超精密靜壓支承部件及其在超精密加工機(jī)床的應(yīng)用

胡秋，夏仰球，米良，李夢(mèng)陽(yáng)

(1.中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900;2.中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900)

航空航天、精密儀器、光學(xué)和激光技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的應(yīng)用，近年來(lái)，超精密加工更是開(kāi)始走向消費(fèi)品生產(chǎn)領(lǐng)域［1－3］。

超精密加工機(jī)床是超精密加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，它可以直接加工出具有納米級(jí)表面光潔度和亞微米級(jí)面形精度的表面。靜壓支承部件作為高精度的運(yùn)動(dòng)部件，具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和運(yùn)行精度高的優(yōu)點(diǎn)，已成為超精密加工裝備支承元器件的首選。超精密加工裝備方面，靜壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用于主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)等關(guān)鍵功能部件中［4］。

1 超精密靜壓部件

傳統(tǒng)的機(jī)械接觸式運(yùn)動(dòng)副之間不可避免地產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱，制約了這類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。在超精密運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)中，非接觸式的靜壓支承取代機(jī)械接觸式的運(yùn)動(dòng)副，可有效避免傳統(tǒng)機(jī)械接觸帶來(lái)的摩擦損耗、發(fā)熱、變形和振動(dòng)等問(wèn)題［5－6］。

靜壓支承是指通過(guò)液/氣源向支承內(nèi)部供給具有一定壓力的流體，流體通過(guò)節(jié)流器后充滿壓力腔，并流入底面與支承平面之間，形成壓力薄膜，從而實(shí)現(xiàn)承載和潤(rùn)滑作用的一種非接觸式支承方式。圖1為氣體靜壓平面支承原理圖，其中pS為靜壓支承外部供氣壓力，W為靜壓支承所受外載荷，h1、h2分別為靜壓支承受外載荷前、后氣膜間隙，p1、p2分別為靜壓支承受外載荷前、后氣膜面壓力分布。

圖1 靜壓支承原理圖

靜壓支承之所以能獲得很高的精度，在于其氣/油膜誤差均化作用，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明:靜壓支承元件誤差均化作用系數(shù)可達(dá)4～5倍，這大大降低了主軸零部件的制造精度。

1.1 超精密靜壓主軸

超精密主軸是超精密加工機(jī)床關(guān)鍵功能部件之一。一臺(tái)超精密加工設(shè)備的精度高低，很大程度上由其主軸回轉(zhuǎn)精度決定。

基于靜壓支承技術(shù)的主軸部件幾乎是超精密主軸的唯一選擇。靜壓主軸部件包括氣體靜壓主軸部件和液體靜壓主軸部件 (見(jiàn)圖2)。由于氣/油膜的誤差均化作用，故其可以獲得極高的回轉(zhuǎn)精度［4，7］。

圖2 超精密靜壓主軸

氣體靜壓主軸部件的主要特點(diǎn)在于摩擦功耗極小，主軸可以獲得極高的轉(zhuǎn)速，這是液體靜壓主軸不具有的優(yōu)點(diǎn)。一般超精密氣體靜壓主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘，其全速域動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度達(dá)到50 nm，但剛度和承載能力相對(duì)較低。

液體靜壓軸承一般使用的液體是液壓油，其黏度為空氣的5 000～10 000倍，供給壓力大，液體靜壓主軸則可獲得大的剛度和承載能力，重載靜壓主軸剛度可達(dá)1 000 N/μm以上。但由于受高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油膜的剪切作用，高速時(shí)摩擦發(fā)熱較大，故主軸最高轉(zhuǎn)速相對(duì)受到限制。它主要用于高剛度、重載場(chǎng)合，例如超精密磨削主軸、車(chē)床主軸等［8－10］。

1.2 靜壓導(dǎo)軌技術(shù)

導(dǎo)軌用于支承并引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件使之沿規(guī)定的軌跡作準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，也是機(jī)床安裝的基礎(chǔ)，導(dǎo)軌是超精密加工機(jī)床另一個(gè)關(guān)鍵部件。導(dǎo)軌的基本要求為導(dǎo)向精度及精度保持性、剛度與承載能力、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、無(wú)爬行［5－6］。

從支承元件介質(zhì)來(lái)分，靜壓導(dǎo)軌有氣體靜壓導(dǎo)軌(圖3)和液體靜壓導(dǎo)軌 (圖4)之分。與主軸一樣，氣體靜壓導(dǎo)軌可以獲得較大的運(yùn)行速度，且環(huán)境清潔，多用于超精密儀器或者輕載機(jī)床。當(dāng)今氣體靜壓導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度可以達(dá)到0.1 μm/300 mm亞微米級(jí)的水平，由于空氣摩擦因數(shù)極低，故可以獲得很高的運(yùn)行速度［8－9］。

