超精密静压支承部件及其在超精密加工机床的应用.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ００２ 收稿日期 ２０１４－０９－２２ 基金项目 中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室重点资助项目 （Ｋ８５５； Ｋ８５６） 作者简介 胡秋 （１９７１）， 男， 工学硕士， 高级工程师， 主要研究方向为复杂机电系统集成、 超精密加工机床及关键功能 部件研发。 Ｅ－ｍａｉｌ ｈｕｑｕｍａｓｔｅｒ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 通信作者 李梦阳， Ｅ－ｍａｉｌ ｍｙｌｉｍｅｎｇｙａｎｇ＠ ｇｍａｉｌ􀆱 ｃｏｍ。 超精密静压支承部件及其在超精密加工机床的应用 胡秋１，２， 夏仰球１，２， 米良１，２， 李梦阳１，２ （１． 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所， 四川绵阳 ６２１９００； ２． 中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室， 四川绵阳 ６２１９００） 摘要 超精密加工技术与装备在近年得到极大发展。 超精密静压部件是超精密加工装备关键共性部件。 以平面气体静 压支承为例， 介绍了静压支承基本工作原理。 对超精密液体／ 气体静压主轴、 导轨和转台的结构特点、 技术特性、 应用场 合作了较全面的介绍； 以典型超精密加工机床为例， 介绍静精密静压主轴、 导轨和转台在超精密加工机床中的应用。 关键词 静压支承； 超精密静压部件； 超精密加工机床； 应用 中图分类号 ＴＧ５０２ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－００４－３ Ｕｌｔｒａ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｕｌｔｒａ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ ＨＵ Ｑｉｕ１，２， ＸＩＡ ＹａｎｇＱｉｕ１，２， ＭＩ Ｌｉａｎｇ１，２， ＬＩ Ｍｅｎｇｙａｎｇ１，２ （１． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２１９００， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｕｌｔｒａ⁃ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２１９００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｕｌｔｒａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． Ｕｌｔｒａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｃｏｍｍｏｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ⁃ ｔｉｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ／ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｐｉｎｄｌｅ， ｇｕｉｄｅ⁃ｗａｙ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｒｏｕｎｄｌｙ． Ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｕｌ⁃ ｔｒａ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ／ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｐｉｎ⁃ ｄｌｅ， ｇｕｉｄｅ⁃ｗａｙ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ； Ｕｌｔｒａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； Ｕｌｔｒａ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ； Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 航空航天、 精密仪器、 光学和激光技术的迅速发 展促进了超精密加工技术的应用， 近年来， 超精密加 工更是开始走向消费品生产领域［１－３］。 超精密加工机床是超精密加工的物质基础， 它可 以直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级面形 精度的表面。 静压支承部件作为高精度的运动部件， 具有运动平稳和运行精度高的优点， 已成为超精密加 工装备支承元器件的首选。 超精密加工装备方面， 静 压技术被广泛应用于主轴、 导轨和转台等关键功能部 件中［４］。 １ 超精密静压部件 传统的机械接触式运动副之间不可避免地产生摩 擦和发热， 制约了这类机械结构的运动精度。 在超精 密运动副设计中， 非接触式的静压支承取代机械接触 式的运动副， 可有效避免传统机械接触带来的摩擦损 耗、 发热、 变形和振动等问题［５－６］。 静压支承是指通过液／ 气源向支承内部供给具有 一定压力的流体， 流体通过节流器后充满压力腔， 并 流入底面与支承平面之间， 形成压力薄膜， 从而实现 承载和润滑作用的一种非接触式支承方式。 图 １ 为气 体静压平面支承原理图， 其中 ｐＳ为静压支承外部供 气压力， Ｗ 为静压支承所受外载荷， ｈ１、 ｈ２分别为静 压支承受外载荷前、 后气膜间隙， ｐ１、 ｐ２分别为静压 支承受外载荷前、 后气膜面压力分布。 图 １ 静压支承原理图 静压支承之所以能获得很高的精度， 在于其气／ 油膜误差均化作用， 实践经验证明 静压支承元件误 差均化作用系数可达 ４～ ５ 倍， 这大大降低了主轴零 部件的制造精度。 １􀆱 １ 超精密静压主轴 超精密主轴是超精密加工机床关键功能部件之 一。 一台超精密加工设备的精度高低， 很大程度上由 其主轴回转精度决定。 基于静压支承技术的主轴部件几乎是超精密主轴 的唯一选择。 静压主轴部件包括气体静压主轴部件和 液体静压主轴部件 （见图 ２）。 由于气／ 油膜的误差均 化作用， 故其可以获得极高的回转精度［４，７］。 图 ２ 超精密静压主轴 气体静压主轴部件的主要特点在于摩擦功耗极 小， 主轴可以获得极高的转速， 这是液体静压主轴不 具有的优点。 一般超精密气体静压主轴最高转速可达 数万转每分钟， 其全速域动态回转精度达到 ５０ ｎｍ， 但刚度和承载能力相对较低。 液体静压轴承一般使用的液体是液压油， 其黏度 为空气的 ５ ０００～ １０ ０００ 倍， 供给压力大， 液体静压 主轴则可获得大的刚度和承载能力， 重载静压主轴刚 度可达 １ ０００ Ｎ／ μｍ 以上。 但由于受高速运转时油膜 的剪切作用， 高速时摩擦发热较大， 故主轴最高转速 相对受到限制。 它主要用于高刚度、 重载场合， 例如 超精密磨削主轴、 车床主轴等［８－１０］。 １􀆱 ２ 静压导轨技术 导轨用于支承并引导运动部件使之沿规定的轨迹 作准确运动， 也是机床安装的基础， 导轨是超精密加 工机床另一个关键部件。 导轨的基本要求为导向精度 及精度保持性、 刚度与承载能力、 低速运动平稳性、 无爬行［５－６］。 从支承元件介质来分， 静压导轨有气体静压导轨 图 ３ 超精密气浮导轨 （图 ３） 和液体静压 导轨 （图 ４） 之分。 与主 轴一 样， 气体 静压导轨可以获得 较 大 的 运 行 速 度， 且环境清 洁， 多用 于超精密仪器或者 轻载机床。 当今气体静压导轨运动直线度可以达到 ０􀆱 １ μｍ／３００ ｍｍ 亚微米级的水平， 由于空气摩擦因数 极低， 故可以获得很高的运行速度［８－９］。 图 ４ 超精密液体静压导轨 液体静压导轨则能获得较大的刚度和承载能力， 同时液体静压导轨所用介质为油， 黏度大， 可以获得 良好的阻尼特性。 图 ４ 展示了液体静压导轨和直线导 轨抗振性对比， 可以明显看出 液体静压导轨抗振性 明显优于气体静压导轨［１０－１２］。 １􀆱 ３ 静压转台技术 超精密液体静压转台是超精密加工装备与仪器关 键功能部件之一， 静压转台采用静压支承技术， 支承 处于纯流体润滑条件下工作， 静摩擦因数极小， 启动 转矩小， 运转灵敏， 无爬行； 承载能力大， 刚度高； 零磨损， 使用寿命长； 承载介质的误差均化作用使得 静压转台具有极高的回转精度。 由于具有上述一系列 优点， 静压转台得到人们的重视和应用［１３］。 静压转台分为空气静压转台和液体静压转台， 由 于二者在刚度和承载能力等方面的差别， 空气静压转 台更多用于各种高端仪器中。 圆度仪是机械加工行业 最常见的检测仪器之一， 超精密气体静压转台则是其 关键功能部件之一， 其回转精度可达 ２５ ｎｍ。 如图 ５ （ａ）为一个配合使用多维调整装置的超精密空气静 压转台。 如果把这种超精密空气静压转台再配以超精密反 馈元件， 则这种转台本身就是一台超精密仪器。 瑞士 ＫＵＮＺ 公司 ＲＴ３００ 超精密转台 （图 ５ （ｂ） ） 分度精 度可达 ０􀆱 ５″， 分辨率可达 ０􀆱 ０１″， 重复性误差可达 ０􀆱 ０２″。 它可用于实验室角度基准计量测试［１４］。 图 ５ 超精密气体静压转台 ５第 ２２ 期胡秋 等 超精密静压支承部件及其在超精密加工机床的应用 超精密液体静压转台由于其极高的动态回转精度 和高刚度、 高承载能力和良好的阻尼特性， 因而在超 精密加工设备中得到良好的应用［１０］。 ２ 静压部件在超精密加工机床中的应用 超微细结构加工是当前超精密加工领域的热点， 应用非常广泛， 如各种显示器件 （电视机、 笔记本 电脑、 手机等显示单元）、 印刷品、 灯具及其他光学 器件等。 微结构形状有 Ｖ 型、 金字塔型、 球型、 棱 柱等多种形式。 其加工深度一般约为结构深度 ５～５０ μｍ 左右， 表面粗糙度控制在 １０ ｎｍ 以下， 加工精度 很大程度由加工机床决定。 这种微结构主要采用超精密多轴金刚车进行加 工， 目前这种机床国际上生产厂家有美国 ＭＯＯＲＥ、 德国 ＫＵＧＬＥＲ、 日本东芝等少数几个厂家［８－１０］。 图 ６ 为微结构及其加工示意图。 图 ６ 微结构结构及加工示意图 图 ７ 为美国 ＭＯＯＲＥ 公司的 ＨＤＬ２０００ 型超精密数 控鼓形车床， 机床最大加工直径达 ６００ ｍｍ， 最大加 工长度为 ２ ０００ ｍｍ， 工件最大质量为 ３ ０００ ｋｇ。 在 ＭＯＯＲＥ 这台超精密数控鼓形车床中， 静压支承技术 发挥得淋漓尽致［１５］。 图 ７ ＭＯＯＲＥ 公司的 ＨＤＬ２０００ 型超精密数控鼓形车床 该机床头架主轴、 尾座主轴均采用超精密液体静 压支承技术， 其径向刚度达到 ８７５ Ｎ／ μｍ， 动态回转 精度达到 １００ ｎｍ 以下； Ｂ 轴采用液体静压转台， 其 定位分辨率为 ０􀆱 ０２ 弧度秒； 重复定位精度为 ２ 弧 度秒； ３ 根线性进给轴均采用重型液体静压导轨， 其 中 Ｘ 轴直线度达到 ０􀆱 ５ μｍ／３５０ ｍｍ， Ｚ 轴直线度达到 １ μｍ／５００ ｍｍ。 机床极高的几何精度和位置精度保证 了微结构加工精度。 图 ８ ＨＤＬ２０００ 金刚车各种静压部件 ３ 展望 静压支承技术是一门古老的学科， 但由于其制造 系统复杂， 相对成本较高， 在相当长的时间并非机床 功能部件主流支承方式。 近年来， 随着超精密加工技 术与装备的发展， 由于静压支承能达到极高精度， 故 静压主轴、 静压导轨和静压转台几乎成了超精密加工 机床关键功能部件支承方式的首选。 随着航空航天、 精密仪器、 光学和激光技术等先 进技术的发展， 超精密加工技术将会得到更迅速的发 展， 与之相适应的， 静压技术及与之相应的超精密静 压部件也将得到新的发展。 参考文献 ［１］ ＬＵＯ Ｘｉｃｈｕｎ，ＣＨＥＮＧ Ｋａｉ，ＷＥＢＢ Ｄａｖｅ，ｅｔ ａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｌ⁃ ｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ Ｍａｎｕｆａｃ⁃ ｔｕｒｅ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａ⁃ ｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５（５）５１５－５２８． ［２］ 张曙，卫汉华，谭惠民，等．