超精密加工机床设备课件

本科生专业课程第4章精密和超精密加工机床设备邓建新

山东大学机械工程学院2010年10月本科生专业课程1超精密加工机床是超精密加工水平的标志，它应满足以下一些要求：

1）高精度；2）高刚度；3）高稳定性；4）高自动化。超精密加工机床是超精密加工水平的标志，它应满足以下一些要求：2

第一节超精密加工机床设备的发展概况超精密机床是实现超精密加工的关键。利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和极小的表面粗糙度。最早的超精密加工机床是19世纪投入使用的各种天文望远镜和光学仪器的加工机床。 第一节超精密加工机床设备的发展概况3

到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。国防尖端技术、计算机技术、自动化技术的广泛应用使超精密机床的发展经历一个质的飞跃。具体表现为：(1)手动到自动；(2)驱动电机闭环控制；(3)高精度光栅和激光干涉测量仪的应用，使机床定位精度和重复精度大大提高；(4)计算机数控技术使各种复杂曲面加工成为可能；(5)各种误差补偿机构，使机床动、静态精度大大提高。 到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。4目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本等西方发达国家。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国5

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（SinglePointDiamondTurning），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在50年代末，6

美国超精密机床水平最高，不仅开发出小型超精密机床，而且发展大型超精密机床。美国有著名的POMA（PointOneMicrometerAccuracy）计划，目标精度0.01m。 美国超精密机床水平最高，不仅开发出小型超精密机床，而且发7

日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，在中小型超精密机床方面，已基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是8

日本提出“超超精密机床”规划。以纳米级精度作为目标。欧洲国家，如：德国、英国、瑞士、法国、意大利等国的超精密机床水平也很高。 日本提出“超超精密机床”规划。以纳米级精度作为目标。9我国超精密机床方面与国外差距很大。我国的超精密加工机床技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床和部件。我国超精密机床方面与国外差距很大。10

北京机床研究所是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件，如JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、达到了国内领先、接近国际先进水平。北京机床研究所是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单11航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机12

清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备13

中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究。总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一14第二节典型的超精密加工机床UnionCarbide公司半球车床。1962年研制成功。采用空气静压轴承，立式结构。尺寸精度达到0.6m，Ra达到0.025m精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。用金刚石刀具可实现镜面切削。第二节典型的超精密加工机床UnionCarbide公司15圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承16美国Moore金刚石车床，1968年研制成功，主轴采用空气静压轴承，卧式结构，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压（气浮）导轨；数控系统分辨率0.01μm，激光测量、精度高，刚度高、稳定性好、抗振性等。在世界范围内生产多台，广泛应用。Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器美国Moore金刚石车床，1968年研制成功，主轴采用空气静17如：美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件Ø2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。大典超精密加工机床如：美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下18DTM－3

大型超精密加工机床激光测量：分辨率2.5nm。驱动：刀具微位移机构。导轨：液体和空气静压导轨。温度：流体温度（200.0006℃），空气温度（200.005℃）。机床各部件用大量恒温液体淋浇。底座：花岗石（5万美元）。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径)，圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。DTM－3大型超精密加工机床19美国LLL实验室于1984年研制成功大型超精密金刚石车床LODTM大型光学金刚石车床，该机床可加工最大零件Ø1625×500mm、重量1360kg的大型金属反射镜。DTM-3与LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。

美国LLL实验室于1984年研制成功大型超精密金刚石20大型超精密加工机床大型超精密加工机床21LODTM大型超精密加工机床LODTM大型超精密加工机床22LODTM大型光学金刚石车床可加工1625500、重量1360Kg的大型金属反射镜等大型零件。采用立式结构和空气轴承刀具可以实现纳米级微位移。采用7路高分辨力双频激光测量系统，分辨力达到0.625nm，采用了误差补偿技术。为减小热变形的影响，机床各发热部件用大量恒温水冷却，水温度控制极其严格。整台机床用4个大空气弹簧支撑。LODTM大型光学金刚石车床23

