精密加工技術與檢測精密切削加工機床精密切削加工機床精密機床是實現(xiàn)精密加工的先決條件，隨著加工精度要求的提高和精密加工技術的發(fā)展，機床的精度不斷提高，精密機床獲得了迅速的發(fā)展。美國的典型超精密機床美國是世界上開發(fā)研制超精密機床最早、發(fā)展過程最完整、現(xiàn)在的水平最高的國家。典型的超精密機床也多以美國的超精密機床為主UNIONCARBIDE的半球車床

1962年，UnionCarbide公司成功研制最早期的使用金剛石刀具實現(xiàn)超精密鏡面切削的半球車床，即所謂的1號車床UNIONCARBIDE的半球車床

轉精度能達到0.125μm加工φ100㎜的半球尺寸精度±0.6μm,表面粗糙度Ra=0.025μmMOORE車床1968年，MooreNanotechnologySystem公司成功研制可用于各種非球曲面的鏡面加工的“Moore”車床刀具法向成形（Tool-normalContouring）加工模式，將刀架安裝在回轉B軸上使刀具在車削過程中始終保持刀尖與工件曲面的法線重合，一次完成整個鏡面的車削MOORE車床三坐標精密數(shù)控的分辨率為0.01μm雙坐標雙頻激光測量系統(tǒng)作為工作臺移動位置測量及反饋加工平面鏡時平面度達0.002μm/mm，加工曲面鏡時的形狀精度達0.003μm/mmⅢ-B型立式車床1976年Ex-Cell-O公司成功開發(fā)了用于加工直徑達2m金屬反光鏡的Ⅲ-B型立式鏡面車床該車床采用垂直軸空氣軸承工作臺結構徑向圓跳動為0.1～0.13μm，軸向跳動為0.15～0.18μm，每分鐘2000轉運轉8小時的溫升在5.6℃以內(nèi)大型超精密金剛石車床——DTM-31983年7月，在美國能源部的支持下，LLL實驗室和UnionCarbide公司Y-12工廠聯(lián)合開發(fā)，成功研制出大型超精密金剛石車床DTM-3型（3號機床）用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡（包括X光天體望遠鏡）等臥式結構最大加工直徑φ2100mm主軸采用油靜壓徑向軸承，空氣靜壓止推軸承，柔性連接驅動方式，交流變頻電動機直接安裝在地基臺面上進行驅動X軸的導軌采用V—平面液體靜壓導軌，Z軸的導軌采用平面空氣靜壓導軌DC電機與使用靜壓軸承的φ50的驅動輪摩擦聯(lián)驅動頻帶寬10Hz，最大送進量2.5mm/S，使用波紋管進行負荷補償；刀具微位移機構進行誤差修正獨立的測量基準，長距離測量在真空中用He-Ne激光干涉儀（分辨率2.5nm），短距離測量用差動式電容測微儀（分辨率0.625nm）機床底座使用6.4×4.6×1.5m的花崗巖。花崗巖的熱膨脹系數(shù)低，穩(wěn)定性好，對振動的衰減能力比鋼強15倍大型光學金剛石車床——LODTMLODTM由美國國防部高等研究計劃局投資，LLL實驗室和空軍Wright航空研究所等單位合作研制的加工光學零件的大型光學金剛石車床（LODTM——LargeOpticalDiamondTurningMachine）。德國的典型超精密機床德國是機械制造的強國，在精密與超精密加工領域也不甘落后，例如德國KERN公司的PyramidNano機床PYRAMIDNANO機床采用了KERN公司專有的Armorith人造花崗巖材料阻尼性能高10倍，熱導率低50%，熱膨脹系數(shù)也較低具有非常高的密度，2T重的機身僅占2.5m2

FG-001超精密機床德國的FG-001超精密機床可實現(xiàn)納米級的非球曲面加工。英國的典型超精密機床英國也是研制超精密加工機床最早的國家之一，OAGM2500大型超精密機床與DTM-3和LODTM一起被公認為是當今世界水平最高的超精密機床OAGM2500大型超精密機床

