亞微米高精度機(jī)床

張 曙 衛(wèi)漢華 張炳生

1 高精密加工

隨著航空航天、汽車等工業(yè)的技術(shù)發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，對(duì)零件的加工精度和工藝要求也越來越高。以滿足歐盟5尾氣排放要求的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，燃油噴射閥門需要在每一沖程內(nèi)快速開閉5～8次，而閥門往復(fù)行程僅20 μm，對(duì)閥門的氣密性和動(dòng)態(tài)特性的要求很高，從而其加工精度也必須大大提高。航空航天更有許多形狀復(fù)雜的高精度零件不斷挑戰(zhàn)機(jī)床的適應(yīng)性。

為了滿足上述要求，對(duì)這些零件的加工精度要求很高，超出一般精密加工機(jī)床可能達(dá)到的要求。盡管超精密加工機(jī)床可以達(dá)到所需的精度，但由于超精密加工對(duì)機(jī)床的床身、導(dǎo)軌、主軸的特殊結(jié)構(gòu)，使該類機(jī)床不僅價(jià)格高昂，也有行程偏小、切削效率低、裝夾時(shí)間長等缺點(diǎn)，難以滿足尺寸較大工件的大批量生產(chǎn)需要。

高精密加工機(jī)床是對(duì)應(yīng)上述加工要求的機(jī)床。高精密加工的精密度級(jí)別介乎精密加工與超精密加工之間，見表1。

表1 加工精密度級(jí)別

本文將通過兩個(gè)典型案例來說明高精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝和誤差的控制方法。

2 DIXI高精度機(jī)床

2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

瑞士DIXI公司是以生產(chǎn)臥式精密坐標(biāo)鏜床著稱的百年老廠。目前以JIG系列為產(chǎn)品平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上配置自動(dòng)換刀、托盤交換等外圍自動(dòng)化裝置成為DHP系列加工中心，其中托盤尺寸800 mm×800 mm的DHP80Ⅱ的外觀和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖中可見，DIXI機(jī)床采用箱中箱且左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。截面較大的立柱和封閉的箱中箱框架、X軸向大跨度線性導(dǎo)軌以及雙電動(dòng)機(jī)重心驅(qū)動(dòng)，保證了機(jī)床高剛度、高精度和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)的左右對(duì)稱性，使熱變形造成的刀具中心點(diǎn)與工作臺(tái)相對(duì)偏移減小到最小程度。

2.2 機(jī)床的剛度

瑞士DIXI公司的機(jī)床床身材料為球墨鑄鐵，經(jīng)過有限元分析優(yōu)化后，床身的靜態(tài)剛度達(dá)120 N/μm，比一般數(shù)控機(jī)床高3倍，動(dòng)態(tài)剛度也比一般機(jī)床高2～3倍，如圖2所示。

結(jié)構(gòu)件結(jié)合面是機(jī)床剛度的薄弱環(huán)節(jié)，DIXI機(jī)床的床身和立柱框架的固定采用小間距密布的螺栓，保證緊固力均勻分布，減小局部應(yīng)力，提高連接剛度。此外，DIXI機(jī)床的床身采用3點(diǎn)支撐，并將刀庫、電氣柜、托盤交換裝置等周邊系統(tǒng)與床身分離，此舉除可簡化機(jī)床安裝外，還有提高機(jī)床穩(wěn)定性、減小熱變形的影響和降低床身顫動(dòng)的作用。

2.3 機(jī)床的精度

由于機(jī)床剛性較高，DIXI機(jī)床的工作精度可與3坐標(biāo)測量機(jī)媲美。各移動(dòng)軸的雙向定位精度可達(dá)0.90μm，重復(fù)定位精度0.90 μm（皆為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)際測量值），且精度穩(wěn)定性和保持性非常好，多年使用不變。更為重要的是，DIXI機(jī)床具有很高的空間對(duì)角線精度和運(yùn)動(dòng)軌跡精度，如圖3所示。