英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的表面粗糙度Ra<10nm。英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所24大型超精密加工机床大型超精密加工机床25OAGM2500大型超精密加工机床OAGM2500大型超精密加工机床26OAGM2500大型超精密机床用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量。最大加工尺寸为：25002500610有2500的高精度回转工作台。采用卧式结构。采用激光双频测量器，分辨力达到2.5nm。磨头和测量头采用空气轴承。工作台用人造花岗石。用大量恒温水冷却。OAGM2500大型超精密机床27新型超精密加工机床新型超精密加工机床28新型超精密加工机床新型超精密加工机床29新型超精密加工机床新型超精密加工机床30新型超精密加工机床新型超精密加工机床31超精密磨削机床超精密磨削机床32金刚石车床我国超精密车床金刚石车床我国超精密车床33我国超精密车床我国超精密车床34第三节超精密加工机床主轴系统主轴是超精密加工机床的核心和保证

能高速旋转高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长主轴本身及其驱动系统振动极小发热少，且热平衡性能好维护保养方便第三节超精密加工机床主轴系统主轴是超精密加工机床的核心和35主轴关键是轴承早期用滚动轴承液体静压轴承空气静压轴承主轴关键是轴承36第4章超精密加工机床设备课件37液体静压轴承特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。缺点：高速下，油温升高，造成热变形，影响主轴精度。回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。措施：提高油压，控制油温。液体静压轴承特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于38液体静压轴承液体静压轴承39液体静压轴承液体静压轴承40空气静压轴承特点：回转精度高、转速高，可达100,000r/min。转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。不发热、即使在高速下，温升很小，变形小。摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦。因为不使用油，不存在密封和泄露问题。可靠性高、维护保养方便。空气静压轴承特点：41空气静压轴承缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。空气静压轴承缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用42圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承43双半球空气静压轴承双半球空气静压轴承44前部球形、后部径向空气静压轴承前部球形、后部径向空气静压轴承45主轴和轴承材料要求：不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定性能好。主要材料：1.

氮化钢（38CrMoAl），表面经氮化和低温稳定处理、2.

不锈钢、3.

轴承钢等。也有用多孔石墨、陶瓷、花岗石的报道。主轴和轴承材料要求：不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定46主轴驱动方式1电机通过带传递驱动

早期超精密加工机床采用这种驱动方式电动机轴和机床主轴平行。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。电动机可采用单独地基，以免振动影响机床加工精度。主轴驱动方式1电机通过带传递驱动472电机通过柔性联轴器驱动机床主轴这种驱动方式在超精密机床中应用较多。

电动机和机床主轴在同一轴线上。用柔性联轴器连接，直接驱动。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。2电机通过柔性联轴器驱动机床主轴483采用内装式同轴电动机驱动机床主轴将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，其间不再使用皮带或齿轮传动副，也称电主轴。电主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口3采用内装式同轴电动机驱动机床主轴电主轴陶瓷球轴承密封圈旋49

优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等。缺点：电机发热，容易使主轴产生热变形。措施：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱50第四节超精密加工机床总体布局主轴箱位置固定、刀架在十字滑板上要求十字滑板上下导轨有很高的运动精度、垂直精度，制造困难下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精度激光测量不方便

优点：由于主轴箱固定，电动机可有单独地基第四节超精密加工机床总体布局主轴箱位置固定、刀架在十字滑51常见的布局。车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。解决两滑台的相互影响问题，有利于提高制造精度和运动精度。激光测量方便。已成为当前金刚石车床的主流布局T形布局的金刚石车床T形布局常见的布局。T形布局的金刚石车床T形布局52金刚石车床金刚石车床53R—

