Análisis de tecnologías clave de máquinas de mecanizado de precisión y ultraprecisión
Tecnología de componentes clave de máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión
Gai Yuxian Dong Shen, Instituto de Tecnología de Harbin
1 Introducción
Ultra -Máquinas herramienta de procesamiento de precisión La investigación y el desarrollo comenzaron en la década de 1960. En ese momento, el desarrollo de equipos experimentales de fusión nuclear láser y equipos experimentales de infrarrojos en los Estados Unidos requería grandes reflectores metálicos, por lo que existía una necesidad urgente de desarrollar tecnología de procesamiento de ultraprecisión para fabricar reflectores. Han surgido máquinas de mecanizado de ultraprecisión que utilizan herramientas de torneado de diamante de un solo punto para cortar aleaciones de aluminio y cobre sin oxígeno. En 1980, Estados Unidos desarrolló por primera vez en el mundo la máquina herramienta de procesamiento de superficies asféricas M-18AG controlada por tres coordenadas, lo que marcó la madurez de la tecnología de máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión submicrónica. La investigación y el desarrollo de máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión en Japón están 20 años por detrás de los de Estados Unidos. De 1981 a 1982, se desarrollaron por primera vez máquinas de procesamiento de espejos poligonales, seguidas por máquinas de micromecanizado de cabezal magnético y tornos de extremo de disco. Recientemente, se han desarrollado principalmente máquinas de procesamiento de superficies asféricas y máquinas de procesamiento de espejos de rayos X de longitud de onda corta. Las tecnologías de máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión de Alemania, Países Bajos y Taiwán también se encuentran en el nivel avanzado del mundo. Aunque la investigación y el desarrollo de máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión en nuestro país comenzaron relativamente tarde, se han logrado resultados gratificantes gracias a los esfuerzos incansables de la mayoría de los investigadores de ingeniería de precisión. Los principales indicadores técnicos de la máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-I desarrollada por el Instituto de Ingeniería de Precisión del Instituto de Tecnología de Harbin han alcanzado el nivel internacional. Los indicadores de rendimiento de algunas máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión extranjeras y máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ se muestran en la Tabla 1. Este artículo analiza principalmente las tecnologías de componentes clave de las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión. Tabla 1 Resumen de indicadores de rendimiento de tornos de ultraprecisión típicos en el país y en el extranjero Modelos (fabricantes) HCM-Ⅰ
(Instituto de Tecnología de Harbin, China) M-18AG
(Mohr Máquinas herramienta especiales, Estados Unidos) Máquina CNC de ultraprecisión
(Toshiba, Japón) Torno de ultraprecisión
(IPT, Alemania)
Descentramiento radial del husillo (μm) ≤0,075 ≤0,05(500r/min) ≤0,048
Descentramiento axial (μm) ≤0,05 ≤0,05(500r/min)
Rigidez radial (N/μm) 220 100
Rigidez axial (N/μm) 160 200
Rectitud del riel guía en dirección Z (husillo) <0,2 μm/100 mm ≤0,5 μm/230 mm 0,044 μm/80 mm
Dirección X (portaherramientas) Rectitud <0,2 μm/100 mm ≤0,5 μm/410 mm 0,044 μm/80 mm
Verticalidad en dirección X, Z (") ≤1 1
Repetir posicionamiento precisión (μm) 1 (proceso completo)
0,5 (25,4 mm)
Procesamiento
Pieza de trabajo
Precisión Precisión de forma (μm) Redondez: 0,1 Planitud: 0,3 <0,1 (valor P-V) 0,1
Rugosidad de la superficie (μm) Ra0,0042 0,0075 (valor P-V) Ra0,002 0,002～0,005RMS
Sistema de retroalimentación de posición resolución (μm) 25 2,5 10
Precisión del control de temperatura (℃) ≤0,004 ±0,006 ±0,1
Frecuencia natural del sistema de aislamiento de vibraciones (Hz) ≤2 2
Rango de procesamiento (mm) 320 356 650×250
Sistema de 2 husillos
El husillo de las máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión soporta directamente el movimiento de la pieza de trabajo o herramienta durante el proceso de mecanizado Por lo tanto, la precisión de rotación del husillo afecta directamente la precisión del mecanizado de la pieza de trabajo. Por lo tanto, se puede decir que el husillo es el componente más importante de la máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión. Se puede utilizar para evaluar la precisión de la propia máquina herramienta.