高精密和超精密机床［Ｊ］．航 空制造技术，２０１２（９）４０－４４． ［３］ 李圣怡，朱建忠．超精密加工及其关键技术的发展［Ｊ］． 中国机械工程，２０００（１）１７７－１７９． ［４］ 盖玉先，董申．超精密加工机床的关键部件技术［Ｊ］．制 造技术与机床，２０００（１）７－１０． ［５］ 陈燕生．液体静压支承原理和设计［Ｍ］．北京国防工业 出版社，１９８０． ［６］ 庞志成．液体气体静压技术［Ｍ］．哈尔滨黑龙江人民出 版社， １９８１． （下转第 ２４ 页） ６机床与液压第 ４３ 卷 ３􀆱 ２ 模具内部加振 一般来讲， 振动属性会随着与振动源距离的增大 而逐渐衰减， 对于高黏度聚合物来说， 其衰变更为明 显， 而将振动源直接引入模具内部， 可以更好地发挥 对模腔中熔体动态控制的效果。 （１） 注射模加振。 如图 ７ 所示为注射模内加振的 结构示意。 压电陶瓷致动器 １０ 直接与模具内部的型芯 ６ 固结。 当聚合物熔体充填进入模腔时， 就可以通过 计算机将设定的信号传输给驱动电源， 从而控制压电 陶瓷致动器产生变形， 与弹簧 ９ 共同作用， 推动型芯 实现纵向往复振动， 实现熔体动态的保压和冷却过程， 以消除制件的内外缺陷， 提高其整体质量和性能。 图 ７ 压电陶瓷驱动注射模具示意图 （２） 挤出模加振。 如图 ８ 所示为管材挤出模内 加振的结构示意。 图 ８ 压电陶瓷驱动管材挤出模具示意图 压电陶瓷致动器 ２ 与振动头 １４ 固结， 同样在计 算机和驱动电源的信号控制下， 与弹簧 ３ 共同的作用 带动振动头产生纵向大加速度的往复振动， 大大提高 分子链的解缠变稀能力， 减小流动阻力， 同时使分子 链沿挤出方向达到预期的取向效果， 从而明显增加挤 出件纵向的物理机械性能。 同理该装置也可以用于其 他各类需要引入振动的挤出模具中。 ４ 结论 通过运用 ＴＲＩＺ 冲突解决工具和构建物－场模型 对动态成型装置的分析， 帮助人们突破思维障碍， 系 统性地分析现有液压致动装置工作中存在的问题， 快 速找出问题的本质和冲突， 从而根据 ＴＲＩＺ 提供的发 明原理和解决思路， 快速找到利用压电陶瓷致动器替 代液压致动器的解决方法。 从实现振动功能的完整性 和有效性来看， 解决了液压振动装置存在的问题， 消 除了技术冲突并有效地去除了有害效应， 达到了期望 的目标。 当然文中只是应用 ＴＲＩＺ 原理提出了解决问 题的一种新的思路， 实际应用还有待进一步研究和 验证。 参考文献 ［１］ 吴显，郭超，钱心远，等．振动注射成型对聚合物性能影 响的研究进展［Ｊ］．工程塑料应用，２０１０，３８（４）９３－９６． ［２］ ＺＨＡＮＧ Ｊ，ＱＩＡＮ Ｘ Ｙ，ＬＩＵ Ｆ Ｈ，ｅｔ ａｌ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｒ⁃ ｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＰＰ／ ＨＤＰＥ Ｂｌｅｎｄ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１４， ６（３）７０８－７１６． ［３］ 杨智韬，高军，瞿金平．振动力场对注射制品取向结构影 响研究［Ｊ］．中国塑料，２００９， ２３（１）７７－８１． ［４］ 赵锋．ＴＲＩＺ 理论及应用教程［Ｍ］．西安西北工业大学出 版社，２０１０． ［５］ 唐志舵．基于 ＴＲＩＺ 的机械产品创新设计研究［Ｄ］．天津 天津理工大学，２０１１１－２３． ［６］ 李平平，任工昌，陈红柳，等．基于 ＴＲＩＺ 的注塑机注射机 构及成型工艺创新设计［Ｊ］．机床与液压， ２０１４，４２（９） ８１－８３． ［７］ 刘志峰，杨明，张雷．基于 ＴＲＩＺ 的可拆卸连接结构设计 研究［Ｊ］．中国机械工程， ２０１０，２１（７）８５２－８５９． ［８］ 沈剑英，张海军，赵云．压电陶瓷驱动器杠杆式柔性铰链 机构放大率计算方法［Ｊ］．农业机械学报，２０１３，４４（９） ２６７－２７１． ［９］ 赵雅彬．基于压电陶瓷致动器的机械振动控制器设计研 究［Ｄ］．北京北方工业大学，２０１４１－３６． ［１０］ 李益盼．基于柔性铰链型位移放大机构的高速喷射点 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