布局立式结构布局其它布局形式R—布局其它布局形式54超精密加工机床床身和导轨材料优质耐磨铸铁早期应用较多，工艺性好，可减振、热胀低花岗岩尺寸稳定、热胀低、硬度高、可减振、不生锈，缺点：工艺性差、连接不便、吸潮人造花岗岩花岗石碎粒用树脂粘结而成超精密加工机床床身和导轨材料优质耐磨铸铁55超精密加工机床床身和导轨材料超精密加工机床床身和导轨材料56导轨的作用和特点超精密加工机床导轨结构形式导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：工作速度低。导轨的刚度差，是机床最薄弱的环节之一。受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。导轨的作用和特点超精密加工机床导轨结构形式导轨不仅是支承工作57导轨的基本要求1导向精度高导轨在水平面内和垂直面内的直线度导轨的平行度,导轨间的垂直度2足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力3精度保持性（耐磨性）好降低导轨面的比压；良好的防护与润滑；正确选择导轨副的材料和热处理；选择合理的加工方法。4运动的灵敏度是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。导轨的基本要求1导向精度高58

超精密加工机床导轨结构形式导轨结构形式V-平面双V形滚动导轨液体静压导轨气浮导轨空气静压导轨 超精密加工机床导轨结构形式导轨结构形式59

V-平面V形和平面导轨磨损不相等，影响加工精度。导向性不好。 V-平面60

双V型两条道轨磨损均匀，精度高。导向性好制造成本高 双V型61

滚动导轨摩擦系数低（0.002—0.003） 滚动导轨62

液体静压导轨刚度高、承载能力大、直线运动精度高、平稳、无爬行现象。由于导轨运动速度低，导轨温升不高。 液体静压导轨63

气浮导轨当导轨上的运动部件很重、且压缩空气压力稳定时，可使用气浮导轨。压缩空气使导轨浮起，摩擦系数接近零，不发热。当压缩空气压力高度稳定时，气浮导轨可得到高的直线运动精度。 气浮导轨64

空气静压导轨导轨上下、左右均在静压空气约束下，因此，和气浮导轨相比刚度和运动精度提高，几乎无摩擦。

空气静压导轨不发热，没有温升。 空气静压导轨65

第五节超精密加工机床进给驱动系统能实现准确的微量位移和精确定位精密数控系统滚珠丝杠副驱动

液体静压和空气静压丝杠副驱动摩擦驱动 第五节超精密加工机床进给驱动系统能实现准确的66

精密数控系统要求数控系统的分辨率高（0.01m）。国外有高分辨率的精密数控系统，对我国禁运。精密数控系统—直流（或交流）伺服电机，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。 精密数控系统67

滚珠丝杠副驱动

一般的数控系统是伺服电机通过滚珠丝杠副驱动机床滑板或工作台。目前，大多数超精密加工机床仍采用精密滚珠丝杠副作为进给系统的驱动原件。滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚动，摩擦力很小。

丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙等均影响进给运动的平稳性。 滚珠丝杠副驱动68

滚珠丝杠副驱动

滚珠丝杠副驱动69

液体静压和空气静压丝杠副驱动

由于滚珠丝杠副驱动丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙等会影响进给运动的平稳性。现在有使用液体静压和空气静压丝杠以提高进给运动平稳性。效果好，结构复杂、成本高，目前，应用不多。 液体静压和空气静压丝杠副驱动70

液体静压和空气静压丝杠副驱动 液体静压和空气静压丝杠副驱动71

摩擦驱动为了进一步提高运动平稳性和运动精度，现在有些超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动。经试验证明：效果优于滚珠丝杠副驱动。结构复杂、成本高。国外已有几台大型超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动，据报道机床导轨的直线运动非常平稳，直线运动精度极高。 摩擦驱动72

摩擦驱动 摩擦驱动73第六节微量进给装置

高精度微量进给装置是超精密加工机床的一个重要关键装置，目前分辨率达到1nm。

作用：可实现准确、稳定、可靠和快速微量位移。高精度微量进给。超薄切削。

在线误差补偿。

精密调整、对准、校正等。第六节微量进给装置高精度微量进给装置是超精密加工机74微量进给装置应满足的要求

微量进给和粗进给应分开，以提高微位移精度、分辨率和稳定性

运动部分应是低摩擦、高稳定，以实现高的重复精度。

末级传动元件刚度高，如金刚石刀夹处。微量进给装置机构内部连接可靠，尽量采用整体结构或刚性连接。

工艺性好，容易制造。

应具有好的动态特性，高的频率响应。

微量进给装置能实现自动控制。微量进给装置应满足的要求微量进给和粗进给应分开，以提高微位75微量进给装置的类型（6种）机械式或液压传动式弹性变形式热变形式流体膜变形式电致伸缩式磁致伸缩式等微量进给装置的类型（6种）机械式或液压传动式76机械结构弹性变形微量进给装置早期、手动操作工作稳定、可靠