Entre los husillos de herramientas de mecanizado de ultraprecisión actualmente desarrollados, el más preciso es el husillo con cojinete de aire hidrostático (los husillos con cojinete magnético también están recibiendo cada vez más atención y su precisión está mejorando rápidamente). El husillo con cojinete neumático tiene una buena precisión de oscilación. La precisión de rotación de la oscilación del husillo es la oscilación de la línea del eje excluyendo la influencia del error de redondez del eje y la rugosidad del mecanizado, es decir, oscilación radial no repetitiva, y es una precisión estática. En la actualidad, la precisión de rotación de los husillos con cojinetes de aire de alta precisión puede alcanzar los 0,05 μm, y la más alta puede alcanzar los 0,03 μm. Debido al efecto homogeneizador de la película de presión que soporta el eje giratorio en el cojinete, el husillo con cojinetes de aire puede alcanzar una mayor precisión. precisión que la propia pieza del rodamiento. Por ejemplo, la precisión de rotación del husillo puede ser aproximadamente de 1/15 a 1/20 de la redondez de los componentes del rodamiento, como ejes y manguitos. La investigación realizada por académicos japoneses ha demostrado que cuando la redondez del eje y el manguito alcanza una precisión de 0,15 a 0,2 μm, se puede obtener una precisión de rotación de 10 nm y se midió la precisión de rotación del husillo con cojinete de aire de mayor precisión fabricado por ellos. por FFT es de 8 nm. El error de redondez del husillo con cojinete de aire de jade denso de la máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ es ≤0,1μm. Además, el husillo con cojinete neumático también tiene las ventajas de buenas características dinámicas, larga vida útil de precisión, ausencia de vibración y rigidez/capacidad de carga acorde con las condiciones de uso. Sin embargo, se requiere un trabajo detallado en términos de rigidez del husillo, generación de calor y mantenimiento. Para lograr un husillo con cojinete de aire con una precisión de rotación de nivel nanométrico, además de que la precisión de la forma del eje y el manguito del cojinete de aire alcance de 0,15 a 0,2 μm, que se logra mediante la homogeneización de la película de aire, también es necesario mantener la Uniformidad del gas que sale del orificio de suministro de aire. Las diferencias en el número de orificios de suministro de aire, la precisión de la distribución, el ángulo de inclinación con respecto al eje, la convexidad y concavidad del rodamiento, la cilindricidad, la rugosidad de la superficie, etc., afectarán la uniformidad del flujo de aire en la superficie del rodamiento. El flujo de aire desigual es la causa directa de pequeñas vibraciones, que afectan la precisión de la rotación. Para mejorar el estado del sistema de suministro de aire, se deben utilizar materiales porosos como materiales de soporte. Esto se debe a que los rodamientos porosos reciben aire a través de innumerables orificios pequeños, lo que puede mejorar la distribución de la presión y la uniformidad del flujo de aire al tiempo que aumenta la capacidad de carga. La uniformidad de los materiales porosos es muy importante. Debido a que los huecos dentro del material poroso del cojinete de suministro de aire formarán una cavidad de aire, si no se controlan, provocarán vibraciones de martillo neumático, por lo que la superficie debe bloquearse. 3 Riel guía lineal
Como mecanismo de posicionamiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo, el riel guía lineal es un componente importante, solo superado por el husillo. Los requisitos básicos para las guías lineales para máquinas de mecanizado de ultraprecisión son: movimiento flexible, sin movimientos discontinuos como el arrastre; rigidez adecuada para las condiciones de uso en la práctica; baja generación de calor durante el movimiento a alta velocidad; Los rieles guía de uso común en máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión incluyen rieles guía deslizantes V-V y rieles guía rodantes, rieles guía hidrostáticos y rieles guía de presión estática de gas. Las guías deslizantes y guías rodantes tradicionales tipo V-V han logrado buenos resultados en aplicaciones en los Estados Unidos y Alemania. Los dos últimos son rieles guía sin contacto, por lo que no hay necesidad de