着该项加工技术不断地发展完善, 其将会具备非常广阔的应用及发展前景。

摘要：随着我国经济快速的发展, 航空航天事业、微机械加工业、生物工程都得到了比较迅速的发展, 这些行业在发展的过程中, 精密微小零件有着十分重要的作用, 由此, 促进了精密微小零件加工的发展。在其不断发展的过程中, 面临的要求也越来越高, 为了满足要求, 在零件加工中应用了超精密微机械制造技术。文章在介绍超精密加工特点的基础上, 分析了超精密微机械制造技术。

关键词：超精密加工,微机械,机械制造

参考文献

[1]王丽滨, 杨畅.浅谈我国机械制造技术的现状与未来[J].企业导报, 2013 (1) .

[2]黄庆林, 张伟, 张瑞江.现代机械制造工艺与精密加工技术[J].科技创新与应用, 2013 (17) :33.

[3]王伟.我国机械制造技术的现状及技术特点论述与分析[J].山东工业技术, 2013 (12) :23+20.