英國Granfield公司和SERCBritish（ScienceandEngineeringResearchCouncil）于1991年合作研制成功OAGM2500大型超精密機床，用于X射線天體望遠鏡的大型曲面反射鏡的精密磨削和坐標測量。該機床有高精度回轉工作臺；由精密數(shù)控系統(tǒng)驅動；導軌采用液體靜壓，磨軸頭和測量頭采用空氣軸承；床身結構高剛度、尺寸高度穩(wěn)定，有很強的振動衰減能力。日本的典型超精密機床日本開發(fā)的超精密加工機床主要用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機床有：東芝機械研制的ULG-l00A(H)、不二越公司的ASP-L15、豐田工機的AHN10、AHN30×25、AHN60-3D非球面加工機床等AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床日本的TOYOTA公司生產(chǎn)的AHNIO型高效專用超精密車床，機床主軸由空氣軸承支承，刀架設計成滑板結構，由氣動透平驅動的砂輪軸轉速為100000r/min，采用激光測量反饋系統(tǒng)，直線移動分辨力為0.01μm，定位精度全行程0.03μm，B軸回轉分辨力為1.3“。該機床加工的模具形狀精度為0.05μm，表面粗糙度Ra0.025μm。中國的典型超精密機床在超精密加工設備以及超精密加工工藝技術等方面，國內(nèi)的“北京工研精機股份有限公司”、“哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所”、“北京航空精密機械研究所”等各個單位各有特點，另外還有中科院長春光學精密機械研究所、華中科技大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著NANOSYS-300非球曲面超精密復合加工系統(tǒng)北京航空精密機械研究所研制的Nanosys-300非球曲面超精密復合加工系統(tǒng)具有CNC車削、磨削、飛切（銑削）等多種加工功能，可對球面、非球面和超平面等形狀零件進行納米級超精密鏡面加工NANOSYS-300非球曲面超精密復合加工系統(tǒng)系統(tǒng)采用以工控PC為平臺、多軸運動控制器為核心的高性能開放式數(shù)控系統(tǒng)，主要包括納米級坐標測量與伺服控制系統(tǒng)，超精密、高速空氣靜壓主軸系統(tǒng)，超精密、高剛性、高阻尼閉式液體靜壓導軌系統(tǒng)NANOSYS-300非球曲面超精密復合加工系統(tǒng)超精密、高速、高剛性空氣靜壓磨頭系統(tǒng)，噴霧、吸屑系統(tǒng)，氣浮減震調(diào)平系統(tǒng)，在位對刀和工件檢測系統(tǒng)，以及ELID金剛石砂輪修整、延性磨削系統(tǒng)等單元NANOSYS-300非球曲面超精密復合加工系統(tǒng)超精密、高速、高剛性空氣靜壓磨頭系統(tǒng)，噴霧、吸屑系統(tǒng)，氣浮減震調(diào)平系統(tǒng)，在位對刀和工件檢測系統(tǒng)，以及ELID金剛石砂輪修整、延性磨削系統(tǒng)等單元SQUARE超精密光學鏡面銑床機床主軸及工作臺均采用空氣靜壓技術，幾何精度高，運動靈敏、平穩(wěn)機床采用專門可靠的傳動機構，保證用戶良好使用機床結構符合人機工程學原理，方便對刀及操作SQUARE超精密光學鏡面銑床機床具備較強的擴展功能，用戶可根據(jù)需要特殊訂購選配專用數(shù)控系統(tǒng)，完成納米級運動選配高精度分度工作臺，完成多面體棱鏡加工選配專用鏜刀及夾具，完成固定孔位的內(nèi)孔高精度鏜削加工選配專用的微調(diào)刀架，可以完成車削加工

