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1 引言

高精度加工機(jī)床的研制開發(fā)始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)在美國因開發(fā)激光核聚變實(shí)驗(yàn)裝置和紅外線實(shí)驗(yàn)裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發(fā)制作反射鏡的高精度加工技術(shù)。以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的高精度加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。1980年美國在世界上開發(fā)了三坐標(biāo)控制的M-18AG非球面加工機(jī)床，它標(biāo)志著亞微米級(jí)高精度加工機(jī)床技術(shù)的成熟。日本的高精度加工機(jī)床的研制開發(fā)滯后于美國20年。從1981～1982年首先開發(fā)的是多棱體反射鏡加工機(jī)床，隨后是磁頭微細(xì)加工機(jī)床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機(jī)床和短波長X線反射鏡面加工機(jī)床為主。德國、荷蘭以及中國臺(tái)灣的高精度加工機(jī)床技術(shù)也都處于水平。我國的高精度加工機(jī)床的研制開發(fā)工作雖起步比較晚，但經(jīng)過廣大高精度工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。

2 主軸系統(tǒng)

   高精度加工機(jī)床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運(yùn)動(dòng)，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是高精度加工機(jī)床中重要的一個(gè)部件，通過機(jī)床主軸的精度和特性可以評價(jià)機(jī)床本身的精度。目前研制開發(fā)的高精度加工機(jī)床的主軸中精度是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度。主軸振擺回轉(zhuǎn)精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復(fù)徑向振擺，屬于靜態(tài)精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05µm，高可達(dá)0.03µm，由于軸承中支承回轉(zhuǎn)軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉(zhuǎn)精度大約可以達(dá)到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學(xué)者研究表明，當(dāng)軸和軸套的圓度達(dá)到0.15～0.2µm的精度時(shí)，可以到10nm的回轉(zhuǎn)精度，并通過FFT測定其所制造的精度空氣軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度為8nm。HCM-Ⅰ高精度加工機(jī)床的空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1µm。另外，空氣軸承主軸還具有動(dòng)特性良好、精度壽命長、不產(chǎn)生振動(dòng)、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點(diǎn)。但是在主軸剛度、發(fā)熱量與維護(hù)等方面需要做細(xì)致的工作。要做到納米級(jí)回轉(zhuǎn)精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達(dá)到0.15～0.2µm，再通過空氣膜的均化作用來實(shí)現(xiàn)外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數(shù)量、分布精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會(huì)影響軸承面空氣流動(dòng)的均勻性。而氣流的不均勻是產(chǎn)生微小振動(dòng)的直接原因，從而影響回轉(zhuǎn)精度。要改善供氣系統(tǒng)的狀況，軸承材料宜選用多孔質(zhì)材料。這是因?yàn)槎嗫踪|(zhì)軸承是通過無數(shù)小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時(shí)，改善空氣流動(dòng)的均勻性。多孔質(zhì)材料的均勻性是很重要的。因?yàn)槎嗫踪|(zhì)供氣軸承材料內(nèi)部的空洞會(huì)形成氣腔，如不加以控制會(huì)引起氣錘振動(dòng)，為此須對表面進(jìn)行堵塞加工。

3 直線導(dǎo)軌

   作為刀具和工件相對定位機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌，是僅次于主軸的重要部件。對高精度加工機(jī)床的直線導(dǎo)軌的基本要求是：動(dòng)作靈活、無爬行等連續(xù)動(dòng)作；直線精度好；在實(shí)用中應(yīng)具有與使用條件相適應(yīng)的剛性；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量少；維修保養(yǎng)容易。高精度加工機(jī)床中的常用導(dǎo)軌有V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。傳統(tǒng)的V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌在美國和德國的應(yīng)用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導(dǎo)軌，所以*不必?fù)?dān)心爬行的產(chǎn)生。從精度方面來考慮后兩種也是適宜的導(dǎo)軌。液體靜壓導(dǎo)軌由于油的粘性剪切阻力而發(fā)熱量比較大，因此須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養(yǎng)也麻煩。氣體靜壓導(dǎo)軌由于支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發(fā)熱問題，如果設(shè)計(jì)合理，則在后續(xù)的維修保養(yǎng)方面幾乎不會(huì)發(fā)生什么問題。但須注意導(dǎo)軌面的防塵。空氣導(dǎo)軌的間隙僅為十幾微米，而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔凈室也不能*消除，塵埃落入空氣導(dǎo)軌面內(nèi)會(huì)引起導(dǎo)軌面的損傷。總體看來，空氣靜壓導(dǎo)軌是目前精度高的導(dǎo)軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導(dǎo)軌。目前空氣靜壓直線導(dǎo)軌的直線度可達(dá)0.1～0.2µm/250mm。

   通過安裝調(diào)整空氣靜壓導(dǎo)軌得出如下結(jié)論：(1)須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產(chǎn)生位置擾動(dòng)，擾動(dòng)量有時(shí)達(dá)數(shù)微米。(2)從理論上講減小節(jié)流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段很難加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導(dǎo)軌的側(cè)氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)用螺釘緊固和有空氣壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生變形，使氣膜厚度不均勻以致于影響其性能。但經(jīng)過計(jì)算證明，使用長螺釘時(shí)，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時(shí)，氣浮塊和螺釘?shù)淖冃味荚趤單⒚准?jí)，可忽略不計(jì)。