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1.1超精密平面磨削的技術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。由于生產技術的不斷發(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;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,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,故出現了納米加工及其相應的技術。
根據我國目前精密平面磨削的基礎,結合國外超精密平面磨削的技術指標,提出以下超精密平面磨削機床的技術指標,并與已實現的技術指標作了比較。
1.2超精密平面磨削的技術要求
根據表1所示的超精密平面磨削的技術指標,我們可以提出超精密平面磨削機床的技術要求:機床的砂輪垂直進給能實現微量進給,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)的機床要有質的提高。
2實現超精密平面磨削的方法與手段
如上所述,為了實現這些技術要求來達到理想的技術指標,在機床的設計理念與機床的具體結構中,要求與傳統(tǒng)的機床有較大的改進與提高,根據我們的經驗及對國外精密加工技術資料收集與分析,結合平面磨削的機床結構、運動要求,可將整機分解為如下的主要單元技術:(1)機床布局型式;(2)新材料運用;(3)主軸精密回轉技術;(4)微量進給技術;(5)運動導軌型式;(6)高精度溫度控制技術。
2.1機床布局型式
機床布局型式極為重要,是決定成敗的關鍵,但是超精密磨削技術是由精密磨削發(fā)展而來,從國外已實現超精密平面磨削機床看,其結構型式多種多樣,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)的機床布局結構型式。從我們已掌握的高精度平面磨削技術基礎上,認為機床結構采用“十字拖板移動式”適合于超高精度平面磨削機床的研制。因為該結構型式,具有機床結構布局對稱性好,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。在機床基礎結構件材料的運用上,應突破傳統(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,在國內也有運用的例子,如上海機床廠有限公司的數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鍵基礎件,如床身、立柱、拖板等應采用人造大理石材料。
2.3主軸精密回轉技術
主軸回轉精度是超精密平面磨削的關鍵技術之一,其數值要求在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,能在高轉速下工作,回轉精度高,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
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0.1µm的微量進給為極限。若要實現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、響應速度快的特點,二是利用材料的熱變形原理實現微量進給。其中壓電陶瓷在微量進給機構中的運用比較普遍,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0.1µm的微量進給,也可滿足在大多數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的,它不僅需要砂輪具有精密的回轉運動,而且也需要工件具有超精密的直線運動,其精度要求應在0.1µ/100mm之內。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,但是它的結構相對復雜,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
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計方法加以先期的控制。對機床運動產生的熱量、磨削產生的熱量、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,其溫度控制精度應在0.1 ºC以內。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)境溫度應控制在20ºC±0.1ºC,而且要控制人體(操作工)對溫度的影響。
3結束語
上述,僅對我們認為實現超精密平面磨削較為關鍵的幾個方面,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,也是非常重要,需要進一步探討與研究