從圖中可見，在整個(gè)1 100 mm×1 100 mm×1 100 mm工作空間范圍內(nèi)，主軸從最低右前端移動(dòng)到最高左后端，刀具中心點(diǎn)的未經(jīng)補(bǔ)償?shù)目臻g對(duì)角線誤差，對(duì)4軸機(jī)床為15 μm，對(duì)5軸機(jī)床為25 μm，只有一般精密機(jī)床的1/3。

在鏜孔加工時(shí)，孔的圓柱度可達(dá)0.39 μm，機(jī)床在X-Y平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)圓度為1.90 μm（整個(gè)工作空間范圍內(nèi)），沒有明顯的反向間隙。

2.4 裝配工藝對(duì)精度的影響

機(jī)床部件總成的裝配工藝對(duì)工作精度有很大的影響，特別是各部件的結(jié)合面和安裝表面的平整與否對(duì)機(jī)床的空間精度有直接的影響。DIXI機(jī)床除導(dǎo)軌面必須經(jīng)過刮研外，所有安裝表面也都經(jīng)過人工刮研，以保證安裝表面的平面度和配合部件之間的相互幾何關(guān)系，從而裝配一臺(tái)機(jī)床需要花費(fèi)高達(dá)數(shù)百小時(shí)的刮研工作量，如圖4所示。

安裝表面的刮研除了保證機(jī)床的幾何精度外，對(duì)載荷的均勻化有明顯的作用。例如，直線導(dǎo)軌的4個(gè)滑塊不處于一個(gè)平面內(nèi)，將導(dǎo)致4個(gè)滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中受力不均，摩擦增大，磨損加劇。安裝表面刮研與否對(duì)機(jī)床空間精度的影響如圖5所示。

從圖中可見，在主軸處于高度2時(shí)，刮研前各軸在1 000 mm行程范圍內(nèi)的定位精度可達(dá)12 μm，刮研后可控制在5 μm。在高度1時(shí)刮研前后變化不大。

2.5 機(jī)床的熱管理

熱變形在高精度機(jī)床中顯得非常重要，占總誤差的50%～70%。為了控制熱變形，DIXI機(jī)床在7處熱源設(shè)置了溫度控制點(diǎn)進(jìn)行熱管理，如圖6所示。

圖中的控制點(diǎn)分別是：

①滾珠螺母；

②滾珠絲杠軸承；

③主軸軸承和電動(dòng)機(jī)；

④B、C軸直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；

⑤電氣柜；

⑥液壓系統(tǒng)；

⑦冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

同時(shí)在各個(gè)熱源都設(shè)計(jì)了獨(dú)立的冷卻循環(huán)回路并計(jì)算好各處熱源的發(fā)熱量。在機(jī)床工作期間，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)熱源的發(fā)熱量供應(yīng)比室溫低2oC的冷卻液。確保每各個(gè)循環(huán)回路都提供稍大于熱源發(fā)熱量的冷卻量，以保持機(jī)床的熱變形在允許范圍之內(nèi)。

2.6 主軸部件

主軸部件是機(jī)床的心臟。DIXI機(jī)床的主軸部件結(jié)構(gòu)和傳感器如圖7所示。

DIXI機(jī)床的主軸部件采用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸前后軸承皆為角接觸滾珠軸承以及壓力可調(diào)的液壓預(yù)緊裝置。主軸前端配置有位移傳感器，可測量由于熱變形和機(jī)械慣性力引起的主軸軸向位移，然后借助數(shù)控系統(tǒng)加以補(bǔ)償。主軸軸承和電動(dòng)機(jī)定子均配置有冷卻水套，溫度傳感器實(shí)時(shí)測量主軸的溫度，并相應(yīng)控制冷卻水的流量，避免熱量轉(zhuǎn)移到主軸箱，防止熱擴(kuò)散，抑制了熱變形。此外，當(dāng)主軸振動(dòng)超過一定數(shù)值時(shí)，振動(dòng)傳感器可通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速或發(fā)出信號(hào)報(bào)警。