preocuparse por gatear. Los dos últimos son también los carriles guía más adecuados desde la perspectiva de la precisión. Las guías hidrostáticas generan cantidades relativamente grandes de calor debido a la resistencia al corte viscoso del aceite, por lo que se deben tomar medidas de enfriamiento del aceite hidráulico. Además, el dispositivo hidráulico es relativamente grande y el mantenimiento del circuito de aceite también es problemático. Debido a que la parte de soporte del riel guía de presión estática de gas es plana, puede obtener una mayor rigidez de soporte y casi no hay problemas de calentamiento, como ⑸ ¿Tiempos de corte camarero Suan Hao ⒁ columna de tejón 烀 Xian Mu Lai agotado? ? Palm? Backbone lan plantea el gobernador Xin? Hígado ⒚ Zhu? Uniforme de seda y shun箮〉 cierta escena H 庋升 cama fuerte mala bajando el modelo 勋? ¿B 晙 palma de oxima? 烀婺诨娋? 鬬ridge缀耨 es una palma voladora de concha de ranura D? ¿Vergüenza culpar a Bi knock ridge Lan Nao Bi Dao hilo de carne .1 ~ 0,2 μm/250 mm?
La máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ utiliza guías lineales de aire. La distribución de presión en la superficie del cojinete de aire se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Distribución de presión en la superficie del cojinete de aire
Al instalar y ajustar el riel guía de presión estática de aire, se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Se deben garantizar suficientes canales de escape De lo contrario, la placa deslizante generará perturbaciones posicionales; la cantidad de perturbaciones a veces alcanza varias micras.
(2) En teoría, reducir la apertura de estrangulación y el espesor de la película de aire puede mejorar la rigidez de la placa deslizante, pero traerá dificultades tecnológicas. Es difícil procesar agujeros pequeños 4 Sistemas de avance y microalimentación Los sistemas de avance más utilizados son varios tornillos de avance. En las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión, los husillos de bolas se utilizan en sentido inverso debido a su forma. Dirección inversa. Ha sido ampliamente utilizado debido a su pequeño espacio y alta eficiencia de transmisión. En las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión también se utilizan cada vez más tornillos hidrostáticos de mayor precisión y accionamientos de fricción. Los husillos de bolas de las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión tienen generalmente un nivel de precisión de C0. Debido al control de circuito cerrado, se utiliza el husillo de bolas de mejor calidad para lograr el nivel más alto actual de precisión de posicionamiento de 0,01 μm. El husillo de bolas no requiere los accesorios necesarios de un husillo hidrostático y es un husillo extremadamente cómodo de usar. Sin embargo, como tornillo de avance para una máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión submicrónica, es necesario considerar cuestiones tales como una ligera vibración debido a la rotación de las bolas y el contacto deslizante entre las bolas, y características deficientes de atenuación de la vibración en comparación con los tornillos deslizantes. . El husillo de bolas utilizado en la máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ, basándose en garantizar estrictamente la conexión y el montaje del servomotor y el husillo, el husillo y la tuerca, la base y la placa deslizante, aumenta el área de flotación de aire de la placa deslizante y mejora su rigidez de flotación de aire, reduciendo así el impacto del error del tornillo en la precisión del movimiento de la diapositiva. Además, la tuerca del tornillo y la placa deslizante adoptan una estructura de conexión flotante, reduciendo así la deformación instantánea o permanente del tornillo causada por la fluctuación de presión del husillo de bolas causada por la fluctuación de la placa deslizante. Al mismo tiempo, también evita el error de movimiento del deslizamiento causado por la rotación del tornillo debido a la flexión del propio husillo de bolas, logrando así una resolución de desplazamiento mínima de ≤0,01μm. gt; El tornillo y la tuerca del par de tornillos de presión estática no están en contacto directo, pero están separados por una película de líquido a alta presión, por lo que no hay espacio de arrastre ni retroceso causado por la fricción, por lo que se puede