一般根据加工精度和表面质量两项指标来划分精密与超精密加工技术,但是随着科技水平和生产工艺的提高,超精密的概念不断更新,其划分界限也逐渐向前推移,原来视为超精密加工技术的工艺现在只能归为精密加工的范畴。从加工技术发展过程来划分,精密加工指在一定的发展时期,加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺,超精密加工指加工精度和表面质量达到最高限度的精密加工工艺。目前,一般将精度为0.1~0.01μm的亚微米水平,加工表面粗糙度小于0.05μm的加工视为超精密加工;把加工精度为10~0.1μm,加工表面粗糙度小于0.1μm的加工视为精密加工;低于精密加工精度的划分为普通加工。
精密与超精密加工技术涉及精密和超精密切削机床、超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、计量技术、工况检测及质量控制等多方面,若想达到预定的高精度要求,必须严格控制产品的整个加工和检测的全过程,任何一个环节的疏忽都会对最终精度造成影响。以下是精密与超精密加工技术必须注意的几个影响因素:
1.恒温、恒湿、超净、防振的加工环境
超精密加工要求处于恒温、超净、防振的工作环境中。由于其加工精度很高,热变形对加工的影响不可以忽略。热变形是造成超精密加工误差的主要因素之一,如100mm长的钢材,在常温下的线胀系数以平均值11×10-6℃-1计,温度每升高1℃,其长度会伸长1.1μm,已经远远超出超精密加工的加工精度量级,必须对温度予以控制,才能尽量减少热胀冷缩对加工精度的影响,所以超精密加工中的恒温控制是必须掌握的技术难点。因此,可采用线胀系数小的材料,如花岗岩、陶瓷等作为机床的工作台面或某些零件的材料等,尽量减少机床和零件自身的温度影响;还可以采用恒温油槽或者循环水流等措施尽量减少机床运转部件的发热,使温度在局部范围内保持恒定。机床的工作环境温度一般稳定在20℃±(0.01~0.005)℃之间,如美国Moore公司的M-18AG超精密车床有粗细不等的若干细管,如蜘蛛网一般布局并连通到机床各部分,进行恒温油的浇淋,保持机床恒温。此外,保持恒定的湿度可以防止机器的锈蚀、石材膨胀,以及一些仪器(如激光干涉仪)的零点漂移等,这些都有可能影响加工精度,故一般超精密加工中湿度应保持在55%~60%。
精密与超精密加工要求有一个净化的空间。空气中绝大部分尘埃的直径小于1μm,但也有不少直径为1~10μm,甚至大于100μm。在进行超精密加工时,如果没有洁净的工作环境,这些尘埃落在工件的已加工表面,就会划伤表面加工质量较好的表面;落在量具的测量面上,就会造成测量误差。超精密加工一般要求洁净度为100级以上(即每in3[1]空间内大于0.5μm的尘埃不超过100个),另外还有更高级洁净度10级的要求,尘埃粒度减小到0.1μm。由于大面积超净间的造价很高,且不易达到高洁净度,因此出现了超净工作台、超净工作腔等小面积的超净环境。
普通加工中未予考虑的振动情况也是超精密加工必须解决的问题,减振、隔振是精密及超精密加工机床非常重要的问题。如果不采取措施进行隔振,其他地方的振动会对机床造成较大的影响,以致机床达不到加工的精度要求。例如,在精密磨削中,要获得表面粗糙度低于0.01μm的精度,需将磨削时的振幅控制在1~2μm以下。因此,超精密机床多安放在带防振沟和隔振器的防振地基上,还可使用空气弹簧对低频振动进行隔离,机床主轴部件也需经过精密动平衡以减少振动。(www.daowen.com)
2.超精密的计量手段
精密与超精密加工必须具备相应的检测技术和手段,要求测量仪器的精度至少比机床的加工精度高一个数量级。目前,超精密加工所用测量仪器多为激光干涉仪和高灵敏度的电气测量仪,激光干涉仪的测量精度为0.4×10-6,而多次光波干涉显微镜的分辨能力可达0.5nm;电气测量仪的放大倍数可达100万倍,重复精度为0.5nm,已能满足纳米级精度的测量要求。
3.误差补偿措施
在超精密加工中,必须包括在线误差补偿系统以对加工精度进行补偿。误差补偿系统一般由测量装置、控制装置及补偿装置三部分组成。测量装置向补偿装置发出脉冲信号,后者接收信号后进行脉冲补偿。每次补偿量的大小,取决于加工精度及刀具磨损情况。每次补偿量越小,补偿精度越高,工件尺寸分散范围越小,但对补偿机构的灵敏度相应也要求越高。
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