3 安田YMC430-II精密加工中心

3.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

日本安田（Yasda）公司的YMC430-II精密加工中心的外觀和典型應(yīng)用案例如圖8所示。

該精密加工中心主要用于加工細(xì)微小的高精度零件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上特別注意提高剛度和減小熱變形的影響。橫截面呈H形的、左右前后都對(duì)稱的整體雙立柱保證了機(jī)床的高剛度，加上結(jié)構(gòu)對(duì)稱的主軸部件，顯著減小熱變形所引起的刀具中心點(diǎn)相對(duì)工作臺(tái)的偏移量，如圖9所示。

由于立柱的魯棒結(jié)構(gòu)和內(nèi)部冷卻，重量較大，機(jī)床床身采用4點(diǎn)支撐，以保證機(jī)床的穩(wěn)定性。

3.2 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

YMC430-Ⅱ的X、Y、Z直線移動(dòng)軸和B、C回轉(zhuǎn)軸皆采用直接電驅(qū)動(dòng)，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，徹底避免了反向運(yùn)動(dòng)的間隙，提高了機(jī)床的性能，采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

X、Y、Z軸皆采用高剛度和高精度的線性導(dǎo)軌，工作臺(tái)和主軸的定位精度在全行程范圍內(nèi)的實(shí)際測量值分別為0.508 μm、0.356 μm和0.316 μm，直線電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)之一是發(fā)熱，YMC430-II為此配置了直線電動(dòng)機(jī)的高效冷卻系統(tǒng)。

3.3 雙擺回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

YMC430-Ⅱ配置R10雙擺回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（B、C軸）后，就成為小型5軸精密加工中心，C軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可配置不同的夾具系統(tǒng)。5軸加工時(shí)的機(jī)床工作精度是反映機(jī)床精度水平的主要指標(biāo)。YMC430-Ⅱ型機(jī)床5軸加工時(shí)的實(shí)測結(jié)果如圖11所示。

B、C回轉(zhuǎn)軸的在360°范圍內(nèi)的雙向定位精度分別為0.95 "和1.19 "。在加工圓錐表面時(shí)圓度為1.24 μm，皆明顯高于同類機(jī)床。

3.4 機(jī)床的熱管理

完善的熱管理系統(tǒng)是YMC430-Ⅱ機(jī)床的最大特點(diǎn)之一，如圖12 所示。

從圖中可見，機(jī)床在6個(gè)部位配置循環(huán)液冷卻系統(tǒng)：

①立柱的內(nèi)冷卻；

②主軸頭的內(nèi)冷卻；

③主軸滑座的內(nèi)冷卻；

④X軸直線電動(dòng)機(jī)的冷卻；

⑤Y軸直線電動(dòng)機(jī)的冷卻；

⑥Z軸直線電動(dòng)機(jī)的冷卻。

制冷裝置輸出溫度較低的冷卻液進(jìn)入各冷卻部位，將熱量帶出的、溫度較高的冷卻液回到熱交換器再度進(jìn)行制冷。

4 趨勢和展望

亞微米高精度機(jī)床是高檔數(shù)控機(jī)床的代表，也是高端制造裝備不可或缺的產(chǎn)品，具有重大的戰(zhàn)略意義，國家“十二五”規(guī)劃給予極大的重視。但目前國內(nèi)精密與國外差距較大，在短期內(nèi)仍然只能依靠進(jìn)口，我國應(yīng)爭起直追。

發(fā)展高精度機(jī)床不僅要重視機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開展深入細(xì)致的基礎(chǔ)研究，保證機(jī)床的高剛度和高精度，還要特別注意工藝經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)研究，機(jī)床的精度是干出來的，不是畫出來。故DIXI和安田能夠達(dá)到今天的水平是百年技術(shù)沉淀的體現(xiàn)。

熱變形誤差是高精度機(jī)床的主要誤差之一。近年來，世界各國都投入大量人力物力從事機(jī)床熱性能的研究，探索減小和補(bǔ)償熱誤差的有效方法。

近期我國承接外委加工的形勢表明，大量形狀復(fù)雜、精度極高的零件在國內(nèi)尋求供應(yīng)商，難倒了絕大多數(shù)廠家。我國機(jī)床工業(yè)需抓住這一契機(jī)，大力發(fā)展高精度機(jī)床，以適應(yīng)市場的需求。