mantener durante mucho tiempo La precisión y la resolución de alimentación son mayores y debido a que la película de aceite tiene un efecto homogeneizador, la precisión de la alimentación se puede mejorar y se puede lograr una resolución de posicionamiento a nivel nanométrico con una carrera más larga; Sin embargo, el dispositivo de tornillo de presión estática es grande y debe tener muchos dispositivos auxiliares, como bombas de aceite, acumuladores de presión, dispositivos de circulación de líquidos, dispositivos de enfriamiento y dispositivos de filtrado. Además, también existen problemas de contaminación ambiental. La transmisión por fricción convierte el movimiento giratorio del servomotor en el movimiento lineal de la varilla impulsada a través de la fricción para lograr una transmisión sin espacios. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 2. Desde una perspectiva microscópica, la película de aceite entre la rueda de presión y la varilla impulsada está en un estado de lubricación líquida y las características de corte del aceite lubricante determinan el sistema de tracción. Por tanto, es necesario elegir un aceite lubricante con un coeficiente más alto. El avance se realiza cuando gira la rueda de presión y la resolución del avance depende del número de pasos por revolución del servomotor. Un problema importante cuando se utiliza alimentación impulsada por fricción es la presión previa. Si la presión previa es demasiado pequeña, la superficie de contacto puede deslizarse; si la presión previa es demasiado grande, será difícil lograr una conducción correcta debido a la deformación elástica; . Además, debido a la existencia de presión previa, es probable que se produzcan problemas de desgaste. Una nueva investigación muestra que el posicionamiento a nivel de angstrom se puede lograr utilizando un accionamiento por fricción de rodillos torcidos. Figura 2 Diagrama del principio de transmisión por fricción En la Tabla 2 se muestran varios tornillos de alimentación y características de transmisión por fricción. Los mecanismos de microalimentación también se utilizan ampliamente en máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión para cumplir con los requisitos de mayor precisión de posicionamiento y resolución de alimentación. Los métodos comúnmente utilizados incluyen la combinación de alimentación por tornillo rodante y alimentación elástica, y el método de combinar ajuste aproximado y ajuste fino de elementos piezoeléctricos. La máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ utiliza un portaherramientas piezoeléctrico de microalimentación. Tabla 2 Características de varios mecanismos de alimentación Tipos Ventajas Desventajas Precisión de posicionamiento Deslizamiento del tornillo de alimentación El tornillo es fácil de fabricar, pero requiere tecnología de procesamiento de rectificado y una buena atenuación requiere atención Después de un rectificado cuidadoso y procesamiento, la precisión de posicionamiento de la oruga es de 0,01 μm El preprocesamiento debe alcanzar los 0,1 μm La bola El tornillo ha sido estandarizado y es fácil de obtener (Clase C0) tiene poca atenuación, es necesario prestar atención al rastreo, tenga en cuenta que la vibración máxima puede alcanzar 0,01 μm pre -el procesamiento debe alcanzar 0,1 μm Estática líquida El tornillo de presión tiene alta precisión, grandes dispositivos de atenuación, muchos equipos auxiliares y mantenimiento difícil, y la contaminación por aceite es bastante buena. la precisión es de 0,01 μm, generalmente 0,03 μm Gas estático El tornillo de presión tiene alta precisión y es fácil de mantener y difícil de procesar 0,01 μm <. /p> El accionamiento por fricción tiene alta precisión y una estructura simple y requiere un preacondicionamiento adecuado. El objetivo actual de presión y gestión es 0,01 μm. Los elementos piezoeléctricos tienen una resolución ultrafina (subnanómetro, nm). ) y carrera pequeña (de varios micrómetros a decenas de micrómetros) nm, 5 condiciones ambientales Existen tres condiciones ambientales para el mecanizado de ultraprecisión. Una es la contaminación. Las máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión deben colocarse en una sala limpia y ultralimpia para aprovechar al máximo sus ventajas. La limpieza interior se expresa como la cantidad