淺析精密加工機床的設計與制造

隨著科學技術的發展，特別是許多高新科技的發展，使精密加工的市場需求不斷發展。從目前機械加工的工藝水平來看，精密加工一般指加工精度<0.3µm，表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工，同時也包含加工尺寸在微米級的微細加工。

精密加工機床設計與制造的關鍵問題是保證精密加工工藝和目標的實現。因此，精密加工機床的設計和制造的基本原則和要求是：消除或減少機床上的熱源和振源；提高機床的結構剛度和幾何精度；減少機床的變形（含溫度變形和力變形）對機床加工精度的影響等。為了實現這些基本原則和要求，精密加工機床設計時，經常采取的一些原則措施：

首先是盡量不用或少用摩擦發熱量大的傳動裝置（如機械無級調速器），并把工作過程中發熱量大的熱源（如電機、冷卻潤滑油箱等）與機床本體結構分離或隔熱，以避免熱量落入機床本體引起機床結構的熱變形。
 
選用熱脹系數α和導熱系數λ值低的材料作機床的重要零部件材料。與此同時也要盡量采用熱物理特性相同或相近的材料來制造機床的構件和零部件。

零部件的結構設計力求熱對稱，而且應考慮采取強迫的風冷或液體冷卻并預留相應的冷卻液循環流動通道。當冷卻的尺寸范圍在200mm~1500mm時，風的流量應為（3~10）m3/s或液體的通量為（1~10）L/s，從而可分別保持溫度波動為±0.05°C和±0.02°C。對個別強熱源處（如主軸軸承）所產生的熱量，必要時可采用專門的熱管帶走。

精密加工機床不僅要考慮安裝和工作在恒溫室里，而且在極高精度要求的情況下，還應考慮控制機床工作在溫度±0.01°C的油淋浴的恒溫箱中，因此，機床的工作過程必須是完全自動或遙控的，不能有人在現場，以免人的活動和體溫對環境條件產生影響。

為了避免振動影響加工精度，除了機床必須安裝在由空氣支承、彈簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，機床上的旋轉運動件也要嚴格進行動平衡，殘馀不平衡量應小于0.5~1g.mm。與此同時，為了消除和減少機床本身內部振源，要盡量采用運動平穩的傳動系統，如非接觸的氣動和液體傳動，禁止或避免采用帶有沖擊力的傳動，如有間隙的換向機構等。

通過振源振動頻率的調整（如改變轉速）或通過對機床工藝系統的質量（m）和彈簧剛度（k）等動力參數的選擇使振源的振動頻率與機床工藝系統的固有頻率相互遠離，避開共振區，減少振動對機床工作的影響。

選用具有高內阻尼系數的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的雙層壁鑄鐵件作為機床的結構件，以保證高度衰減內部產生和外部傳來的振動，因為振動衰減的效果正比于阻尼系數（即衰減指數）。正常情況下，鑄鐵的衰減指數為0.006~0.008，而天然大理石和人造大理石的衰減指數則分別為0.02~0.04和0.06~0.08；不清砂的雙層壁鑄件可以大大增加結構的內阻尼，因而可大大提高衰減振動的效果。

主軸部件設計的關鍵指標是回轉精度和剛度，為此優先采用帶有溫控的低噪音主軸電機并通過扭矩或各種電磁的和薄膜的聯軸節與主軸聯接進行驅動，主軸軸承則采用具有自定位功能的球面氣浮或液體靜壓軸承結構。用此結構的主軸精度（徑向和軸向跳動）可達0.01µm。當工作壓力為0.3MPa~0.6MPa時，氣浮軸承的平均剛度為200N~400N/µm，液體靜壓軸承則為600N~1000N/µm。但為了主軸跳動不超過0.05µm，供油壓力的波動值不應大于0.01MPa，油溫波動也不應大于0.05°C。

進給傳動的設計主要要求是：保證能有效進行誤差動態補償的換向精度；可實現最小5nm的脈沖位移；采用修正系統後具有2nm的高定位精度。為此，可供選擇的進給傳動方式有以下幾種：

