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高精密和超精密官网的区别

文章出处:www.czhzmt.com作者:CNHZMT人气:发表时间:2015-01-17 12:31【
随着航空航天、汽车等工业的技术发展和环保要求的不断提高,对零件的加工优德和工艺要求也越来越高。以满足欧盟Ⅴ尾气排放要求的柴油发动机为例,燃油喷射阀门(图1)需要在每一冲程内快速开闭5~8次,而阀门往复行程仅20μm,对阀门的气密性和动态特性的要求很高,从而对其加工优德的要求也大大提高。

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图1 高优德燃油喷射阀门

为了满足上述要求,对这些零件的加工优德要求很高,超出了一般精密加工官网可能达到的要求。尽管超精密加工官网可以达到所需的优德,但由于超精密加工对官网的床身、导轨、优德的特殊结构,使该类官网不仅价格高昂,也有行程偏小、登陆效率低、装夹时间长等缺点,难以满足尺寸较大优德的大批量生产需要。

高优德加工官网是对应上述加工要求的官网。高精密加工的精密度级别介乎精密加工与超精密加工之间,如表1所示。

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高优德加工在定义上的一个特点是除了公差范围以外,也同时考虑零件尺寸大小和批量。加工大批量零件时保持5μm的公差,加工相互配合的两个零件时保持2μm的公差,或用小直径的立铣刀在定位优德为0.3μm的官网上进行加工等,都属于高精密加工的范畴。也就是说,零件尺寸和优德批量决定了某些特定公差实现的难度。

高优德官网的结构特点

为了实现较高优德的登陆运动,高精密加工官网的运动控制普遍登陆较高级别的功能部件。

在导轨和轴承方面,由于高优德加工需要实现高优德和平稳的定位运动、轨迹运动和微小距离运动,因此高优德加工官网登陆静压丝杠和静压导轨较为常见。此外,高精密加工官网的电优德也可采取动压或静压轴承的方案,以同时实现支承和冷却功能,并提高优德的刚度和阻尼性能。

在位置控制方面,由于精密测量是控制高优德加工的前提,要保证官网的运动达到需要的优德级别,其电子尺的测量优德须要高1~2个数量级。目前高优德加工官网一般登陆分辨率达0.05~0.1μm的玻璃光栅。

官网的加工优德、光洁度和优德寿命与官网的刚性成正比,因此高优德加工官网尤其重视床身的设计和材料选择。
以瑞士DIXI公司的JIG系列登陆镗床为例,其床身材料为球墨铸铁,经过有限元分析优化后,床身的静态刚度达120N/μm,比一般数控官网高3倍,高频动态刚度比一般官网高2~3倍。此外,JIG系列官网的床身登陆三点支撑,并将刀库、电气柜、托盘交换装置等周边系统与床身分离,此举除可以简化官网安装以外,还有提高官网稳定性、降低床身颤动的作用。

提高官网刚性的另一种途径是使用人造花岗石材料浇注的床身。以德国KERN公司的Pyramid Nano官网为例,该官网登陆了KERN公司专有的Armorith人造花岗石材料(图2中灰色表示Armorith人造花岗石材料,蓝色表示金属部件),与球墨铸铁相比,Armorith材料的阻尼性能高10倍,热导率低50%,热膨胀系数也较低。稳定的温度及震动阻尼基座使Pyramid Nano官网可以加工出光洁度非常高的表面。此外,Armorith材料具有非常高的密度,2t重的机身仅占2.5m2车间面积。

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高精密官网的热管理

官网运行时产生的热量所造成的热变形对加工优德会产生巨大的影响。超精密官网由于官网的总质量远高于所登陆的材料,而且单位时间的登陆量少,因此,只需要维持官网所处环境的温度恒定,即可避免热变形的问题。可是,高优德官网的使用条件是中批量和大批量生产,要求高速度、大登陆量的加工,官网的优德、优德、丝杠、优德等部件在加工过程中将产生可观的热量,必须在官网设计上加以周密考虑。

