体,电动机为变频电动机,可进行无级调速,代 替了整个主轴部件;进给单元是将导轨、滚珠丝 杠、伺服电动机、位置检测等合在一起,成为独 立体;新近,又出现了直线电动机进给伺服单元, 简称直线单元,将直线电动机、滚动导轨、光栅 检测装置等合在一起,形成一个独立体,直接得 到直线运动,免去了由转动换为直线运动的环节, 不仅结构简单,又提高了精度,可广泛用于各种 机床、加工中心上,该直线单元如图07所示。 3.24加工工具 图07.直线何服单元 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨、修整 1—导轨(激动导轨)2电动机次级部分 3一直线检测装置4电动机初级都分 装置 对于超精密切削,首先是超硬刀具问题,目前的超硬刀具材料主要有金刚石、立方氯化 陶瓷等,用得比较广泛的是人造金刚石,即豪晶金刚石。最好的材料是天然金刚石,但价 格昂贵。金刚石刀具有切削刃形面和几何角度设计、晶体定向、晶面选择、刃磨、切削时对刀 等问题,其中如刃磨应在专门的研磨机上进行,要有高超的技艺,刃口钝圆半径是一个关键参 数,若极薄切削厚度欲达10m,则刃口钝圆半径应为2m;切削时精确方便地对刀将直接影 响加工精度、表面粗糙度和加工效率,至今是一个难题 对于超精密磨削,当前主要的磨具是金刚石、立方氮化硼等撒粉砂轮,这种砂轮有磨料粒 度选择、粘接剂选择、修整方法等问题,通常金刚石微粉砂轮多采用粒度为W0~W5的金 刚石微粉,采用树脂、锅、纤维铸铁等粘结剂,以铜为粘结剂居多。金刚石砂轮的修整分为整 形和修锐两个阶段,前者是修出几何形状,后者是出锋利刃口,实际上是突出金刚石颗粒。 由于金刚石徽粉砂轮易堵塞,在使用中应采用在线修整。常用的修整方法有电解法、电火花 法、磨剧法和软弹性法等。 对于超精密研磨和抛光,可采用铸铁、锡、聚酯、呢毡等材料作研具或抛光器,采用金刚 石、立方氯化硼、错刚玉、铬刚玉、氧化铝、碳化硅等磨料,进行非接触研磨抛光、软质粒子 研磨抛光、液中研磨抛光等,获得高精度和低表面粗糙度。 刀具、磨具材料的选择是一个关键,刀具磨具的发展史基本上可用刀具磨具材料的发展来 代表,从碳钢、合金钢(高速钢)、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼到金刚石,以及采用多元共 渗、镀膜、沉积等技术、提高了耐用度,超硬材料的出现给精密加工和超精密加工的发展提供 了条件。目前,由于金刚石是由碳原子组成,与铁碳构成的黑色金属有较大的亲和力,故不宜 切削黑色金属,多用于切削有色金属,现正在研究利用保护气氛、低温等措施来切削黑色金 属,或用立方氮化硼、陶瓷等材料。 325检测与误补僧 精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段,不仅要检测零件的精度和表面粗糙 度,而且要检测加工设备及基础元、部件的精度。 高精度的尺寸、几何形状及位置尺寸等可采用分辨力为01~001m的电子测徹计、分辨 力为001~0001{m的电感测徽仪、电容测微仪,以及自准直仪、双频激光干涉仪、圆度仪等 来检测。 轴系回转精度低速时静态检测可用电感测微仪、电容测微仪与基准球来测量;高速动态检
测可用电容测微仪和同步示波器按测量定点峰值变化的方法来测量。 导轨直线度可采用电子水平仪、自准直仪和激光干涉仪等角度测量的方法来检测,也可用 基准平尺与电子测微计分离平尺误差的方法来检测。 表面形貌和表面粗糙度的检测分为接触式和非接触式两类。接触式测量多用触针式的表面 轮廓仪或表面形貌仪来检测,所用传感器多为电感式、压电晶体式等,接触式测量最大的缺点 是检测时会划伤被测表面;非接触测量可用气动法、光纤法、电容法、超声微波法、隧道显微 镜法、激光光斑法等。 表面层的应力状态、变质层深度、微裂纹等缺陷可用X光衍射法、激光干涉法等来进行测量。 精密检测和自动化检测是检测技术的两个重要方面,精密检测寻求检测精度的极限,自动 化检测寻求非接触在线测量和误差分离、补偿技术。误差分离技术是用多个传感器在多处多个 方位上同时进行检测,利用计算机硬软件进行处理,分离各种误差成分并分析造成误差的原 因,为误差补偿创造条件。可见,误差分离与误差补偿关系密切,可以说,误差分离是误差补 偿的先决条件,也可说误差分离是误差检测的重要组成部分。