亞微米高精度機床

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)動機為例，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，對閥門的氣密性和動態(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)機床的適應(yīng)性。

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

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

表1 加工精密度級別

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

2 DIXI高精度機床

2.1 機床的結(jié)構(gòu)特點

瑞士DIXI公司是以生產(chǎn)臥式精密坐標鏜床著稱的百年老廠。目前以JIG系列為產(chǎn)品平臺，在此基礎(chǔ)上配置自動換刀、托盤交換等外圍自動化裝置成為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機床采用箱中箱且左右對稱的結(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)軌以及雙電動機重心驅(qū)動，保證了機床高剛度、高精度和平穩(wěn)的運動。結(jié)構(gòu)的左右對稱性，使熱變形造成的刀具中心點與工作臺相對偏移減小到最小程度。

2.2 機床的剛度

瑞士DIXI公司的機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120 N/μm，比一般數(shù)控機床高3倍，動態(tài)剛度也比一般機床高2～3倍，如圖2所示。

結(jié)構(gòu)件結(jié)合面是機床剛度的薄弱環(huán)節(jié)，DIXI機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機床的床身采用3點支撐，并將刀庫、電氣柜、托盤交換裝置等周邊系統(tǒng)與床身分離，此舉除可簡化機床安裝外，還有提高機床穩(wěn)定性、減小熱變形的影響和降低床身顫動的作用。

2.3 機床的精度

由于機床剛性較高，DIXI機床的工作精度可與3坐標測量機媲美。各移動軸的雙向定位精度可達0.90μm，重復(fù)定位精度0.90 μm（皆為未經(jīng)補償?shù)膶嶋H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機床具有很高的空間對角線精度和運動軌跡精度，如圖3所示。

從圖中可見，在整個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到最高左后端，刀具中心點的未經(jīng)補償?shù)目臻g對角線誤差，對4軸機床為15 μm，對5軸機床為25 μm，只有一般精密機床的1/3。

在鏜孔加工時，孔的圓柱度可達0.39 μm，機床在X-Y平面內(nèi)的運動圓度為1.90 μm（整個工作空間范圍內(nèi)），沒有明顯的反向間隙。

2.4 裝配工藝對精度的影響

機床部件總成的裝配工藝對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機床的空間精度有直接的影響。DIXI機床除導(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，從而裝配一臺機床需要花費高達數(shù)百小時的刮研工作量，如圖4所示。

安裝表面的刮研除了保證機床的幾何精度外，對載荷的均勻化有明顯的作用。例如，直線導(dǎo)軌的4個滑塊不處于一個平面內(nèi)，將導(dǎo)致4個滑塊在運動過程中受力不均，摩擦增大，磨損加劇。安裝表面刮研與否對機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，刮研前各軸在1 000 mm行程范圍內(nèi)的定位精度可達12 μm，刮研后可控制在5 μm。在高度1時刮研前后變化不大。

2.5 機床的熱管理

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

圖中的控制點分別是：

①滾珠螺母；

②滾珠絲杠軸承；

③主軸軸承和電動機；

④B、C軸直接驅(qū)動電動機；

⑤電氣柜；

⑥液壓系統(tǒng)；

⑦冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

同時在各個熱源都設(shè)計了獨立的冷卻循環(huán)回路并計算好各處熱源的發(fā)熱量。在機床工作期間，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各個熱源的發(fā)熱量供應(yīng)比室溫低2oC的冷卻液。確保每各個循環(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

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

DIXI機床的主軸部件采用同步電動機驅(qū)動，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)加以補償。主軸軸承和電動機定子均配置有冷卻水套，溫度傳感器實時測量主軸的溫度，并相應(yīng)控制冷卻水的流量，避免熱量轉(zhuǎn)移到主軸箱，防止熱擴散，抑制了熱變形。此外，當主軸振動超過一定數(shù)值時，振動傳感器可通過驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速或發(fā)出信號報警。

3 安田YMC430-II精密加工中心

3.1 機床的結(jié)構(gòu)特點

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微小的高精度零件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計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、左右前后都對稱的整體雙立柱保證了機床的高剛度，加上結(jié)構(gòu)對稱的主軸部件，顯著減小熱變形所引起的刀具中心點相對工作臺的偏移量，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，機床床身采用4點支撐，以保證機床的穩(wěn)定性。

3.2 直線電動機驅(qū)動

YMC430-Ⅱ的X、Y、Z直線移動軸和B、C回轉(zhuǎn)軸皆采用直接電驅(qū)動，簡化了機械結(jié)構(gòu)，徹底避免了反向運動的間隙，提高了機床的性能，采用直線電動機驅(qū)動的工作臺結(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，工作臺和主軸的定位精度在全行程范圍內(nèi)的實際測量值分別為0.508 μm、0.356 μm和0.316 μm，直線電動機的缺點之一是發(fā)熱，YMC430-II為此配置了直線電動機的高效冷卻系統(tǒng)。

3.3 雙擺回轉(zhuǎn)工作臺

YMC430-Ⅱ配置R10雙擺回轉(zhuǎn)工作臺（B、C軸）后，就成為小型5軸精密加工中心，C軸回轉(zhuǎn)工作臺可配置不同的夾具系統(tǒng)。5軸加工時的機床工作精度是反映機床精度水平的主要指標。YMC430-Ⅱ型機床5軸加工時的實測結(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 "。在加工圓錐表面時圓度為1.24 μm，皆明顯高于同類機床。

3.4 機床的熱管理

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

從圖中可見，機床在6個部位配置循環(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軸直線電動機的冷卻；

⑤Y軸直線電動機的冷卻；

⑥Z軸直線電動機的冷卻。

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

4 趨勢和展望

亞微米高精度機床是高檔數(shù)控機床的代表，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)仍然只能依靠進口，我國應(yīng)爭起直追。

發(fā)展高精度機床不僅要重視機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展深入細致的基礎(chǔ)研究，保證機床的高剛度和高精度，還要特別注意工藝經(jīng)驗的積累和技術(shù)研究，機床的精度是干出來的，不是畫出來。故DIXI和安田能夠達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床熱性能的研究，探索減小和補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。我國機床工業(yè)需抓住這一契機，大力發(fā)展高精度機床，以適應(yīng)市場的需求。