大理石平板的設計跟組成精度<一>、微細切削機床的床身設計
機床的床身采用天然大理石整體加工而成，由于天然大理石硬度高、密度高，可以增加機床床身整體的阻尼系數(shù)，提高機床整體隔震性能，大理石平板避免加工過程中由外力引起機床振動的現(xiàn)象。同時，天然大理石材質(zhì)致密、硬度高，使用磨削加工可至鏡面級精度，加之經(jīng)過長期的天然時效處理，其組織結(jié)構(gòu)均勻，線性膨脹率極低，表面無內(nèi)應力，因此特別適合加工成氣體靜壓支承結(jié)構(gòu)的長直型導軌，有利于提高導軌的精度、剛度、直線度。
機床導軌采用封閉式氣體靜壓支承形式，其工作原理是將具有一定壓力的氣體，經(jīng)調(diào)壓閥和節(jié)流器(小孔截流原理的氣孔)輸送到導軌表面，再通過出氣孔流出，氣體流動在滑塊與導軌之間形成了穩(wěn)定的空氣薄膜，即為承載氣膜，可使導軌與滑塊之間處于氣體摩擦狀態(tài)。氣浮滑塊由4塊鋁合金板組成形如“口”形的結(jié)構(gòu)，滑塊上部與載物臺相連接，氣浮導軌穿過口字型中部，滑塊內(nèi)部有可連通的氣路，當外部通入高壓氣體，經(jīng)過滑塊內(nèi)部氣路，從滑塊表面若干的微小氣孔流出，可以在滑塊和導軌之間形成具有一定壓力和剛度的氣膜，并在滑塊的4個角落設置有出氣口，以導軌運動時，氣膜具有一定的流動性。在氣膜作用下，滑塊連接的載物臺就可以在導軌上平穩(wěn)移動。其特點是：滑塊與空氣膜的摩擦系數(shù)，幾乎可以忽略不計，摩擦力小，滑塊移動時僅需要克服其自身質(zhì)量所引起的慣性力，有利于提高運動控制系統(tǒng)的控制精度；其承載的重量由氣膜剛度決定，而氣膜剛度取決于氣膜的壓力和氣膜的面積。從圖中可知，該滑塊的面積較大，其承載能力遠大于微細切削的載荷，可將氣膜視為剛體；導軌的運動速度對氣膜厚度影響很小，導軌移動直線度較高。因此，該種導軌形式適用于機床的進給運動系統(tǒng)上。
但是氣體靜壓承載式導軌也存在其缺陷，如帶有粘性粉塵的空氣進入氣孔會導致氣孔堵塞的現(xiàn)象。因此其對環(huán)境和壓縮氣體的潔凈度有較高要求，一般采用三級過濾的壓縮空氣，并減少或不使用油霧型切削液，以降低空氣中粘性顆粒的數(shù)量，保持氣路的通暢。滑塊出氣孔很小的導軌甚至需要使用無油型的空氣壓縮機；氣浮滑塊需要加工復雜通氣小孔，因此只能使用加工性能較好的金屬材料(如鋁合金)，但由于與導軌并不是一種材料，其熱膨脹率不相同，加上氣膜厚度較小(一般為5~15μm，氣膜過大會導致氣膜剛度急劇下降，承載能力降低；太小則會引起氣路中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，引起氣浮滑塊的急劇振動)，在氣溫變化時會導致滑塊與導軌之間間隙發(fā)生變化，從而影響氣膜的厚度。例如導軌裝配時為20℃，大理石與鋁合金的線膨脹系數(shù)差值約為0.8μm/℃，當室溫與裝配時溫度差大于15℃的情況下，氣膜剛度就會減少12μm，氣膜剛度急劇下降。溫差繼續(xù)增加，甚至會發(fā)生大理石導軌與氣浮滑塊干涉的現(xiàn)象，因此，該設備的運行需要嚴格的環(huán)境溫度控制。
<二>、某微小型超銑削機床的組成與精度
隨著技術的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的高品質(zhì)和小型化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。與之對應的超微細加工技術亦是當前機械制造與技術領域的前沿和熱點。
超加工技術是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和技術的發(fā)展基礎，大理石劃線平臺是現(xiàn)代制造的發(fā)展方向。隨著光學、航空航天和工業(yè)等領域需求的不斷提高，由MEMS帶來的基于硅半導體制造工藝的微細加工技術已經(jīng)不能滿足加工多種材料和復雜3D形狀的要求，故采用傳統(tǒng)的機械加工方法進行微細制造的研究受到人們的重視。
與傳統(tǒng)的加工機床相比，微小型機床具有低成本、及高柔性的特點，成為開展微細切削加工研究的重要裝備。近年來，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、北京航空航天大學等單位相繼開展了微小型機床方面的研制工作，但主要以微米級精度的實驗樣機為主，難以滿足很高加工精度的需要。為此，我們在前期研究的基礎上，開展了亞微米級精度的微小型機床的研究。
一、微小型機床的組成
為亞微米級的精度要求，對機床的結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)設計均提出了非常高的要求，主要滿足以下原則：高分辨率的運動控制精度、高靜/動態(tài)剛度和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。
研制的三軸聯(lián)動微小型超微細銑削機床，采用立式龍門結(jié)構(gòu)布局，機床總體尺寸為600mmx500mmx700mm，XYZ三軸的工作行程均為75mm。該機床由龍門式床身、高速電主軸、進給驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電氣液控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等組成。
1、床身
機床床身采用花崗巖材料。與鑄鐵材料相比較，花崗巖物理性能穩(wěn)定，具有很好的剛性、吸振性及熱穩(wěn)定性，能機床在運行中保持很高的機械精度和熱穩(wěn)定性。
2、主軸
目前，微細銑削加工使用的刀具多為直徑0.1~1mm的硬質(zhì)合金刀具。為達到材料去除的切削速度，要求主軸有高的轉(zhuǎn)速；同時，為了滿足亞微米精度的加工，要求主軸的軸向和徑向跳動小。通過比較分析，決定使用英國Loadpoint公司專門為微細加工而研制的高速電主軸。該主軸采用氣體靜支撐，軸向和徑向跳動均小于0.125μm，較高轉(zhuǎn)速可達120000r/min，可以輕易實現(xiàn)0~120000r/min任意轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。
3、進給驅(qū)動系統(tǒng)
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