机械结构弹性变形微量进给装置77第4章超精密加工机床设备课件78第4章超精密加工机床设备课件79

80

81压电和电致伸缩式微量进给装置目前，大多采用压电和电致伸缩式微量进给装置。能实现高刚度无间隙位移。分辨率达到1nm。频率响应快。可实现自动控制。压电和电致伸缩式微量进给装置82

83第4章超精密加工机床设备课件84微量进给装置微量进给装置85

微量进给装置 微量进给装置86

微量进给装置 微量进给装置87

微量进给装置 微量进给装置88第七节超精密加工机床位移激光检测系统目前超精密加工机床均装有位移激光检测系统主要用于检测机床坐标运动部件Z和X方向的位移

位移—激光测量—反馈给数控系统—控制运动部件位移—形成闭环控制系统。第七节超精密加工机床位移激光检测系统目前超精密加工89超精密加工机床位移激光检测系统双频激光测量系统超精密加工机床位移激光检测系统双频激光测量系统90

3路激光精度0.1m 3路激光91

7路激光分辨率0.635nm 7路激光92

第八节超精密机床稳定性和减振隔振

超精密加工机床要求高稳定的机床结构—即：各部件尺寸稳定性好、刚度高、变形小、结构抗振减振性能好。各部件尺寸稳定性采用尺寸稳定好的材料制造机床部件，如：陶瓷、花岗石、尺寸稳定性好的钢等各部件消除残余应力，如：时效处理、冰冷处理等 第八节超精密机床稳定性和减振隔振超精密加工机床要93

结构刚度高、变形小当机床运动部件位置改变，工件装卸或负荷变化，受力变化等，将产生变形，要求机床结构刚度高、变形量极小，基本不能影响加工精度。

各接触面和联接面接触良好，接触刚度高、变形小。 结构刚度高、变形小94

提高机床抗振性的措施各部件必须精密动平衡，消灭或减小机床内部振动源电机、主轴、导轨、滚珠丝杆、工件偏心等。提高机床结构抗振性。合理结构、对称结构、大床身。在易振动部分，人为加入阻尼，减小振动。使用抗振动材料制造机床结构。人造花岗石——花岗石——铸铁。 提高机床抗振性的措施各部件必须精密动平衡，消灭或减95

隔振措施

远离振动源

机床附近的振源，如：空气压缩机、泵等应尽量移走。实在无法移走，应采用单独地基，加隔振材料。超精密机床采用单独地基隔振沟、隔振墙使用隔振垫(也称空气弹簧) 隔振措施远离振动源96

超精密机床稳定性和减振隔振 超精密机床稳定性和减振隔振97

第九节减小热变形和恒温控制据统计超精密加工机床热变形和工件温升引起的误差占总误差的40-70%。如：加工100m长铝合金零件，温度每变化1℃，将产生2.25m的误差。如：磨削100零件，温度变化10℃，将产生11.0m的误差。目前许多超精密加工机床都装有温度控制系统和热误差补偿装置 第九节减小热变形和恒温控制据统计超精密加工机床98