SPHERE200超精密球面鏡加工機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺超高精度氣動卡盤結構，保證批量加工的快速高精度定位可加工高精度球面鏡，也可進行平面及圓柱表面的鏡面加工固定式多刀結構，換刀精確、快速

SPHERE200超精密球面鏡加工機床全閉環(huán)溜板結構，可精確檢測每把刀具及回轉臺中心位置主軸帶位置檢測，可加工螺紋。C軸可選主軸卡盤可更換，滿足多種工件加工床身及溜板特殊結構設計，具有良好的精度保持及減振特性

NANA-TM500超精密納米級車銑復合機床主要應用于光學平面、球面及非球面零件的超精密加工，包括光學零件模具、微機電系統(tǒng)（MEMS）技術零件、菲涅爾鏡片模具、激光反射鏡、太陽能鏡片等

NANA-TM500超精密納米級車銑復合機床可以控制納米分辨率移動的部件，實現(xiàn)納米插補通過車削和銑削加工，可以實現(xiàn)多種不同類型工件的高精度加工機床結構與工藝結合緊密

NANA-TM500超精密納米級車銑復合機床機床可實現(xiàn)加工、檢測一體化功能機床溜板采用直線電機對稱雙驅動結構機床回轉工作臺采用空氣靜壓軸承、高分辨率直接驅動結構機床主軸采用高精度空氣靜壓軸承、整體電主軸結構，帶有Cs軸功能

NAM-820超精密數(shù)控車床具有車削、銑削加工功能，可以精密加工各種平面、球面．非球曲面、多面體等零件采用超精密氣體靜壓主軸X軸、Z軸采用高精度氣體靜壓導軌，確保運動的直線性和平穩(wěn)性

NAM-820超精密數(shù)控車床采用高精度雙頻激光干涉儀作為位置反饋元件，確保高精度運動定位采用高分辨率、高速控制器及專用數(shù)控軟件實現(xiàn)超精密數(shù)控加工

GCK-1502高精度OPC鼓基數(shù)控車床專門用于各種硒鼓、OPC鼓的高精度切削加工，具有加工精度高、加工效率高、操作簡單方便、可靠性高等特點機床采用雙主軸電機同步驅動雙主軸形式，主軸為空氣靜壓結構，主軸做動平衡，轉速最高可達5000r/min

GCK-1502高精度OPC鼓基數(shù)控車床主軸箱固定，右主軸箱由伺服電機拖動沿Z軸導軌滑動，以適應不同規(guī)格的鼓基加工雙主軸軸端配裝專用夾具，根據(jù)鼓基規(guī)格不同可快速更換相應夾具切削刀架采用刀片定位及微調(diào)結構，刀片更換及調(diào)整方便亞微米超精密車床主軸回轉精度：0.05μm；

導軌直線度：0.2μm/200mm恒溫油溫控精度：0.004℃；微量進給精度：0.05μm加工的零件：尺寸形狀誤差≤0.2μm，Ra0.02μm主軸部件是保證超精密機床加工精度的核心。超精密加工對主軸的要求是極高的回轉精度，轉動平穩(wěn)，無振動。滿足該要求的關鍵在于所用的精密軸承。早期的精密主軸采用超精密級的滾動軸承，現(xiàn)在多使用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承。超精密機床的主軸部件液體靜壓軸承具有回轉精度高（0.1μm）、剛度較高、轉動平穩(wěn)、無振動的特點，因此被廣泛用于超精密機床。液體靜壓軸承主軸液體靜壓軸承的主要缺點是：①液體靜壓軸承的油溫隨著轉速的升高而升高。溫度升高將造成熱變形，影響主軸精度。②靜壓油回油時將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，因而降低了液體靜壓軸承的剛度和動特性。

空氣靜壓軸承主軸

空氣靜壓軸承的工作原理和液體靜壓軸承相同?？諝忪o壓軸承具有很高的回轉精度，在高速轉動時溫升甚小，基本達到恒溫狀態(tài)，因此造成的熱變形誤差很小。但是與液體靜壓軸承相比，空氣軸承剛度低，承受載荷較小。但超精密加工切削力很小，所以空氣軸承可以滿足相關要求。

