超精密静压支承部件及其在超精密加工机床的应用

2015-02-24胡秋夏仰球米良李梦阳

机床与液压 2015年22期

胡秋，夏仰球，米良，李梦阳

(1.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室，四川绵阳 621900)

航空航天、精密仪器、光学和激光技术的迅速发展促进了超精密加工技术的应用，近年来，超精密加工更是开始走向消费品生产领域［1－3］。

超精密加工机床是超精密加工的物质基础，它可以直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级面形精度的表面。静压支承部件作为高精度的运动部件，具有运动平稳和运行精度高的优点，已成为超精密加工装备支承元器件的首选。超精密加工装备方面，静压技术被广泛应用于主轴、导轨和转台等关键功能部件中［4］。

1 超精密静压部件

传统的机械接触式运动副之间不可避免地产生摩擦和发热，制约了这类机械结构的运动精度。在超精密运动副设计中，非接触式的静压支承取代机械接触式的运动副，可有效避免传统机械接触带来的摩擦损耗、发热、变形和振动等问题［5－6］。

静压支承是指通过液/气源向支承内部供给具有一定压力的流体，流体通过节流器后充满压力腔，并流入底面与支承平面之间，形成压力薄膜，从而实现承载和润滑作用的一种非接触式支承方式。图1为气体静压平面支承原理图，其中pS为静压支承外部供气压力，W为静压支承所受外载荷，h1、h2分别为静压支承受外载荷前、后气膜间隙，p1、p2分别为静压支承受外载荷前、后气膜面压力分布。

图1 静压支承原理图

静压支承之所以能获得很高的精度，在于其气/油膜误差均化作用，实践经验证明:静压支承元件误差均化作用系数可达4～5倍，这大大降低了主轴零部件的制造精度。

1.1 超精密静压主轴

超精密主轴是超精密加工机床关键功能部件之一。一台超精密加工设备的精度高低，很大程度上由其主轴回转精度决定。

基于静压支承技术的主轴部件几乎是超精密主轴的唯一选择。静压主轴部件包括气体静压主轴部件和液体静压主轴部件 (见图2)。由于气/油膜的误差均化作用，故其可以获得极高的回转精度［4，7］。

图2 超精密静压主轴

气体静压主轴部件的主要特点在于摩擦功耗极小，主轴可以获得极高的转速，这是液体静压主轴不具有的优点。一般超精密气体静压主轴最高转速可达数万转每分钟，其全速域动态回转精度达到50 nm，但刚度和承载能力相对较低。

液体静压轴承一般使用的液体是液压油，其黏度为空气的5 000～10 000倍，供给压力大，液体静压主轴则可获得大的刚度和承载能力，重载静压主轴刚度可达1 000 N/μm以上。但由于受高速运转时油膜的剪切作用，高速时摩擦发热较大，故主轴最高转速相对受到限制。它主要用于高刚度、重载场合，例如超精密磨削主轴、车床主轴等［8－10］。

1.2 静压导轨技术

导轨用于支承并引导运动部件使之沿规定的轨迹作准确运动，也是机床安装的基础，导轨是超精密加工机床另一个关键部件。导轨的基本要求为导向精度及精度保持性、刚度与承载能力、低速运动平稳性、无爬行［5－6］。

从支承元件介质来分，静压导轨有气体静压导轨(图3)和液体静压导轨 (图4)之分。与主轴一样，气体静压导轨可以获得较大的运行速度，且环境清洁，多用于超精密仪器或者轻载机床。当今气体静压导轨运动直线度可以达到0.1 μm/300 mm亚微米级的水平，由于空气摩擦因数极低，故可以获得很高的运行速度［8－9］。

图3 超精密气浮导轨

图4 超精密液体静压导轨

液体静压导轨则能获得较大的刚度和承载能力，同时液体静压导轨所用介质为油，黏度大，可以获得良好的阻尼特性。图4展示了液体静压导轨和直线导轨抗振性对比，可以明显看出:液体静压导轨抗振性明显优于气体静压导轨［10－12］。

1.3 静压转台技术

超精密液体静压转台是超精密加工装备与仪器关键功能部件之一，静压转台采用静压支承技术，支承处于纯流体润滑条件下工作，静摩擦因数极小，启动转矩小，运转灵敏，无爬行;承载能力大，刚度高;零磨损，使用寿命长;承载介质的误差均化作用使得静压转台具有极高的回转精度。由于具有上述一系列优点，静压转台得到人们的重视和应用［13］。

静压转台分为空气静压转台和液体静压转台，由于二者在刚度和承载能力等方面的差别，空气静压转台更多用于各种高端仪器中。圆度仪是机械加工行业最常见的检测仪器之一，超精密气体静压转台则是其关键功能部件之一，其回转精度可达25 nm。如图5(a)为一个配合使用多维调整装置的超精密空气静压转台。

如果把这种超精密空气静压转台再配以超精密反馈元件，则这种转台本身就是一台超精密仪器。瑞士KUNZ公司RT300超精密转台 (图5(b))分度精度可达0.5″，分辨率可达 0.01″，重复性误差可达0.02″。它可用于实验室角度基准计量测试［14］。

图5 超精密气体静压转台

超精密液体静压转台由于其极高的动态回转精度和高刚度、高承载能力和良好的阻尼特性，因而在超精密加工设备中得到良好的应用［10］。

2 静压部件在超精密加工机床中的应用

超微细结构加工是当前超精密加工领域的热点，应用非常广泛，如各种显示器件 (电视机、笔记本电脑、手机等显示单元)、印刷品、灯具及其他光学器件等。微结构形状有V型、金字塔型、球型、棱柱等多种形式。其加工深度一般约为结构深度5～50 μm左右，表面粗糙度控制在10 nm以下，加工精度很大程度由加工机床决定。

这种微结构主要采用超精密多轴金刚车进行加工，目前这种机床国际上生产厂家有美国MOORE、德国KUGLER、日本东芝等少数几个厂家［8－10］。图6为微结构及其加工示意图。

图6 微结构结构及加工示意图

图7为美国MOORE公司的HDL2000型超精密数控鼓形车床，机床最大加工直径达600 mm，最大加工长度为2 000 mm，工件最大质量为3 000 kg。在MOORE这台超精密数控鼓形车床中，静压支承技术发挥得淋漓尽致［15］。

图7 MOORE公司的HDL2000型超精密数控鼓形车床

该机床头架主轴、尾座主轴均采用超精密液体静压支承技术，其径向刚度达到875 N/μm，动态回转精度达到100 nm以下;B轴采用液体静压转台，其定位分辨率为0.02弧度秒;重复定位精度为±2弧度秒;3根线性进给轴均采用重型液体静压导轨，其中X轴直线度达到0.5 μm/350 mm，Z轴直线度达到1 μm/500 mm。机床极高的几何精度和位置精度保证了微结构加工精度。

图8 HDL2000金刚车各种静压部件

3 展望

静压支承技术是一门古老的学科，但由于其制造系统复杂，相对成本较高，在相当长的时间并非机床功能部件主流支承方式。近年来，随着超精密加工技术与装备的发展，由于静压支承能达到极高精度，故静压主轴、静压导轨和静压转台几乎成了超精密加工机床关键功能部件支承方式的首选。

随着航空航天、精密仪器、光学和激光技术等先进技术的发展，超精密加工技术将会得到更迅速的发展，与之相适应的，静压技术及与之相应的超精密静压部件也将得到新的发展。

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