减小热变形的措施减小机床热源，如：空气轴承替代液体静压轴承以减小发热量；使用发热小的电机；将发热量大的器件至于机床床身之外等。

采用热膨胀系数小的材料，如：陶瓷、花岗石等。

结构合理、对称，使变形最小。使机床长期处于热平衡、使变形量恒定大量恒温液体浇注，使温度保持一致 减小热变形的措施减小机床热源，如：空气轴承替代液体99

100减小热变形和恒温控制减小热变形和恒温控制101本科生专业课程第4章精密和超精密加工机床设备邓建新

山东大学机械工程学院2010年10月本科生专业课程102超精密加工机床是超精密加工水平的标志，它应满足以下一些要求：

1）高精度；2）高刚度；3）高稳定性；4）高自动化。超精密加工机床是超精密加工水平的标志，它应满足以下一些要求：103

第一节超精密加工机床设备的发展概况超精密机床是实现超精密加工的关键。利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和极小的表面粗糙度。最早的超精密加工机床是19世纪投入使用的各种天文望远镜和光学仪器的加工机床。 第一节超精密加工机床设备的发展概况104

到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。国防尖端技术、计算机技术、自动化技术的广泛应用使超精密机床的发展经历一个质的飞跃。具体表现为：(1)手动到自动；(2)驱动电机闭环控制；(3)高精度光栅和激光干涉测量仪的应用，使机床定位精度和重复精度大大提高；(4)计算机数控技术使各种复杂曲面加工成为可能；(5)各种误差补偿机构，使机床动、静态精度大大提高。 到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。105目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本等西方发达国家。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国106

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（SinglePointDiamondTurning），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在50年代末，107

美国超精密机床水平最高，不仅开发出小型超精密机床，而且发展大型超精密机床。美国有著名的POMA（PointOneMicrometerAccuracy）计划，目标精度0.01m。 美国超精密机床水平最高，不仅开发出小型超精密机床，而且发108

日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，在中小型超精密机床方面，已基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是109

日本提出“超超精密机床”规划。以纳米级精度作为目标。欧洲国家，如：德国、英国、瑞士、法国、意大利等国的超精密机床水平也很高。 日本提出“超超精密机床”规划。以纳米级精度作为目标。110我国超精密机床方面与国外差距很大。我国的超精密加工机床技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床和部件。我国超精密机床方面与国外差距很大。111

北京机床研究所是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件，如JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、达到了国内领先、接近国际先进水平。北京机床研究所是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单112航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机113

清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备114

中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究。总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一115第二节典型的超精密加工机床UnionCarbide公司半球车床。1962年研制成功。采用空气静压轴承，立式结构。尺寸精度达到0.6m，Ra达到0.025m精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。用金刚石刀具可实现镜面切削。第二节典型的超精密加工机床UnionCarbide公司116圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承117美国Moore金刚石车床，1968年研制成功，主轴采用空气静压轴承，卧式结构，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压（气浮）导轨；数控系统分辨率0.01μm，激光测量、精度高，刚度高、稳定性好、抗振性等。在世界范围内生产多台，广泛应用。Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器美国Moore金刚石车床，1968年研制成功，主轴采用空气静118如：美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件Ø2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。大典超精密加工机床如：美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下119DTM－3

大型超精密加工机床激光测量：分辨率2.5nm。驱动：刀具微位移机构。导轨：液体和空气静压导轨。温度：流体温度（200.0006℃），空气温度（200.005℃）。机床各部件用大量恒温液体淋浇。底座：花岗石（5万美元）。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径)，圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。DTM－3大型超精密加工机床120美国LLL实验室于1984年研制成功大型超精密金刚石车床LODTM大型光学金刚石车床，该机床可加工最大零件Ø1625×500mm、重量1360kg的大型金属反射镜。DTM-3与LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。

美国LLL实验室于1984年研制成功大型超精密金刚石121大型超精密加工机床大型超精密加工机床122LODTM大型超精密加工机床LODTM大型超精密加工机床123LODTM大型光学金刚石车床可加工1625500、重量1360Kg的大型金属反射镜等大型零件。采用立式结构和空气轴承刀具可以实现纳米级微位移。采用7路高分辨力双频激光测量系统，分辨力达到0.625nm，采用了误差补偿技术。为减小热变形的影响，机床各发热部件用大量恒温水冷却，水温度控制极其严格。整台机床用4个大空气弹簧支撑。LODTM大型光学金刚石车床124

