4-_精密和超精密加工的机床设备解析
精密超精密加工技术
精密超精密加工技术精密及超精密加工对尖端技术的发展起着十分重要的作用。
当今各主要工业化国家都投入了巨大的人力物力,来发展精密及超精密加工技术,它已经成为现代制造技术的重要发展方向之一。
本节将对精密、超精密加工和细微加工的概念、基本方法、特点和应用作一般性介绍。
一、精密加工和超精密加工的界定精密和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。
这种划分是相对的，随着生产技术的不断发展，其划分界限也将逐渐向前推移。
1．一般加工一般加工是指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为R a0.2µm~0.8µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。
适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。
2．精密加工精密加工是指精度在10µm~0.1µm（IT5或IT5以上）、表面粗糙度值小于R a0.1µm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。
用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件，如精密丝杠、精密齿轮、精密导轨、微型精密轴承、宝石等的加工。
3．超精密加工超精密加工一般指工件尺寸公差为0.1µm~0.01µm数量级、表面粗糙度R a 为0.001µm数量级的加工方法。
如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等，用于精密组件、大规模和超大规模集成电路及计量标准组件制造等方面。
二、实现精密和超精密加工的条件精密和超精密加工技术是一项内容极为广泛的制造技术系统工程，它涉及到超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、设备系统、工具条件、工件状况、计量技术、工况检测及质量控制等。
其中的任一因素对精密和超精密加工的加工精度和表面质量，都将产生直接或间接的不同程度的影响。
1．加工环境精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。
因为加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。
精密加工超精密加工和细微加工课件
➢超精密磨床的技术要求
很高的主轴回转精度和很高的导轨直线 度，以保证工件的几何形状精度；常常 采用大理石导轨增加热稳定性
应配备有微进给机构，以保证工件尺寸 精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性
工作台导轨低速运动的平稳性要好，不 产生爬行、振动, 以保证砂轮修整质量 和稳定的磨削过程
精密加工超精密加工和细微加工课 件
IT5以上）、Ra<0.1µm的加工方法， 如金刚石车削、高精密磨削、研磨、 珩磨、冷压加工等
精密加工超精密加工和细微加工课 件
3．超精密加工 指加工精度在0.1µm ~0.01µm、Ra
为0.01µm的加工方法，如金刚石 精密切削、超精密磨料加工、电子 束加工、离子束加工等
精密加工超精密加工和细微加工课 件
防振：机床振动对精密加工和超精密 加工有很大的危害，为了提高加工系 统的动态稳定性，除了在机床设计和 制造上采取各种措施，还必须用隔振 系统来保证机床不受或少受外界振动 的影响。应能有效地隔离频率为 6Hz~9Hz、振幅为0.1µm~0.2µm的外 来振动
精密加工超精密加工和细微加工课 件
超净：在未经净化的一般环境下，尘 埃数量极大
切削时，其ap<lm，刀具可能处于工件 晶粒内部切削状态。切削力要超过分子 或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承 受很大的剪切应力，并产生很大热量， 造成刀刃的高应力、高温的工作状态
金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、 稳定地切除如此微薄的金属层
精密加工超精密加工和细微加工课 件
一、精密加工和超精密加工的界定 1．一般加工
指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、 表面粗糙度为Ra0.2µm~0.8µm的加工方 法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。 适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制 造和机床制造等
超精密机床与普通机床的区别,及其关键部件的技术要求
超精密机床与普通机床的区别，及其关键部件的技术要求导语：机床加工从加工精度上分为普通加工，精密加工，高精密加工和超精密加工。
普通加工的精度一般在10~100um，精密加工精度一般在3~10um，高精密加工精度一般在0.1~3um,而精度要求高于0.1um 的属于超精密加工精度。
机床加工从加工精度上分为普通加工，精密加工，高精密加工和超精密加工。
普通加工的精度一般在10~100um，精密加工精度一般在3~10um，高精密加工精度一般在0.1~3um,而精度要求高于0.1um 的属于超精密加工精度。
超精密机床与一般机床的最主要的区别是,加工精度要求很高,因此,普通机床不引起人们重视或根本不必考虑的因素就有可能上升为重要因素,如热变形、力变形、振动、定位及材料等,就会影响超精密机床的加工精度.这些因素对机床提出了很高的精度要求,如机床的材料，主轴回转精度、主轴受力及热的变形、主轴驱动、工件夹持、导轨运动直线性及定位等。
