精密拋光機(jī)
一般地說,當(dāng)設(shè)計新的加工拋光機(jī)和加工設(shè)備時,***先必須就其用途、工件特點、加工條件、加工精度、加工效率和維修等進(jìn)行充分研究,同時還要就其功能、特點和精度進(jìn)行徹底的探討和歸納,此外,還要就結(jié)構(gòu)設(shè)計、元部件技術(shù)、材料特性和控制技術(shù)等問題進(jìn)行綜合性研在設(shè)計超精密加工拋光機(jī)時,***先需要注意以下幾點:
1)為實現(xiàn)亞微米加工精度,***先要滿足超精密加工拋光機(jī)的工作條件和工作環(huán)境的要求。
2)在特定的工作環(huán)境中使用,對加工拋光機(jī)的設(shè)計和操作都是有利的,不理解這一點,就不能合理地進(jìn)行超精密加工拋光機(jī)的設(shè)計。
3)在超精密加工的環(huán)境中,***需要注意的是溫度、振動和污染的問題。如不能滿足這些條件,則不能獲得所期望的工作特性超精密加工拋光機(jī)的設(shè)計目前尚無一套成熟的設(shè)計方法,往往是在已有經(jīng)驗和使用情況的基礎(chǔ)上,進(jìn)行拋光機(jī)的設(shè)計現(xiàn)參考國外一些資料,以非球面加工拋光機(jī)為例,把超精密加工拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計歸納如下:
1.超精密拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本思想
(1)結(jié)構(gòu)上盡可能地提高剛度 一般來說,亞微米級的精度需要有高剛度的結(jié)構(gòu)來支持如果沒有與之對應(yīng)的高支承剛度也不能有高的運動精度。因此,精度和剛度的要求是一致的不能把它們割裂開來考慮。
(2)結(jié)構(gòu)要簡單 為了獲得高剛度結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)必須盡量簡單。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,零件數(shù)量越多,作用力在傳遞過程中受彈性變形和熱的影響就變得越復(fù)雜,運動誤差就越大。因此，能夠使精度高、結(jié)構(gòu)簡單,傳動路程短,零件少,則是合理的結(jié)構(gòu)。
(3)床身的特點 為了提高拋光機(jī)本身的剛度和獲得高的平面度以及容易分析因溫度變化引起的復(fù)雜熱位移等,床身形狀要簡單、質(zhì)量要大、固有振動頻率要低。床身導(dǎo)軌是拋光機(jī)組裝時的精度基準(zhǔn),所以要求要有同測量平面一樣的平面度和形狀精度。另外,為了避免加工中產(chǎn)生的振動影響,其質(zhì)量要大,振動衰減特性要***。因此,床身的材料多采用天然花崗巖和鑄鐵。外,為了防止地面?zhèn)鱽淼恼駝?拋光機(jī)必須采用氣墊支承。
(4)定位機(jī)構(gòu) 在非球面加工拋光機(jī)上,形狀糖度受工件和刀具間相對位置關(guān)系所支配。因此,定位精度是很重要的,而且超精密加工拋光機(jī)的定位方式應(yīng)采用閉環(huán)控制方式,進(jìn)給的分辨力必須是10m或更高。
(5)自動化 對于實用的多面體反射鏡加工拋光機(jī)以及更高精度的非球面加工拋光機(jī)等,***先考慮的是加工糟度,所以在大多數(shù)情況下,不太考慮加工效率。因此,工件的裝夾與拆卸等沒有必要進(jìn)行自動化。
一般認(rèn)為,越是高精度加工,越允許較低的加工效率,但為了加工條件的穩(wěn)定和進(jìn)行溫度控制及防污染,加工現(xiàn)場******不留人。因此,加工系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是簡單的,個別部位的自動化與其說是為了提高效率,不如說是為了維持高的加工精度。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)
綜絲拋光機(jī)
(1)精度設(shè)計 所謂精度設(shè)計,就是從精度方面考慮,來設(shè)計達(dá)到這一精度的拋光機(jī)結(jié)構(gòu)概括的說,精度設(shè)計就是:
1)在達(dá)到加工產(chǎn)品所要求精度的前提下,確定拋光機(jī)***經(jīng)濟(jì)的精度。
2)為達(dá)到產(chǎn)品的這一精度,確定拋光機(jī)的***合理、***經(jīng)濟(jì)的運動精度。
設(shè)計超精密加工拋光機(jī)時,***先要明確目標(biāo)糟度,包括加工產(chǎn)品的目標(biāo)精度和拋光機(jī)的目標(biāo)精度。這是開發(fā)超精密拋光機(jī)的目的意義所在。
在產(chǎn)品的計劃階段中,***先要從用途、功能到必要的特性和性能、附加價值和市場性、以及將來的發(fā)展方向、產(chǎn)品壽命等方面充分考慮產(chǎn)品的精度,然后設(shè)定產(chǎn)品的目標(biāo)精度根據(jù)所確定的產(chǎn)品的精度,確定與之相適應(yīng)的拋光機(jī)的精度。拋光機(jī)的目標(biāo)精度當(dāng)然要高于產(chǎn)品的目標(biāo)精度,但是理想的拋光機(jī)目標(biāo)精度要根據(jù)產(chǎn)品的精度、拋光機(jī)的特性及耐久性(精度壽命)等來決定。一般情況下,拋光機(jī)的精度******比產(chǎn)品的精度高一個量級。
