第四章精密和超精密加工的机床设备

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液体静压轴承的优缺点
• 特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精 密加工机床。
• 缺点：高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，
将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。 解决措施（以DTM-3大型超精密机床为例）： • （1）提高静压油的压力到 6～ 8MPa，使油中微小气泡的影响减小， 提高静压轴承的刚度和动特性。
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美国Pneumo公司的MSG-325超精密车床 采用T形布局，主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜
板作x向运动。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动
均≤ 0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导 轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为 0.01μm的双坐标精密 数控系统驱动，用 HP5501A 双频激光干涉仪精密检测位 移。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反射
• • • •
（11）假如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F= A（p3 p1）。 （12）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一个节流器。 （13）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷了，
这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承表面接触。
（14）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可 以在很低的转速下工作。
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立式空气轴承
特点：
• 下止推面大于上止推面，平衡主轴重量；
• 圆弧面径向轴承，自动调心、提高精度。
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三、超精密机床主轴和轴承的材料
• 要求：不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主 轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。
• 主要材料：轴和轴套均采用 38CrMoAl 氮化钢，经表面氮
镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。
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DTM-3大型超精密车床
1983年由美国LLL实验室联合研制。可加
工最大零件φ2100mm 重量 4500kg 的各种金属 反射镜、红外装置零件、大型天体望远镜等。
半 径 方 向 形 状 精 度 27.9nm ， 圆 度 、 平 面 度
12.5nm，Ra≤4.2nm。 采用精密数控伺服方式，控制部分为内
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根据承受载荷方向不同分为：
止推轴承（推力轴承） 径向轴承（向心轴承）
轴承座
Fa
径向轴瓦 止推轴瓦
Fr
止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行
径向轴承的受力Fr 与轴的中心线垂直
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液体静压轴承工作原理
静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承
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• • • • •
（ 1 ）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通 常为4个）。 （2）各油腔之间开有回油槽。 （ 3 ）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向 回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。 （ 4 ）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封 油面，它们和轴颈之间的间隙一般为0.02～0.04mm。 （5）油泵供油压力为ps，油液经节流器T进入各油腔，
振垫支承，抗振性好。
生产多台，在世界多个国家广泛使用。
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Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床
1976年研制。主要用于加工直径达 2m的金属反射镜。 采用双半球结构空气轴承主轴的II-G型卧式车床，和用
端面止推及半球空气轴承主轴结构的 II-B 型立式车床。
轴 承 径 向 跳 动 为 0.10~0.13μm ， 端 面 圆 跳 动 为 0.15~0.18μm ， 2000r/min 运转 8h 的温升在 5.6 ℃ 以内，径 向刚度为361N/μm。
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• 空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其
它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因 而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。 空气轴承
分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，
空气静压轴承用得较广泛。
装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定
位，在 DC 伺服机构内装有压电微位移机构， 实现纳米级微位移。
世界公认技术水平最高、精度最高的大 型金刚石超精密车床之一。
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大型光学金刚石车床LODTM
1984年由美国LLL实验室联合研制。可加工
φ1625mm×500mm、重量1360kg的大型金属反射
• 影响回转精度的因素： （1）轴承精度和间隙的影响。
（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。
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滑动轴承的分类
• 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动
轴承可分为:
液体摩擦轴承 液体动压润滑轴承
非液体摩擦轴承
液体静压润滑轴承
• 按滑动轴承承受载荷的方向可分为: 径向滑动轴承（向心）
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4.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介
一、发展概况
精密机床是实现精密加工的首要基础条件。 • 美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主 轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型 超精密车床。 • 英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。
5.Leabharlann 6.因为不使用油，不存在密封和泄露问题；
可靠性高，维护保养方便。
缺点： • 刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加
工机床。
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圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承
结构与液体静压轴承主轴结构基本相 同，只是节流孔和气腔大小形状不同。要 求有很高的同轴度和垂直度。 1 号车床的径向轴承的轴套制成外面 鼓形，能自动调整定心。轴套的外表面做 凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球 面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调 整位置，从而保证轴颈与轴鼓为面接触。 用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。 Union Carbide 半球车床
三、典型超精密机床简介 Union Carbide 半球车床
1962 年研制。采用空气静压轴承， 立式结构。能加工直径 100mm的半球，达 到 尺 寸 精 度 正 负 0.6μm ， 表 面 粗 糙 度 0.025μm。 精密空气轴承主轴采用多孔石墨制 成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整 自动定心，可提高前后轴承的同心度， 以提高主轴的回转精度。回转精度达到
•
• •
早期用滚动轴承（1μm，Ra0.04-0.02μm，高精度制造困难）
液体静压轴承（0.1μm，转动平稳无振动） 空气静压轴承
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一、液体静压轴承主轴 主轴回转精度
回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情 况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测 得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。
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AHN1O型高效专用车削、磨削超精密机床
由日本TOYOTA公司研制。用于加工塑料高精密透镜的金属模。 有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控， 可加工平面、球面和非球曲面。 采用空气轴承，加工直径φ100mm ，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力 0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。
•
日本：在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件超精密加工技术
方面更加先进和具有优势，在中小型超精密机床生产上基本与美国并驾齐驱，甚至超 过了美国。
• •
欧洲其它国家：如德国、瑞士、法国、意大利等的超精密机床水平也很高。 中国：与国外差距很大。70年代末有长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平 的超精密机床及部件，如：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超 精密车床等。
精密和超精密加工技术
华南理工大学 陈松茂 讲师
第四章 精密和超精密加工的机床设备
本章主要提要
1.精密和超精密机床发展概况及典型机床简介 2.精密主轴部件
3.床身和精密导轨部件
4.进给驱动系统 5.微量进给装置 6.机床运动部件位移的激光在线检测系统 7.机床的稳定性和减振隔振 8.减少变形和恒温控制
加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm。
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我国金刚石超精密机床
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4.2 精密主轴部件
精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。 • • • • • 能高速旋转； 高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长； 主轴本身及其驱动系统振动极小； 发热少，且热平衡性能好； 维护保养方便。 主轴关键是轴承。
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OAGM 2500大型超精密机床
1991 年由英国 CUPE 公司和 SERC 公司联合研制。用于精密磨削和坐
标测量X射线天体望远镜的大型曲面
反 射 镜 ， 最 大 加 工 尺 寸 2500mm×2500mm×610mm ，φ2500mm
高精度回转工作台。
机床的 x 和 y 向导轨采用液体静 压，z向的磨轴头和测量头采用空气 轴承。床身采用型钢焊接结构，用 精密数控驱动，双频激光测量系统 检测运动位置。
化和低温稳定处理；不锈钢、多孔石墨和轴承钢；此外
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双半球空气轴承主轴
前后轴承均采用半球状，既
是径向轴承又是轴向轴承。由 于轴承的气浮面是球面，有自
动调心作用，可提高前后轴承
的同心度，提高主轴的回转精 度。
如： PG150S 型， F 承 载 =180Kg ，
刚度=350N/μm
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前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴
球形一端同时起径向和轴向推力轴承作用，并有自动调心作用，提高前轴 承和后轴承的同轴度，提高主轴回转精度；圆柱一端提高刚度和承载能力。
有轴承内圈和外圈，外圈上有空 气的进出口空，内圈上有喷嘴。
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二、超精密机床进一步发展的规划
1.
美国POMA计划 0.1μ m形状精度。已经实现。