误差补偿又可分为静态误差补偿 和动态误差补偿两类。静态误差补偿是事先测出误差值,按需要的误差补偿值设计制造出补偿 装置,用硬件(如校正尺等)或计算机软件建模,在加工时进行误差补偿。动态误差补偿是在在 线检测的基础上,通过计算机建模和反馈控制系统进行实时补偿,因此,需要建立一个闭环自 适应误差补偿系统。 误差预防、误差补偿、误差预报是精密加工和超精密加工中提高加工槽度的重要有效举措。 误差预防是通过提高工艺系统精度、保证工作环境的条件等来减少误差源、减少误差的影响,具 有治本性;误差补偿是通过修正来抵消或消除误差,具有治标性;而误差预报是根据误差出现的 发展趋势,得出预测值,进行相应的补救措施,并可真正做到无滞后的实时补偿,具有主动性。 326工作环境 精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大,因此,工作环境是保证加工质 量的必要条件。工作环境主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求 (1)恒温环境温度可根据加工要求控制在20℃±(1~0.02)℃,甚至达到(20± 000059℃达到恒温的办法可采用专门恒温室(间)的整体恒温和恒温罩的局部恒温。整体恒 温可采用大恒温室、中恒温室、小恒室、地下恒温室等多层套间结构,逐渐得到控制精度越来 越高的室温;同时采用地板恒温方式使温度分布均匀。 由于季节的温差,为了节省能源,标准室温在夏季可定为23℃、冬季可定为17℃,事实 证明,这样的规定是可行的。 (2)恒湿在恒温室内,一般湿度保持在55%~60%,以防止机器的锈蚀,石材吸水膨 胀,以及会影响一些仪器如激光干涉仪的零点漂移等 3)净化在超精密加工时,空气中的尘埃可能会划伤被加工表面,有时尘埃的大小可能 比磨料的颗粒还要大,从而会破坏加工表面,使磨料加工不能达到预期效果,因此要进行空气 的洁净处理。 进行空气净化的主要方法是滤清,进行净化的房间称净化室或超净室。净化可分为整体净 化和局部净化,局部净化如净化工作台、净化腔等,其方法是在净化区内通入正压洁净空气 可防止外界空气进入,以保持净化效果,且比较经济。由于人是要进入净化室工作的,工作人 员的衣物、头发、皮肤都会带入尘埃,因此,在进入净化室前应更换专门的衣服,甚至是特制 的无尘服,进行风淋后,再进室工作,以控制人员活动时产生尘埃的影响,保持洁净度
19 由于直径大于05的尘埃对超精密加工的表面质量影响最大,故通常用每立方英尺体 积中直径大于05m的尘块数来表示空气净化等级,一般净化要求在100级~1000级。 (4)防振在精密加工和超精密加工时,振动对加工质量的影响比较大,其振源来自两方 面,一是机床等加工设备产生的振动,如由回转零件的不平衡,零件或部件刚度不足等;二是 来自加工设备外部,由地基传入的振动,如邻近机床工作时产生的振动,这就需要将加工设备 安放在带防振沟和隔振器的防振地基上,同时可使用空气弹貸(垫)来隔离低频振动,灵活方 便,效果良好。 糟密加工和超精密加工有时还需要一些特殊工作环境,如防磁、防静电、防电子辐射、防 声波、防X射线、防原子辐射等,可根据需求进行整体环境或局部环境的处理。 327工艺过程设计 工艺过程设计对加工质量、生产率、成本往往具有关键性的全局影响,在糖密加工和超精 密加工中更是如此,除应该遵循一般加工的原则和规律外,还应考虑以下问题。 (1)循序渐近、严格要求进行精密加工和超精密加工的工件,一定要有良好的粗、半 精、糟顺序加工基础。原材料,各工序加工质量应严格要求,工件在搬运存储中不得碰伤、工 作地环境应清洁整齐、有条不紊。 (2)正确选择定位基准,控制定位基准加工质量往往采用加工面本身为定位基准,以保 证加工余量的均匀;釆用互为基准原则保证有位置精度要求的表面;要保证定位基准的加工质 量及洁净,在每道工序加工前,要注意定位基准是否受损和洁净,在粗精工序转换时,应安排 修磨定位基准工序。 (3)要注意工件的夹紧变形和加工中变形在超精密加工时,由于是微量去除,可能产生 安装变形大于加工余量的情况,最好能做到无变形装夹。