机床的结构材料超精密机床的结构材料对机床精度的影响很大.铸铁和钢在过去曾是机床的主要结构材料,今后相当长的时间内,作为普通机床的材料,仍将发挥很大作用.但是,超精密机床结构材料必须满足性能稳定、热变形小、振动衰减性好等要求.铸铁和钢已难以满足这些要求,特别是热变形的要求.为此,国外早就代之以非金属材料,如天然花岗岩材料,它有很多优点,其膨胀系数是铸铁的2/3,已应用于很多超精密机床。
日本又开发了精密陶瓷材料,热膨胀系数约为铸铁的1/20一1/240.机床的主轴超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动,故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度,因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件,通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。
目前研制开发的超精密加工机床的主轴粗度最高的是空气静压轴承主轴,高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05um,最高可达0.03um。
直线导轨作为刀具和工件相对定位机构的直线导轨,是仅次于主轴的重要部件。
【精品课件】精密和超精密加工的机床设备
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 射镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。来自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。
• 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。
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。
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 属反射镜。
机床采用立式结构，采用面积较大止推轴承； 7路高分辨力双频激光测量系统；4路激光检测 横梁上溜板的运动；3路激光检测刀架上下运动 位置；使用在线测量和误差补偿；各发热部件 用大量恒温水冷却；用大的地基，地基周围有 防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。
超精密加工的机床设备
超精密加工的机床设备摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。
机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。
本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。
关键词：超精密加工机床发展关键技术1.引言制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。
精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。
精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。
目前，国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。
我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。
由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。
2.超精密机床的发展现状2.1国外超精密机床发展现状目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言精密和超精密加工技术在现代制造业中扮演着重要的角色。
为了满足高质量、高精度、高效率的加工需求，机床设备技术不断得到改进和发展。
本文将介绍精密和超精密加工的机床设备技术，并探讨其在制造业中的应用。
1. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在工程加工中，对尺寸精度和表面质量要求较高的加工方法。
精密加工的关键在于机床设备的稳定性、刚性和精度。
以下是精密加工机床设备的几个关键技术：1.1 数控技术数控技术是精密加工中最为关键的技术之一。
通过数控技术，可以实现机床的高精度和高效率加工。
数控技术的应用可以大大提高生产效率，并且减少操作人员的工作强度。
1.2 精密传动系统精密传动系统是精密加工机床设备的核心组成部分。
精密传动系统的设计与制造涉及到轴承、传动装置、伺服驱动装置等多个方面。
通过精确的传动系统，可以提高机床的精度和稳定性。
1.3 线性驱动技术线性驱动技术是现代机床设备中的重要发展方向之一。
相比传统的滚动轴承驱动，线性驱动技术能够实现更高的速度和更高的精度。
线性驱动技术可以用于各种类型的机床设备，包括数控机床和超精密加工机床。
2. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在微米甚至纳米级别下进行加工的技术。
超精密加工在光学、光电子、半导体等领域具有重要的应用。
以下是超精密加工机床设备技术的几个关键技术：2.1 超精密控制系统超精密控制系统是实现超精密加工的关键技术之一。
通过超精密控制系统，可以实现对微小位移和应力的精确控制。
超精密控制系统需要具备高精度、高灵敏度和高稳定性的特点。
2.2 超精密磨削技术超精密磨削技术是超精密加工的核心技术之一。
超精密磨削技术可以实现对工件表面的精确修整和光洁度的提高。
超精密磨削技术需要借助特殊材料和磨削工具，并配合高精度的机床设备。
2.3 超精密检测技术超精密加工过程中，对工件的检测和测量要求非常高。
超精密检测技术可以实现对工件尺寸、形状和表面质量的高精度测量。