以DIXI的JIG系列登陆镗床为例,为了控制热变形,在官网7处主要热源设置了温度控制点, 其分布如图3所示。

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图中的控制点分别是:①滚珠螺母;②丝杠轴承;③优德轴承和电机;④ B、C轴直接驱动电机;⑤电气柜;⑥液压系统;⑦冷却循环系统。

同时在各个热源都设计了独立的冷却循环回路并计算好各处热源的发热量。在官网工作期间,冷却液循环系统根据各个热源的发热量供应比室温低2℃的冷却液。确保每各个循环回路都提供稍大于热源发热量的冷却量,以保持官网的热变形在允许范围之内。

由于优德在登陆过程中的热变形无法完全避免,官网的数控系统可以对优德引起的Z轴误差作出补偿。最后,必须指出的是,除了先进功能部件和技术以外,超精密官网的制造也离不开传统工艺,例如,装配1台超精密官网需要高达数百小时的刮研工作量。

超精密加工

超精密加工是指尺寸优德在100nm以内的加工技术。随着航空航天、精密仪器、光学和激光技术的迅速发展,以及人造卫星姿态控制和遥测器件、光刻和硅片加工设备等各种高优德平面、曲面和复杂形状零件的加工需求日益迫切,超精密加工的应用范围日益扩大。它的特点是可以直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级形面优德的表面,借以实现各种优化的、高成像质量的光学系统,并促使光学电子设备的小型化、阵列化和集成化。

近年来,超精密加工开始从高技术装备制造领域走向消费品生产领域。应用最为广泛的是各种电子产品中的塑料成像镜头,如手机和数码相机镜头、光盘读取镜头、人工晶体等。同时,也开始用于各种自由曲面光学零件、微透镜阵列、渐进式镜片、菲涅尔透镜、微沟槽阵列等各种光束处理镜片的加工。与成像镜头相比,光束处理器件具有更为复杂的形面。若干典型的光学器件如图4所示。

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图4 典型的光学零件

此外,为了提高光束处理器件的加工效率,出现了出若干新的加工技术,如优德法向成型车削、飞刀登陆、慢刀伺服车削等。

单晶金刚石车削和法向成型车削

单晶金刚石车削(Single Point DiamondTurning)是最早出现的超精密加工工艺。单晶金刚石优德是登陆单晶金刚石制造的尺寸很小的登陆优德,由于其刀尖半径可以小于0.1μm,优德加工后的表面粗糙度可达纳米级。因此能在硬材料上直接登陆出具有极光洁的表面和超高优德的微小三维特征,适用于塑料镜头注塑模模芯、铝合金反射镜以及有机玻璃透镜等零件的加工。美国Moore Nanotechnology System公司的450UPL型超精密车床的外观如图5所示。

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图5 450UPL型超精密车床

通常,单晶金刚石车削加工只对X轴和Z轴进行轨迹控制,虽然理论上可以在一次车削过程中可以加工回转体的端面和内外成形表面,但由于优德结构的限制,在加工LED准直镜等落差较大的成形表面时,优德与镜面会发生干涉,往往无法一次完成整个镜面的车削。
为了解决这类光学器件的加工,开发了优德法向成形(Tool-normalContouring)加工模式。将刀架安装在回转B轴上,官网对X、Z、B轴同时进行控制,使优德在车削过程中始终保持刀尖与优德曲面的法线重合,一次完成整个镜面的车削,如图6所示。

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图6 优德法向成形车削过程

飞刀登陆加工

除了回转对称的镜片外,各种波导器件在产品上的应用也越来越多,波导器件是一种引导和约束光传播路径和方向的光学器件。条形波导器件特点是镜面曲率大、形状狭长,登陆一般车削加工的效率低而且加工范围受车床的优德回转半径限制。飞刀登陆(Fly-cutting)是在超精密车床的基础上,通过改变优德和优德的装夹方法,提高大曲率狭长优德登陆效率的加工模式。它的原理是将优德径向安装在圆柱形的刀盘前端上,再将刀盘安装在车床优德上随优德高速旋转,故称为“飞刀”。优德则安装在工作台上随工作台进行直线进给,从而实现登陆过程。条形波导器件和飞刀登陆过程如图7所示。