de partículas de polvo superiores a 0,5 μm en un pie cúbico. Como máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión, el entorno de trabajo debe estar por debajo de 20.000 a 3.000 niveles. El segundo es la vibración. La interferencia de la vibración ambiental no solo provocará la vibración del cuerpo de la máquina herramienta, sino que, lo que es más importante, provocará el desplazamiento relativo de la vibración entre la herramienta de corte y las piezas procesadas, lo que se reflejará directamente en la precisión y la calidad de la superficie de las piezas procesadas. regiones. Por lo tanto, las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión deben estar equipadas con dispositivos de aislamiento de vibraciones con un rendimiento excelente. En la actualidad, la mayoría de las máquinas herramienta extranjeras de mecanizado de ultraprecisión utilizan sistemas de aislamiento de vibraciones que utilizan resortes neumáticos como elementos de aislamiento de vibraciones y han logrado buenos efectos de aislamiento de vibraciones. Esto se debe principalmente a que las cámaras de aire tienen menor rigidez y al mismo tiempo tienen una mayor capacidad de carga. La baja rigidez del resorte permite que el sistema de aislamiento de vibraciones obtenga una frecuencia natural más baja, alejada de las frecuencias de interferencia ambiental, y mejora el efecto de aislamiento de vibraciones. Después del análisis teórico y la comparación de cálculos, la máquina herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-I adopta una estructura de membrana restringida de tubo recto, y los ángulos interno y externo son ambos de 0°. De esta manera, no sólo la linealidad de la rigidez del resorte es buena, sino que también la estructura es simple, lo que facilita la fabricación del molde y la instalación y ajuste del dispositivo. Tabla 3 Razones de los errores en la planificación de objetivos para mejorar la precisión del mecanizado de ultraprecisión Precisión japonesa (μm) Valor de planificación POMA (μm) Precisión de detección de posición Precisión de posicionamiento Guía, inclinación, inclinación Rectitud Desviación axial Desviación radial Extensión del husillo Accionamiento del husillo Influencia térmica Sujeción de la pieza Precisión de forma (exactitud total) 0,005 0,005 (0.05") 0.02 0.005 0.005 0.025 0.01 0,025 0,025 0,05 0,05 0,01 0,02 0,02 0.02 0.02 0.05 0.01 0.05 0.05 0.1 Nota: POMA se basa en la premisa de mejorar la precisión de la forma de un gran espejo asférico con un diámetro de 800 mm a 0,1 μm pgt; temperatura. El procesamiento de máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión debe realizarse en una cámara de temperatura constante. Los cambios de temperatura durante el procesamiento harán que la precisión del movimiento de la máquina herramienta disminuya, haciendo imposible obtener la precisión de procesamiento especificada. Para resolver este problema, generalmente partimos de dos aspectos. Uno es seleccionar los materiales componentes apropiados. Los materiales utilizados y candidatos en las máquinas herramienta de procesamiento de ultraprecisión incluyen cerámica de alúmina, hierro fundido, acero, invar, granito, hormigón de resina y. cero. Según la realidad, casi todas las máquinas herramienta de mecanizado de ultraprecisión HCM-Ⅰ utilizan granito. El segundo es mantener un control constante de la temperatura. Después de resumir la experiencia nacional y extranjera, el Instituto de Tecnología de Harbin propuso el concepto de "caudal en frío efectivo". Sobre esta base, la precisión del control de temperatura del sistema de suministro de aceite de temperatura constante de ultraprecisión ha alcanzado el nivel avanzado del mundo. 6 Conclusión El nacimiento de la máquina herramienta de ultraprecisión submicrónica HCM-I marca que la investigación sobre mecanizado de ultraprecisión de mi país ha entrado en las filas internacionales. Pero después de todo, no ha salido del laboratorio y no se ha comercializado. Necesita redoblar sus esfuerzos para alcanzar el nivel avanzado internacional. La Tabla 3 enumera los valores objetivo de precisión de POMA en los Estados Unidos y los valores objetivo de precisión futuros que creen los académicos japoneses. Consulte este sitio web para ver los gráficos. /xjzzjs/gjjs/process/up/up060601_2.asp