英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的表面粗糙度Ra<10nm。英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所125大型超精密加工机床大型超精密加工机床126OAGM2500大型超精密加工机床OAGM2500大型超精密加工机床127OAGM2500大型超精密机床用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量。最大加工尺寸为：25002500610有2500的高精度回转工作台。采用卧式结构。采用激光双频测量器，分辨力达到2.5nm。磨头和测量头采用空气轴承。工作台用人造花岗石。用大量恒温水冷却。OAGM2500大型超精密机床128新型超精密加工机床新型超精密加工机床129新型超精密加工机床新型超精密加工机床130新型超精密加工机床新型超精密加工机床131新型超精密加工机床新型超精密加工机床132超精密磨削机床超精密磨削机床133金刚石车床我国超精密车床金刚石车床我国超精密车床134我国超精密车床我国超精密车床135第三节超精密加工机床主轴系统主轴是超精密加工机床的核心和保证

能高速旋转高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长主轴本身及其驱动系统振动极小发热少，且热平衡性能好维护保养方便第三节超精密加工机床主轴系统主轴是超精密加工机床的核心和136主轴关键是轴承早期用滚动轴承液体静压轴承空气静压轴承主轴关键是轴承137第4章超精密加工机床设备课件138液体静压轴承特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。缺点：高速下，油温升高，造成热变形，影响主轴精度。回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。措施：提高油压，控制油温。液体静压轴承特点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于139液体静压轴承液体静压轴承140液体静压轴承液体静压轴承141空气静压轴承特点：回转精度高、转速高，可达100,000r/min。转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。不发热、即使在高速下，温升很小，变形小。摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦。因为不使用油，不存在密封和泄露问题。可靠性高、维护保养方便。空气静压轴承特点：142空气静压轴承缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。空气静压轴承缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用143圆柱径向空气静压轴承圆柱径向空气静压轴承144双半球空气静压轴承双半球空气静压轴承145前部球形、后部径向空气静压轴承前部球形、后部径向空气静压轴承146主轴和轴承材料要求：不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定性能好。主要材料：1.

氮化钢（38CrMoAl），表面经氮化和低温稳定处理、2.

不锈钢、3.

轴承钢等。也有用多孔石墨、陶瓷、花岗石的报道。主轴和轴承材料要求：不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定147主轴驱动方式1电机通过带传递驱动

早期超精密加工机床采用这种驱动方式电动机轴和机床主轴平行。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。电动机可采用单独地基，以免振动影响机床加工精度。主轴驱动方式1电机通过带传递驱动1482电机通过柔性联轴器驱动机床主轴这种驱动方式在超精密机床中应用较多。

电动机和机床主轴在同一轴线上。用柔性联轴器连接，直接驱动。电动机采用直流电动机或交流变频电动机，电动机可无级调速，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。2电机通过柔性联轴器驱动机床主轴1493采用内装式同轴电动机驱动机床主轴将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，其间不再使用皮带或齿轮传动副，也称电主轴。电主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口3采用内装式同轴电动机驱动机床主轴电主轴陶瓷球轴承密封圈旋150

优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等。缺点：电机发热，容易使主轴产生热变形。措施：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。优点：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱151第四节超精密加工机床总体布局主轴箱位置固定、刀架在十字滑板上要求十字滑板上下导轨有很高的运动精度、垂直精度，制造困难下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精度激光测量不方便

优点：由于主轴箱固定，电动机可有单独地基第四节超精密加工机床总体布局主轴箱位置固定、刀架在十字滑152常见的布局。车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。解决两滑台的相互影响问题，有利于提高制造精度和运动精度。激光测量方便。已成为当前金刚石车床的主流布局T形布局的金刚石车床T形布局常见的布局。T形布局的金刚石车床T形布局153金刚石车床金刚石车床154R—