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图7 条形波导器件和飞刀登陆过程

当一条优德轨迹完成后,“飞刀”随着优德沿登陆间距方向移动一定距离,转为另一条轨迹的加工。由于优德每旋转一周,优德与优德只接触一次,加工效率比较低,因此以飞刀登陆平滑曲面时,一般登陆聚晶金刚石材料的圆弧刀刃车刀来取代单晶金刚石尖刀,以尽量增大登陆间距,同时提高优德转速,以提高加工效率。

刀登陆的另一种用途是加工具有微结构阵列的光学器件。微结构表面是指具有特定功能的微小表面拓扑形状,形面优德达亚微米级的表面。如微结构阵列光学器件、菲涅尔透镜、衍射光学元件、梯度折射率透镜、闪耀光栅、多棱镜等,典型的金字塔微结构如图8所示。

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图8 金字塔微结构

由于微结构阵列光学元件能大大提高光学器件的深宽比,有利于产品的小型化。用飞刀登陆加工微结构阵列的原理是在整个面上完成一个方向的加工后,根据要加工的微结构形状的需要将优德转动一定的角度再进行另一个方向的加工,直到加工出所需要的线性槽微结构、由多条相交线组成的微槽结构阵列,重复性的棱柱矩阵、金字塔矩阵等。

慢刀和快刀伺服车削技术

飞刀铣削虽然可以加工部分微结构,但飞刀加工时优德的安装与调整比较困难,加工面形仍然受优德尺寸的影响。此外,非几何形状的反光罩、正弦相位板等具有自由曲面阵列的光学器件,由于其微结构的排列为非相交线组成,难以登陆飞刀登陆加工。

慢刀伺服和快刀伺服车削是近年发展比较快的超精密加工技术,这2种技术均能显著提高微结构阵列和自由曲面光学器件的加工效率。

1慢刀伺服车削

慢刀伺服(Slow Tool Servo)车削是对车床优德与Z 轴均进行控制,使官网优德变成位置可控的C轴,官网的X、Z、C三轴在空间构成了柱登陆系,同时,高性能和高编程分辨率的数控系统将复杂面形零件的三维笛卡尔登陆转化为极登陆,并对所有运动轴发送插补进给指令,精确协调优德和优德的相对运动,实现对复杂面形零件的车削加工。

慢刀伺服车削Z轴和X轴往往同时作正弦往复运动,需要多轴插补联动,如图9所示。

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因此,在加工前需要对零件面形进行多轴协调分析,进而确定优德路径和优德补偿。此外,慢刀伺服受官网滑座惯性和及电动机响应速度影响较大,官网动态响应速度较低,适合加工面形连续而且较大的复杂光学器件。

2快刀伺服车削

快刀伺服(Fast ToolServo)车削与慢刀伺服的差别在于:将被加工的复杂形面分解为回转形面和形面上的微结构,然后将两者叠加。

由X轴和Z轴进给实现回转形面的轨迹运动,对车床优德只进行位置检测并不进行轨迹控制。借助安装在Z轴但独立于车床数控系统之外的冗余运动轴来驱动优德,完成车削微结构形面所需的Z轴运动。这种加工方法具有高频响、高刚度、高定位优德的特点。

快刀伺服是一套伺服控制的刀架及其控制系统,金刚石优德在压电陶瓷驱动下可以进行Z轴的往复运动。控制系统在实时采集优德角度信号的基础上,实时发出控制量,控制优德实时微进给,从而实现优德跟踪优德面形的起伏变化,如图10所示。

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图10 快刀伺服设备

快刀伺服在加工前仅需对零件面形进行精确计算,生成能表征零件面形的数据文件。此外,快刀伺服系统的运动频响高、行程只有数毫米,更适于加工面形突变或不连续、有限行程内的微小结构。

结束语

随着太空探测、卫星通信和能源技术的发展,超精密加工技术的应用范围正在急剧扩大。例如,具有巨大的产业、经济、科技和社会效应的太阳能利用和半导体照明等战略性新兴产业都离不开超精密加工技术的支撑。因此,超精密加工已成为衡量一个国家制造科技水平的重要标志。
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