精密和超精密加工的机床设备
高精度、高效率、高表面质量、 低误差、低能耗等。
应用领域
01
02
03
04
航空航天
制造飞机发动机叶片、涡轮盘 等关键部件。
汽车制造
加工发动机缸体、曲轴等精密 零部件。
能源领域
制造核聚变反应堆中的超导线 圈、太阳能电池板等。
医疗器械
制造人工关节、牙科种植体等 医疗器件。
发展历程与趋势
发展历程
从20世纪50年代开始，精密和超精密加工技术经历了从简单磨削 到复杂切削，再到超精密切削的发展过程。
航空航天领域的应用案例
案例一
某航空发动机制造企业使用超精密加 工机床，对涡轮叶片进行高精度磨削 和抛光，提高了发动机性能和可靠性 。
案例二
某飞机制造企业采用精密加工机床， 对机身结构件进行高精度切割和加工 ，确保飞机整体装配精度和质量。
汽车工业领域的应用案例
案例一
某汽车零部件制造企业使用精密加工 机床，对发动机缸体进行高精度加工， 提高缸体质量和性能，降低发动机故 障率。
柔性化
为了满足多品种、小批量生产的需求，未来精密和超精密加工机床将采用模块化设计、可 重构制造系统等技术，提高机床的加工范围和适应能力。
新材料、新工艺的应用
新材料
随着新材料技术的发展，未来精密和超精密加工机床将采用新型高强度、高硬 度、轻质材料，提高加工效率和加工质量。
ห้องสมุดไป่ตู้新工艺
为了满足复杂形状和特殊材料的加工需求，未来精密和超精密加工机床将采用 新的切削工艺、光整加工工艺和复合加工工艺等，提高加工精度和表面质量。
伺服驱动技术
采用先进的伺服驱动技术， 实现高精度的位置控制和 速度控制。
插补算法
第3章 超精密加工机床与设备
缺点： 缺点： 1）液体静压轴承的温升 很高，难以控制， 很高，难以控制，造成热 变形，影响主轴精度。 变形，影响主轴精度。 2）静压油回油时将空气 带入油源， 带入油源，形成微小气泡 悬浮在油中，不易排出， 悬浮在油中，不易排出， 降低轴承的刚度和动特性。 降低轴承的刚度和动特性。
解决措施： 解决措施： 提高静压油的压力到6 8MPa，使油中微小气泡的影响减小， 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。 的刚度和动特性。 静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。 2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。 轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。 3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。
AHNIO型高效专用车削、 AHNIO型高效专用车削、 型高效专用车削 磨削超精密机床
3.2 超精密加工刀具与刃磨技术
超精密切削刀具的要求
1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹 极高的硬度、 性模量。 性模量。 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小， 2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小， 能实现超薄切削厚度。 能实现超薄切削厚度。 刀刃无缺陷， 3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加 工表面上，从而得到超光滑的镜面。 工表面上，从而得到超光滑的镜面。 与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、 4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、 摩擦系数低， 摩擦系数低，以得到极好的加工表面完 整性。 整性。 不可替代的超精密切削刀具材料： 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金 刚石。 刚石。
超精密机床的基础元部件及其关键技术
导轨和床身的材料
超精密机床的基础元部件及其关键技术
驱动系统
主轴的驱动方式： 主轴的驱动方式： 1）电动机通过带轮驱动 2）电动机通过柔性联轴 器驱动 3）采用内装式同轴电动 机驱动
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在滑动轴承与轴颈表面之间输入 高压润滑剂以承受外载荷，使运动副 表面分离的润滑方法成为流体静压润 滑。
止推轴承（推力轴承）
轴承座
Fa
径向轴瓦 止推轴瓦
径向轴承（向心轴承） Fr
止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行
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，加工平面、球面和 非球曲面。 采用空气轴承，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。 加工模具形状精度0.05 μm，表面粗糙度0.025μm
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三、精密超精密机床类型和精度指标
Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
第4章 精密和超精密加工的机床设备
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3.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床 简介
3.2 精密主轴部件 3.3 床身和精密导轨部件 3.4 进给驱动系统 3.5 微量进给装置 3.6 机床运动部件位移的激光在线检测系 3.7 机床的稳定性和减振隔振 3.8 减少变形和恒温控制