－滾珠絲杠副。特點是剛度大，可實現的增量位移為100nm（即0.1µm）。

－摩擦傳動。傳動剛度為50N~100N/µm，拉力達100N，可實現的移動增量為5nm。缺點是壽命低，不夠靈敏。

－條（帶）傳動。僅適合在小型機床上用。

－壓電和磁致伸縮傳動。移動量可小于5nm，但總的行程量很小，只有100~200µm，故多數情況下它是與其它傳動方式（如滾珠絲杠副）組合使用。

－自定位靜壓絲杠副。特點是由于齒形角小（只有10°），故剛度大（達100N~1000N/µm）和可實現微小的增量位移。缺點是保證油溫和油壓穩定的系統較復雜。

－增量式液壓傳動。剛度可達600N/µm，位移增量80nm，但供油系統復雜。

－電磁絲杠副傳動。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的絲杠與帶有線圈的螺母相互作用來實現傳動�？蓪崿F微小的增量位移，但剛度過低，只有10N/µm。

導軌設計。導軌是超精密加工機床上保證實現精密微量進給的重要要素之一，雖有多種形式可供選擇，但采用得最為廣泛的是液體靜壓導軌和氣浮導軌。前者的剛度可達6KN~8KN/µm，并能保證位移精度0.02µm~0.04µm/400mm行程；後者的剛度為1KN~2KN/µm，當氣膜厚度為4µm~8µm時，也能保證與液體靜壓導軌一樣的位移精度。液體靜壓和氣浮導軌的直線性均可高達0.02µm/100mm。

在總體布局設計上，超精密加工機床的結構應分成承載部分和計量部分。此時，機床所能實現的精度在很大程度上取決于測量系統的有效性。因此，一般采用像激光干涉儀這樣的高精度、高分辨率的儀器作測量裝置，并將其單獨安裝在氣浮支承的計量支架上，而且不僅安裝測量裝置時要遵守阿貝原理，在更廣義理解上，也要遵守阿貝原理。阿貝原理要求，測量軸要接近于刀尖，以便消除按杠桿原理放大誤差的可能性。從這一立場出發，導軌和測量裝置應位于同一水平面上，在機床的承載系統中要避開采用懸伸和剛度不恒定的構件。

在機床整體和各部件所完成的功能分配方面，在多數情況下，一臺機床只實現一種加工方法，每個部件也只完成一個固定的功能運動。這樣做的目的是簡化機床結構和更易于根據精度指標進行優化，而無需采取妥協（折衷）的辦法。――這一點是與目前一般機床的設計發展趨勢――復合化，擴大工藝可能性――是不一樣的，或者說是正好相反的。

為了保證精密加工的目標順利實現，精密加工機床設計必須考慮采用主動控制的隔振系統和在線的誤差自動補償技術。這是因為很難保證所要求的零件制造精度，同時也很難完全消除振動和熱因素帶來的負面影響。

精密加工是為適應現代高新科技發展的要求而發展起來的先進制造技術，它的成功實現，不僅取決于機床、刀具和工藝方法，也還取決于測量和控制技術，即含機、光、電、傳感技術和計算機技術等。它是多種學科新技術成果的綜合應用，但也對許多高新科技的發展與進步起著推動的作用。因此超精密加工已成為發展現代高新技術，特別是發展現代武器裝備的基礎技術，也是衡量一個國家科技水平的重要標志之一。與美俄相比，中國在這方面還有不少差距，如非軸對稱的光學曲面加工工藝的可靠性和可操作性等方面。為使中國超精密加工技術的進一步發展和提高，除繼續加強超精密加工工藝和裝備的研究外，還必須加強測量和控制，特別是對非軸對稱的非球曲面等復雜曲面的測量與控制（如五軸超精密CNC系統）的研究；加強工藝可靠性和可操作性的研究等。而且開發研究工作需要跨學科，跨部門來協同組織進行，以便集中力量（包括人、財、物）解決問題。