对于一些加工中易变形的零件,薄片 状零件可用真空吸盘吸附;不规则形状的零件可采用液态橡胶、沥青、工业用腊、电流变体 (一种糊状液体,当通电流时即可固化断电后恢复液态)等物质将工件粘接(溶接)于夹具上进行 加工;当然也可以采用过定位结构来提高工件本身的刚度 (4)注意热处理工序的安排精密加工和超精密加工中的内应力变形对零件加工槽度有严 重影响,而且一直是一个难题,因此在加工时要在粗、半精、精加工阶段转换时安排人工时效 甚至自然时效来消除内应力,在关键工序前也要安排相应地热处理工序。 328夹具设计 夹具是构成机被加工工艺系统的重要组成部分,其设计是否合理、制造质量是否能保证对 工件的加工影响很大。夹具与刀具(磨具)、辅具、检具等构成了工艺装备。 在精密加工和超精密加工中,可选用精密通用夹具,如转台、卡盘等,但多数情况要设计 精密专用夹具,并往往成为零件加工的关键,因此,在设计制造时应注意以下几点。 (1)要按精密夹具设计的要求进行设计、制造夹具的定位元件应有高精度,并耐磨损, 夹具与机床的装夹部分也应有高的定位精度。整个夹具应有高刚度和精度保持性。 2)要注意工件的夹紧变形夹紧力应足够,但不得使工件产生变形,特别是对于那些刚 度比较差的零件,可采用一些特殊夹紧方法或夹紧装置结构。如采用多辅助支承结构,手工夹 紫时用定转矩扳手,采用过定位结构等。可利用有限元分析进行一些必要的核算。 (3)夹具上的定位基准面“就地加工”为了保证夹具的质量,可在夹具每次装夹在机床 上后,利用机床进行“就地加工”以保工件的高精度装夹。这时,在夹具要加工的表面应留出 足够多次加工的余量。例如,超糟密车削磁盘盘片表面时,利用真空吸盘进行装夹,真空吸盘
每次装夹在机床主轴上后,对其定位面进行一次超精密车削,从而保证了真空吸盘定位面本身 的平面度及其与机床主轴轴线的垂直度,这不仅保证了盘片吸附的紧密性和所需的夹紧力,同 时又避免了在夹紧时由于真空吸盘定位面的不平而造成盘片的变形,保证了盘片的平面度及厚 度的均匀性。此外,也使盘片在加工时加工余量均匀,减少了误差复映。 329人的技艺 当前,精密加工和超精密加工的加工质量和水平在一定程度上靠技术人员和操作工人的技 艺来保证。加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者决 定了工件的加工精度。因此,人的技术水平,知识面、经验和操作熟练程度,往往是影响精密 加工和超精密加工质量和效率的重要因素。这里应特别强调操作者,他不仅要有高超的技艺,而 且要有宽广的知识面,懂得机械、电子、物理、化学、计算机技术,才能胜任这一工作。例如, 金刚石刀具的刃磨、精密静压轴承的制造中,密研磨是关键技术,与人的技艺关系密切。 除上述的影响因素外,尚有市场需求及决策、组织管理及体制、标准化和规格化、资料和 开发工具等问题,均归于“其他”因素内。 4精密加工和超精密加工的形成和发展 4.1精密加工和超精密加工的形成00 测量仪暑 精密加工和超精密加工是在2世纪 激光干涉仅 60年代提出来的,日本著名学者谷口纪睡0∞ 自动机床 表面形貌仪 男教授在其发表的多篇文章中,以及所 著《纳米技术的应用和基础—超糟密、誓a0 调度仪 精密金刚石车床 超微细加工和能束加工》一书中,从综合 加工精度出发,将加工的发展分为普通 精密外国磨床 加工、精密加工、高精密加工和超精密 比效仅人/·超密半球车床 =1凵m 加工4个阶段,并预计在200年加工精 度可达到纳米级,由于物质的原子或分 测微仅 子的尺寸大小,即原子晶格间距是02 多隔公特产 因此,提出了纳米加工技术 加工中心 是当今的极限工艺。所谓综合加工糖度 塔午床车 是包含了尺寸中心偏移误差和尺寸分布 误差,也就是系统误差和随机误差的总 和。图09表示了综合加工精度与年代 的关系,指出了在1980年时,4个加工 限界的综合加工精度,并预测了1980年 19 后的精度发展状态,同时又列举了4个 图08测量仪器、机床、自动机床所能达到的最高 阶段所出现的机床和测量仪器,已经提 精度与年代的关系 出了超晶格物质合成加工和超隧道效果显微镜、纳米表面形貌仪等。 此后,日本学术界又发表了随着年代的推移,各种测量仪器、机床和自动机床所能达到的 最高精度(见图08),同时也预测了200年时的发展趋势。日本学者很重视对精密加工的研究成 果进行历史回顾和发展展望的研究,从而对指导现阶段的工作和预测下阶段的发展有重要作用
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