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1.1超精密平面磨削的技術(shù)指標精密加工和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段,通常,按加工精度劃分,可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,劃分的界限將逐漸向前推移,過去的精密加工對今天來說已是普通加工,因此,其劃分的界限是相對的,且在具體數(shù)值上至今沒有固定。精密加工是指加工精度為1-1µm、表面粗糙度為Ra0.1-0.025µm的加工技術(shù);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的加工技術(shù),因此,超精密加工又稱之為亞微米級加工。但是,目前超精密加工已進入納米級精度階段,故出現(xiàn)了納米加工及其相應(yīng)的技術(shù)。
根據(jù)我國目前精密平面磨削的基礎(chǔ),結(jié)合國外超精密平面磨削的技術(shù)指標,提出以下超精密平面磨削機床的技術(shù)指標,并與已實現(xiàn)的技術(shù)指標作了比較。
1.2超精密平面磨削的技術(shù)要求
根據(jù)表1所示的超精密平面磨削的技術(shù)指標,我們可以提出超精密平面磨削機床的技術(shù)要求:機床的砂輪垂直進給能實現(xiàn)微量進給,機床具有足夠的靜、動態(tài)剛性,尤其是對機床的熱變形及振動的控制較常規(guī)的機床要有質(zhì)的提高。
2實現(xiàn)超精密平面磨削的方法與手段
如上所述,為了實現(xiàn)這些技術(shù)要求來達到理想的技術(shù)指標,在機床的設(shè)計理念與機床的具體結(jié)構(gòu)中,要求與傳統(tǒng)的機床有較大的改進與提高,根據(jù)我們的經(jīng)驗及對國外精密加工技術(shù)資料收集與分析,結(jié)合平面磨削的機床結(jié)構(gòu)、運動要求,可將整機分解為如下的主要單元技術(shù):(1)機床布局型式;(2)新材料運用;(3)主軸精密回轉(zhuǎn)技術(shù);(4)微量進給技術(shù);(5)運動導軌型式;(6)高精度溫度控制技術(shù)。
2.1機床布局型式
機床布局型式極為重要,是決定成敗的關(guān)鍵,但是超精密磨削技術(shù)是由精密磨削發(fā)展而來,從國外已實現(xiàn)超精密平面磨削機床看,其結(jié)構(gòu)型式多種多樣,既有“磨頭移動式”,也有“立柱移動式”或“十字拖板移動式”,無一例外,均未脫離傳統(tǒng)的機床布局結(jié)構(gòu)型式。從我們已掌握的高精度平面磨削技術(shù)基礎(chǔ)上,認為機床結(jié)構(gòu)采用“十字拖板移動式”適合于超高精度平面磨削機床的研制。因為該結(jié)構(gòu)型式,具有機床結(jié)構(gòu)布局對稱性好,熱穩(wěn)定性好;主要運動部件重心低,運動平穩(wěn)等優(yōu)點。
2.2新材料運用
超精密平面磨削對機床的熱變形及振動控制要求較高。在機床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件材料的運用上,應(yīng)突破傳統(tǒng)以灰鑄鐵為主的原則,采用一些新型材料,如:非金屬材料——樹脂混凝土,該材料的振動衰減性、耐熱梯度、線脹系數(shù)等特性均大大優(yōu)于金屬材料。這在國外已被成熟運用,在國內(nèi)也有運用的例子,如上海機床廠有限公司的數(shù)控凸輪軸磨的床身采用了人造大理石材料,取得了較好的效果。因而在超精密平面磨削機床的主要關(guān)鍵基礎(chǔ)件,如床身、立柱、拖板等應(yīng)采用人造大理石材料。
2.3主軸精密回轉(zhuǎn)技術(shù)
主軸回轉(zhuǎn)精度是超精密平面磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一,其數(shù)值要求在0.1µm以下,而且其剛度、熱膨脹性、抗振性等方面都應(yīng)有非常好的性能。
靜壓空氣軸承的主軸部件具有以下優(yōu)點:剛性高,摩擦國小,溫度變化小,能在高轉(zhuǎn)速下工作,回轉(zhuǎn)精度高,其精度可達到0.1µm-0.025µm,徑向和軸向剛度在100-300µm之間,磨損率小(接近于零),壽命長,基本不需要維修等。因而空氣靜壓軸承主軸將是超精密平面磨削的首選。
2.4微量進給技術(shù)
在超精密平面磨削加工中,砂輪的微量進給是被加工件尺寸精度和表面質(zhì)量的重要保證。目前,在精密的平面磨削加工中,其進給通常采用“伺服電機+滾珠絲桿”的典型的純機械方式,一般以能實現(xiàn)0.1µm的微量進給為極限。若要實現(xiàn)超精密平面磨削所需的0.1µm-0.01µm乃至更小的微量進給,傳統(tǒng)的機械方式已不能適用。
從國外的資料了解,目前實現(xiàn)微量進給主要采用以下兩種方式:一是利用壓電陶瓷的位移分辨率高、響應(yīng)速度快的特點,二是利用材料的熱變形原理實現(xiàn)微量進給。其中壓電陶瓷在微量進給機構(gòu)中的運用比較普遍,已可穩(wěn)定達到0.01µm的微量進給,因而,在超精密平面磨削加工首選是采用此種方式。其次,超精密平面磨削研制的初級階段,若能采用對傳統(tǒng)的機械方式進行精化,穩(wěn)定實現(xiàn)0.1µm的微量進給,也可滿足在大多數(shù)超精密平面磨削加工的需要。
2.5運動導軌型式
超精密平面磨削是依靠砂輪與工件的相對運動來實現(xiàn)的,它不僅需要砂輪具有精密的回轉(zhuǎn)運動,而且也需要工件具有超精密的直線運動,其精度要求應(yīng)在0.1µ/100mm之內(nèi)。因而一般常常使用靜壓導軌,利用其運行精度高、無爬行等優(yōu)點。靜壓導軌又分為液體靜壓和氣體靜壓兩種。一般來說,液體靜壓導軌剛度大,在具有磨削功能的機床使用廣泛,但是它的結(jié)構(gòu)相對復雜,由于油的粘性剪切阻力,發(fā)熱問題較為嚴重,熱變形控制相對較難。因而,采用氣體靜壓導軌更為適用。
2.6高精度溫度控制技術(shù)
對超精密平面磨削而言,機床熱變形的控制極為重要,這在機床的整機布局設(shè)計過程中,必須考慮熱對稱性及熱穩(wěn)定性,可考慮采用先進的設(shè)計方法加以先期的控制。對機床運動產(chǎn)生的熱量、磨削產(chǎn)生的熱量、必須通過恒溫手段加以嚴格控制,如油液、導軌軸承所用空氣、冷卻液等,其溫度控制精度應(yīng)在0.1 ºC以內(nèi)。環(huán)境溫差也是影響超精密平面磨削的一大因素,可考慮采用多層恒溫控制手段,機床周圍大環(huán)境的溫差控制在20ºC±1ºC,其近圍環(huán)境溫度應(yīng)控制在20ºC±0.1ºC,而且要控制人體(操作工)對溫度的影響。
3結(jié)束語
上述,僅對我們認為實現(xiàn)超精密平面磨削較為關(guān)鍵的幾個方面,進行了簡單討論,由于這是一個復雜的系統(tǒng)工程,還有許多方面,如機床隔震、高效清潔過濾等技術(shù),也是非常重要,需要進一步探討與研究