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超精密复合加工机床的总体设计

时间:2010-06-24 来源: 编辑: 点击:次 字体设置:

  现代飞机的发动机材料和机体结构材料已发生了非常大的变化,如先进发动机用硬脆热解石墨、单晶合金材料等,以及为了减重而采用的大量薄壁件等,这些材料的机械加工,急需替代性新技术、新工艺。这些材料的物理和机械性能与常规金属材料差别极大,加工过程中结构易变形,常规的工艺理论和策略已经无法完成这些先进材料和结构的加工工艺和工艺策略的研究,并且要求加工精度高。另外,在高精度机床上进行先进航空材料加工工艺的研究,可以简化加工工艺性的研制难度,方便地把工艺策略、工艺参数、刀具参数对加工质量的影响与机床的性能分开,从而使得工艺性的研究方法更加科学、有序,可以大大提高先进航空材料加工工艺性的研究速度。因此,研制可用多种加工方法实现加工多种先进材料的精密/超精密加工的模块式复合精密/超精密加工机床对于加快我国航空制造业的跨越式发展、提高我国综合国力具有重要的意义。

  超精密加工机床的研究现状

  我国从20世纪60年代开始发展精密和超精密机床,1987年北京机床研究所研制成功空气轴承主轴的加工球面的超精密车床。“十五”期间我国超精密机床获得了较大的发展,但和工业发达国家相比还有较大的差距。第二次世界大战后的20世纪50年代后期,美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究,目前,美国比较有名的从事超精密加工制造的公司、企业至少有30家,其中最具代表性并取得重大成果的是美国劳伦斯·里佛摩尔国家实验室(Lawrene Livermore National Laboratory,LLL国家实验室)。超精密加工技术的发展使美国在航空、航天、核能等方面取得了重大的成就,如LLL国家实验室的大型光学金刚石车床LODTM和大型金刚石车床DTM-3是现在世界公认的水平最高、达到当前技术最前沿的超精密车床。由于美国超精密机床水平较高,商品生产不仅国内使用,还有相当多的出口,比较著名的有Moore公司的M-18AG型超精密非球曲面车床和Pneumo公司的MSG-325型超精密非球面车床等。
  日本研究超精密加工技术和超精密加工机床起步较晚,20世纪70年代中期才开始,而且是根据电子和光学等民用需要开始研究的。但是,由于得到有关方面的重视,投入大量的人力、物力去开发,有计划地引进先进技术并深入剖析,从而使研制的产品很快达到甚至超过引进产品的水平,因此在发展速度上追上美国,而且在技术上可以与美国抗衡,并且民用工业上的应用也向精密化发展。日本东芝公司1991年研制了一台超精密CNC机床。可加工直径650mm、轴向尺寸250mm的非球面镜片。主轴采用空气轴承,转速范围3000~30000r/min,刚度达到200N/μm。X、Z向激光干涉反馈系统分辨率2.5nm。日本丰田工机研制的AHN60-3D是一台CNC三维截形磨削和车削机床,它能在X、Y和Z三轴控制下磨削和车削轴向对称形状的光学零件,可以在X、Y和Z轴二个半轴控制下磨削和车削非轴对称光学零件,加工工件的面形精度为0.35μm,表面粗糙度Ra达0.016μm。
  英国Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床,该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜,加工工件形状精度达 0.25~0.5μm,表面粗糙度 Ra在0.01~0.025μm。随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床,该公司又在上述机床的基础上,于1990年开发出 Nanoform600,该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜,加工工件的形状精度优于0.1μm,表面粗糙度优于0.01μm。
  英国Rank Pneumo公司1988年开发了改进型的ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300机床,这些机床不仅能够进行切削加工,而且也可以用金刚石砂轮进行磨削,能加工直径为300mm的非球面金属反射镜,加工工件的形状精度为0.3~0.16μm,表面粗糙度Ra达0.01μm。
  进入新世纪,世界各发达国家研制的具有代表性的超精密加工设备很少,但是总的来说超精密加工设备将向着多轴联动和复合加工或模块化方向发展。

  超精密复合加工机床的设计

  1总体设计
  项目的研究目标是研制一台可以分别实现密封环、鼓筒、作动筒等发动机零件的车、铣/磨加工的超精密加工样机。总体方案是主轴部件和导轨部件采用气体静压小孔节流方式,丝杠螺母副采用德国零级精度的滚珠丝杠;为缩短研制周期,确保质量,集中精力进行精密铣/磨削工艺的研究,故高速铣/磨头采用英国进口的气动和电动2种高速主轴;控制系统采用目前国内外广为采用的性能可靠、功能齐全的日本FUNAC18i数控系统;为保证样机的运行稳定,床身下设置空气弹簧及床身自动调平装置进行减隔振。

  考虑到加工精度及承载情况,床身采用T形布局,机床采用Z、X运动分离的结构,Z、X向运动导轨都放在机床的床身(采用花岗岩)上,形成T形布局,2条导轨在同一高度上。T形总体布局结构有利于提高导轨的制造精度和运动精度,并且用于检测Z、X向运动位置的光栅尺测量系统可以装在固定不动的床身上,仅将测量位置用的部分安在Z、X方向的移动部件上。这样不仅使测量系统的安装要简单得多,而且可大大提高测量精度。安装有刀架和铣/磨头的B轴安装在X轴上。

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