以下是幾種典型的結構：⑴雙半球空氣軸承主軸：該主軸前后軸承均為半球狀，同時起徑向軸承和推力軸承的作用。由于軸承的球形氣浮面具有自動調(diào)心作用，因此可以提高前后軸承的同心度，以提高主軸的回轉精度。⑵徑向—推力空氣靜壓軸承主軸：該結構是在液體靜壓軸承主軸結構基礎上發(fā)展起來的，只是節(jié)流孔和氣腔大小形狀不同。該結構中徑向軸承的外鼓形軸套可起自動調(diào)整定心作用，具體方法是先通氣使軸套自動將位置調(diào)好后再固定。這樣可提高前后軸套的同心度。⑶球形—徑向空氣軸承主軸這種結構的主軸前端球形同時起到徑向軸承和軸向推力軸承作用，并具有自動調(diào)心作用，保證了前后軸承的同心度。⑷立式空氣軸承主軸該結構主要用于大型超精密車床，以保證加工系統(tǒng)具有較高的剛度，且便于零件的裝夾。其圓弧面的徑向軸承起到自動調(diào)心、提高精度的作用。主軸的驅動方式

主軸驅動方式也是影響超精密機床主軸回轉精度的主要因素之一。超精密機床主軸的驅動主要有以下兩種方式：

⑴柔性聯(lián)軸器驅動機床主軸和電動機在同一軸線上時，超精密機床的主軸通過電磁聯(lián)軸器或其他柔性聯(lián)軸器與電動機相聯(lián)。⑵內(nèi)裝式同軸電動機驅動該驅動形式采用特制的內(nèi)裝式電動機，其轉子直接裝在機床主軸上，定子裝在主軸箱內(nèi)，電動機本身沒有軸承，而是依靠機床的高精度空氣軸承支承轉子的轉動。采用無刷直流電動機，可以很方便地進行主軸轉速的無級變速，同時由于電動機沒有電刷，不僅可以消除電刷引起的摩擦振動，而且避免了電刷磨損對電動機運轉的影響。早期的超精密機床應用帶傳動驅動，在這種驅動方式中，通常采用直流電動機或交流變頻電動機，以實現(xiàn)無級調(diào)速，避免齒輪調(diào)速產(chǎn)生的振動。要求電動機經(jīng)過精密動平衡，并用單獨地基，以免振動影響超精密機床。傳動帶用柔軟的無接縫的絲質(zhì)材料制成，以產(chǎn)生吸振效果。超精密機床主軸和軸承的材料選擇機床空氣主軸和軸承材料時應考慮以下主要因素：①耐磨損；②不易生銹腐蝕；③熱膨脹系數(shù)??；④材料的穩(wěn)定性好。制造空氣主軸和軸承的材料主要有：①經(jīng)表面氮化和低溫穩(wěn)定處理的38CrMoAl氮化鋼；②不銹鋼；③多孔石墨和軸承鋼。另外還有銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷等。超精密機床的總體布局超精密機床主要用于加工反射鏡等盤形零件，一般不需要后頂尖，因此在總體布局上比較簡單。常見的超精密機床的總體布局有下面幾種：

⑴T形布局

⑵十字形布局

⑶R-θ布局

⑷立式結構布局

超精密機床常采用平面導軌結構的液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌，滾動導軌也有著廣泛的應用。常用的超精密機床導軌結構形式有燕尾型、平面型、V—平面型、雙V形等。常用的導軌部件

⑴液體靜壓導軌液體靜壓導軌具有剛度高，承載能力大，直線運動精度高，且運動平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象等優(yōu)點。圖2-17a所示為平面型液體靜壓導軌，圖2-17b所示為雙圓柱型液體靜壓導軌。