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。 关键在于精密轴承。
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主轴轴承
➢ 高精度滚动轴承 ➢ 液体滑动轴承 ➢ 空气滑动轴承 ➢ 陶瓷轴承 ➢ 磁悬浮轴承
（一）、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:
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二、典型机床简介
DTM-3大型超精密车床 采用精密数控伺服方
式，控制部分为内装式 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。
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二、典型机床简介
大型光学金刚石车床LODTM
机床采用立式结构，采用止 推轴承，7路高分辨力双频激光 测量系统，4路激光检测横梁上 溜板的运动，3路激光检测刀架 上下运动位置，使用在线测量 和误差补偿，各发热部件用大 量恒温水冷却，用大的地基， 地基周围有防振沟，且整个机 床用4个大空气弹簧支承。
0.005um，加工表面粗糙度Ra0.003um，温 控精度为20± 0.0005℃。
四、精密超精密机床结构特点
➢ 高精度：静态和动态精度，主要部件的材料，轴 承，工作台和刀架，微进给（电致伸缩、磁致伸 缩，弹性元件等），闭环控制系统
➢ 高刚度：受力变形对加工精度影响 ➢ 高稳定性：热导率低，热膨胀系数小的材料做工
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第1节 精密和超精密机床发展概况 及典型机床简介
二、典型机床简介
Union Carbide 公司 的半球机床
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。
类型：普通（各种精密超精密车、铣等）、专 用（磁盘超精密车床） 按工艺方法：超精密车床、超精密铣床、超精 密磨床、超精密研磨机、超精密抛光机床、超 精密特种加工机床、精密和超精密加工中心等
精度指标：目前，主轴回转精度为0.025um， 导轨直线度为1000000:0.025，定位精度为 0.013um/1000um，进给分辨率为
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二、典型机床简介
Moore 车床
由Moore 3型坐标测量机改 造而成。采用卧式主轴， 三坐标精密数控，消振和 防振措施，加强恒温控制等。 M-18AG型超精密非球面车床， 基本结构同Moore 3，采用空 气静压轴承主轴、气浮导轨、 双坐标双频激光测量系统、 优质铸铁床身，有恒温油浇 淋机和空气隔振垫支承。
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二、典型机床简介
Pneumo 公司的MSG-325超精密车床 采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向
跳动均小于等于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。
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二、典型机床简介
OAGM 2500大型超精密机床 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。
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二、典型机床简介
AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床
作台、床身等基础零件，液体淋浴或空气淋浴控 制温度 ➢ 抗振性：材料，隔离振源，缩短传动链或改用柔 性连接 ➢ 控制性能好：数控 ➢ 模块化设计
第2节 精密主轴部件
一、主轴轴承 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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第1节 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。 1）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。 2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床 OAGM2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ00。 3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有 一定的优势，甚至超过了美国。 4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密 铣床、JCS－035超精密车床等。
液体摩擦轴承
液体动压润滑轴承 液体静压润滑轴承
非液体摩擦轴承
• 按滑动轴承承受载荷的方向可分为:
径向滑动轴承（向心） 推力滑动轴承（止推）
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根据润滑膜的形成原理不同分为：
动压润滑轴承
静压润滑轴承
利用相对运动副表面的相对运动 和几何形状，借助流体粘性，把润滑 剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的 流体压力膜，将运动副表面分开的润 滑方法为流体动压润滑。