拋光機(jī)的精度包括靜態(tài)精度和高速運轉(zhuǎn)時的動態(tài)精度。兩者都與產(chǎn)品的加工精度有直接的關(guān)系。拋光機(jī)的靜態(tài)精度是由拋光機(jī)部件的精度、裝配精度、零件精度和零部件的靜態(tài)彈性變形確定的;在拋光機(jī)上進(jìn)行裝卸工件和刀具,進(jìn)行實際加工時,由于工件和刀具自重或重心的移動而產(chǎn)生的彈性變形量的變化、由于發(fā)熱而產(chǎn)生的尺寸變化,以及振動的影響等都會使動態(tài)精度降低。超精密加工中,要特別重視動態(tài)精度。
總之,根據(jù)目標(biāo)精度設(shè)計超精密加工拋光機(jī)時,精度是**位的,必須嚴(yán)格地以精度為中心進(jìn)行設(shè)計。要打破現(xiàn)有精度的束縛確定目標(biāo)精度,從性能方面研究結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài),以及拋光機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性。
此外,為了提高拋光機(jī)的精度,必須盡可能減少結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量,使結(jié)構(gòu)簡單,極力抑制誤差。因為,增加構(gòu)件和力的傳遞元件的數(shù)量,誤差也會隨之增加,彈性位移量就變大。在結(jié)構(gòu)簡單的同時,必須使結(jié)構(gòu)本身具有極大的剛度。如盡量用大的支承構(gòu)件,即增大構(gòu)件間的接觸面積,極力避免懸臂支承而采用兩端支承,等等。
(2)強(qiáng)度設(shè)計 一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計是以強(qiáng)度設(shè)計為基礎(chǔ)的,因此,強(qiáng)度設(shè)計***于精度設(shè)計進(jìn)行。但在設(shè)計超精密拋光機(jī)時,***先要進(jìn)行精度設(shè)計。
進(jìn)行一般機(jī)械設(shè)計時,其指導(dǎo)思想是重量盡可能的輕、動作要靈活,而且以占用空間小功能多、高效率、便于操作作為評價標(biāo)準(zhǔn)。因此,設(shè)計時應(yīng)確定***大許用載荷或***大許用應(yīng)力,使之等于外力與安全系數(shù)的乘積。在材料強(qiáng)度允許的范圍內(nèi),盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸和重量。
可是,這種強(qiáng)度設(shè)計的方法在超精密拋光機(jī)設(shè)計中是不重要的。超精密加工拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,***重要的是精度,為了嚴(yán)格的達(dá)到某一目標(biāo)精度,其他都處于次要的位置。
超精密加工拋光機(jī)容易出現(xiàn)問題的不是強(qiáng)度,而是由于彈性而引起的極其微小變形。無須說明,在超精密加工中,加工精度的數(shù)量級已經(jīng)與通常認(rèn)為的零部件的彈性變形量相近,甚至已經(jīng)小于彈性變形量
(3)控制設(shè)計當(dāng)拋光機(jī)工作時,要步進(jìn)進(jìn)給或加工非球面時,控制技術(shù)極其重要。但對只是為了提高操作性和自動化而采用控制技術(shù)時要特別慎重,不要使控制機(jī)構(gòu)對精度產(chǎn)生影響。因此,在超精密拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中,***先保證達(dá)到目標(biāo)精度,再考慮加工效率和操作性。
(4)剛度設(shè)計前面已經(jīng)論述,由于零部件的彈性而引起的變形,對超精密加工拋光機(jī)的運動精度影響***大,必須加以考慮。在特定的外力作用下,彈性變形的大小是由材料的彈性系數(shù)及零部件的剛度決定的。因此,超精密加工拋光機(jī)中,精度與剛度有直接的關(guān)系,應(yīng)當(dāng)使它們致。要提高剛度,應(yīng)先選用彈性系數(shù)大的材料,但是要注意即使彈性系數(shù)大,如果密度大,重量也會大,因而由于自重的影響而引起的變形也會很大。
從結(jié)構(gòu)上講,在簡單的同時,還必須使結(jié)構(gòu)本身具有極大的剛度。因此,盡量用大的支承構(gòu)件,即增大構(gòu)件間的接觸面積,要極力避免懸臂支承而應(yīng)采用兩端支承剛度與精度有著密切的關(guān)系,所以需要特別注意。除靜剛度外,對動剛度也必須認(rèn)真探討。
(5)防振設(shè)計在超精密加工中,一定要極力抑制加工拋光機(jī)自身的振動。振動源為驅(qū)動電動機(jī)、進(jìn)給絲杠等傳動裝置、軸頸軸承及平面導(dǎo)軌、以及所有進(jìn)行相對運動的部分。
(6)防熱變形的設(shè)計拋光機(jī)中幾乎運動部分都會發(fā)熱,電動機(jī)、滾動軸承和靜壓軸承的軸頸部分是主要的熱源,滑動導(dǎo)軌在高速運動時發(fā)熱也很嚴(yán)重。
(7)材料選用在評價超精密加工拋光機(jī)的構(gòu)成材料是否合適時,應(yīng)當(dāng)考慮彈性系數(shù)與密度比值大小,應(yīng)選用比強(qiáng)度大的材料。因此,原來的碳素鐵系材料已經(jīng)不能滿足超精密加工拋光機(jī)的要求。陶瓷材料,彈性系數(shù)大,密度小,被認(rèn)為是拋光機(jī)結(jié)構(gòu)中***適合的結(jié)構(gòu)材料。
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