布局立式结构布局其它布局形式R—布局其它布局形式155超精密加工机床床身和导轨材料优质耐磨铸铁早期应用较多，工艺性好，可减振、热胀低花岗岩尺寸稳定、热胀低、硬度高、可减振、不生锈，缺点：工艺性差、连接不便、吸潮人造花岗岩花岗石碎粒用树脂粘结而成超精密加工机床床身和导轨材料优质耐磨铸铁156超精密加工机床床身和导轨材料超精密加工机床床身和导轨材料157导轨的作用和特点超精密加工机床导轨结构形式导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：工作速度低。导轨的刚度差，是机床最薄弱的环节之一。受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。导轨的作用和特点超精密加工机床导轨结构形式导轨不仅是支承工作158导轨的基本要求1导向精度高导轨在水平面内和垂直面内的直线度导轨的平行度,导轨间的垂直度2足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力3精度保持性（耐磨性）好降低导轨面的比压；良好的防护与润滑；正确选择导轨副的材料和热处理；选择合理的加工方法。4运动的灵敏度是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。导轨的基本要求1导向精度高159

超精密加工机床导轨结构形式导轨结构形式V-平面双V形滚动导轨液体静压导轨气浮导轨空气静压导轨 超精密加工机床导轨结构形式导轨结构形式160

V-平面V形和平面导轨磨损不相等，影响加工精度。导向性不好。 V-平面161

双V型两条道轨磨损均匀，精度高。导向性好制造成本高 双V型162

滚动导轨摩擦系数低（0.002—0.003） 滚动导轨163

液体静压导轨刚度高、承载能力大、直线运动精度高、平稳、无爬行现象。由于导轨运动速度低，导轨温升不高。 液体静压导轨164

气浮导轨当导轨上的运动部件很重、且压缩空气压力稳定时，可使用气浮导轨。压缩空气使导轨浮起，摩擦系数接近零，不发热。当压缩空气压力高度稳定时，气浮导轨可得到高的直线运动精度。 气浮导轨165

空气静压导轨导轨上下、左右均在静压空气约束下，因此，和气浮导轨相比刚度和运动精度提高，几乎无摩擦。

空气静压导轨不发热，没有温升。 空气静压导轨166

第五节超精密加工机床进给驱动系统能实现准确的微量位移和精确定位精密数控系统滚珠丝杠副驱动

液体静压和空气静压丝杠副驱动摩擦驱动 第五节超精密加工机床进给驱动系统能实现准确的167

精密数控系统要求数控系统的分辨率高（0.01m）。国外有高分辨率的精密数控系统，对我国禁运。精密数控系统—直流（或交流）伺服电机，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。 精密数控系统168

滚珠丝杠副驱动

一般的数控系统是伺服电机通过滚珠丝杠副驱动机床滑板或工作台。目前，大多数超精密加工机床仍采用精密滚珠丝杠副作为进给系统的驱动原件。滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚动，摩擦力很小。

丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙等均影响进给运动的平稳性。 滚珠丝杠副驱动169

滚珠丝杠副驱动

滚珠丝杠副驱动170

液体静压和空气静压丝杠副驱动

由于滚珠丝杠副驱动丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙等会影响进给运动的平稳性。现在有使用液体静压和空气静压丝杠以提高进给运动平稳性。效果好，结构复杂、成本高，目前，应用不多。 液体静压和空气静压丝杠副驱动171

液体静压和空气静压丝杠副驱动 液体静压和空气静压丝杠副驱动172

摩擦驱动为了进一步提高运动平稳性和运动精度，现在有些超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动。经试验证明：效果优于滚珠丝杠副驱动。结构复杂、成本高。国外已有几台大型超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动，据报道机床导轨的直线运动非常平稳，直线运动精度极高。 摩擦驱动173

摩擦驱动 摩擦驱动174第六节微量进给装置

高精度微量进给装置是超精密加工机床的一个重要关键装置，目前分辨率达到1nm。

作用：可实现准确、稳定、可靠和快速微量位移。高精度微量进给。超薄切削。

在线误差补偿。

精密调整、对准、校正等。第六节微量进给装置高精度微量进给装置是超精密加工机175微量进给装置应满足的要求

微量进给和粗进给应分开，以提高微位移精度、分辨率和稳定性

运动部分应是