目前很多超精密機床的導軌部件是用花崗巖制造的。由于花崗巖加工困難，一般都不做成整體，而是做成花崗石塊之后用螺釘緊固在一起。⑵空氣靜壓導軌和氣浮導軌

空氣靜壓導軌和氣浮導軌可以達到很高的直線運動精度，運動平穩(wěn)，無爬行，且摩擦因數(shù)接近于零，不發(fā)熱。

①空氣靜壓導軌導軌運動件的導軌面上下、左右均在靜壓空氣的約束下，因此和氣浮導軌相比有較高的剛度和運動精度，但比液體靜壓導軌要差一些?？諝忪o壓導軌有多種形式，其中平面形導軌用得較多。常用的靜壓空氣壓力為4×105~6×105Pa，氣壓高于6×105Pa時容易產(chǎn)生振蕩。

②氣浮導軌使用氣浮導軌的必要條件是導軌上的運動部件重量很重且壓縮空氣的壓力非常穩(wěn)定。氣浮導軌的剛度較低，且受壓縮空氣壓力波動的影響。床身及導軌的材料超精密機床床身結構與所用材料有關。常用的床身及導軌材料有優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。幾種常用材料的性能如表2-6所示。進給系統(tǒng)

超精密機床的進給系統(tǒng)一般采用精密滾珠絲杠副、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副一、滾珠絲杠副

一般的數(shù)控系統(tǒng)都是采用伺服電動機通過滾珠絲杠副驅動機床的滑板或工作臺。目前許多精密和超精密機床仍采用精密滾珠絲杠副作為進給系統(tǒng)的驅動元件靜壓絲杠副

液體靜壓絲杠副和空氣靜壓絲杠副的結構極為相似，只是前者使用壓力油，后者使用壓縮空氣。空氣靜壓絲杠副的進給運動極為平穩(wěn)，但因剛度略低，正反運動變換時將有微量的空行程。液體靜壓絲杠傳動副使用效果很好，但它的制造復雜，因而目前應用還不廣泛。與滾珠絲杠副相比，液體靜壓絲杠副和空氣靜壓絲杠副的進給運動更平穩(wěn)微量進給裝置為了實現(xiàn)精密和超精密加工，精密和超精密加工機床必須具有微量進給裝置?？蔀榫芎统芗庸ぬ峁┪⑦M給量，進一步提高機床的分辨率；用于加工誤差的在線補償，提高加工的形狀精度；將非軸對稱特殊曲線的坐標數(shù)值輸入控制微量進給裝置進給量的計算機中，可加工出非軸對稱特殊曲面：還可用于實現(xiàn)超薄切削。根據(jù)微量進給裝置的結構形式、工作原理，可將它歸納為6種類型：電致伸縮式、彈性變形式、機械傳動或液壓傳動式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式等。上述6種類型中，僅有彈性變形式和電致伸縮式微量進給機構的相關技術比較成熟，應用較普遍。尤其是電致伸縮微量進給裝置，可以進行自動化控制，有較好的動態(tài)特性，可以用于誤差在線補償。其中電致伸縮式和彈性變形式微量進給機構能夠滿足精密和超精密微量進給裝置的要求，且技術成熟。目前高精度微量進給裝置的分辨力可達到0.001~0.01μm。

在超精密加工中，為了實現(xiàn)精確、穩(wěn)定、可靠和快速微位移，精密和超精密微位移機構應滿足以下設計要求：

①精微進給和粗進給分開，以提高微位移的精度、分辨力和穩(wěn)定性。

②運動部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定度的，以實現(xiàn)很高的重復精度。

③末級傳動元件必須有很高的剛度，即夾持金剛石刀具處須是高剛度的。

④內(nèi)部連接必須可靠，盡量采用整體結構或剛性連接，否則微量進給機構很難實現(xiàn)很高的重復精度。

⑤工藝性好，容易制造。

⑥具有好的動特性，即具有高的頻響。

⑦能實現(xiàn)微進給的自動控制。壓電和電致伸縮微進給裝置