圖3 超精密氣浮導(dǎo)軌

圖4 超精密液體靜壓導(dǎo)軌

液體靜壓導(dǎo)軌則能獲得較大的剛度和承載能力，同時(shí)液體靜壓導(dǎo)軌所用介質(zhì)為油，黏度大，可以獲得良好的阻尼特性。圖4展示了液體靜壓導(dǎo)軌和直線導(dǎo)軌抗振性對(duì)比，可以明顯看出:液體靜壓導(dǎo)軌抗振性明顯優(yōu)于氣體靜壓導(dǎo)軌［10－12］。

1.3 靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)

超精密液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)是超精密加工裝備與儀器關(guān)鍵功能部件之一，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)采用靜壓支承技術(shù)，支承處于純流體潤(rùn)滑條件下工作，靜摩擦因數(shù)極小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，運(yùn)轉(zhuǎn)靈敏，無(wú)爬行;承載能力大，剛度高;零磨損，使用壽命長(zhǎng);承載介質(zhì)的誤差均化作用使得靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)具有極高的回轉(zhuǎn)精度。由于具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)得到人們的重視和應(yīng)用［13］。

靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)分為空氣靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)和液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，由于二者在剛度和承載能力等方面的差別，空氣靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)更多用于各種高端儀器中。圓度儀是機(jī)械加工行業(yè)最常見(jiàn)的檢測(cè)儀器之一，超精密氣體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)則是其關(guān)鍵功能部件之一，其回轉(zhuǎn)精度可達(dá)25 nm。如圖5(a)為一個(gè)配合使用多維調(diào)整裝置的超精密空氣靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)。

如果把這種超精密空氣靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)再配以超精密反饋元件，則這種轉(zhuǎn)臺(tái)本身就是一臺(tái)超精密儀器。瑞士KUNZ公司RT300超精密轉(zhuǎn)臺(tái) (圖5(b))分度精度可達(dá)0.5″，分辨率可達(dá) 0.01″，重復(fù)性誤差可達(dá)0.02″。它可用于實(shí)驗(yàn)室角度基準(zhǔn)計(jì)量測(cè)試［14］。

圖5 超精密氣體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)

超精密液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)由于其極高的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度和高剛度、高承載能力和良好的阻尼特性，因而在超精密加工設(shè)備中得到良好的應(yīng)用［10］。

2 靜壓部件在超精密加工機(jī)床中的應(yīng)用

超微細(xì)結(jié)構(gòu)加工是當(dāng)前超精密加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，如各種顯示器件 (電視機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)等顯示單元)、印刷品、燈具及其他光學(xué)器件等。微結(jié)構(gòu)形狀有V型、金字塔型、球型、棱柱等多種形式。其加工深度一般約為結(jié)構(gòu)深度5～50 μm左右，表面粗糙度控制在10 nm以下，加工精度很大程度由加工機(jī)床決定。

這種微結(jié)構(gòu)主要采用超精密多軸金剛車(chē)進(jìn)行加工，目前這種機(jī)床國(guó)際上生產(chǎn)廠家有美國(guó)MOORE、德國(guó)KUGLER、日本東芝等少數(shù)幾個(gè)廠家［8－10］。圖6為微結(jié)構(gòu)及其加工示意圖。

圖6 微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及加工示意圖

圖7為美國(guó)MOORE公司的HDL2000型超精密數(shù)控鼓形車(chē)床，機(jī)床最大加工直徑達(dá)600 mm，最大加工長(zhǎng)度為2 000 mm，工件最大質(zhì)量為3 000 kg。在MOORE這臺(tái)超精密數(shù)控鼓形車(chē)床中，靜壓支承技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致［15］。

圖7 MOORE公司的HDL2000型超精密數(shù)控鼓形車(chē)床

該機(jī)床頭架主軸、尾座主軸均采用超精密液體靜壓支承技術(shù)，其徑向剛度達(dá)到875 N/μm，動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度達(dá)到100 nm以下;B軸采用液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，其定位分辨率為0.02弧度秒;重復(fù)定位精度為±2弧度秒;3根線性進(jìn)給軸均采用重型液體靜壓導(dǎo)軌，其中X軸直線度達(dá)到0.5 μm/350 mm，Z軸直線度達(dá)到1 μm/500 mm。機(jī)床極高的幾何精度和位置精度保證了微結(jié)構(gòu)加工精度。

圖8 HDL2000金剛車(chē)各種靜壓部件

3 展望

靜壓支承技術(shù)是一門(mén)古老的學(xué)科，但由于其制造系統(tǒng)復(fù)雜，相對(duì)成本較高，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間并非機(jī)床功能部件主流支承方式。近年來(lái)，隨著超精密加工技術(shù)與裝備的發(fā)展，由于靜壓支承能達(dá)到極高精度，故靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌和靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)幾乎成了超精密加工機(jī)床關(guān)鍵功能部件支承方式的首選。

隨著航空航天、精密儀器、光學(xué)和激光技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，超精密加工技術(shù)將會(huì)得到更迅速的發(fā)展，與之相適應(yīng)的，靜壓技術(shù)及與之相應(yīng)的超精密靜壓部件也將得到新的發(fā)展。

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