摘　要:为减小在超光滑表面制造中对经验的依赖,为提高加工精度及重复精度,研制了采用锡磨盘的超精密平面研抛机。该机床集超精密车削与超精密研抛于一体,可以进行基于多种基本原理的超光滑研抛实验研究。介绍了超精密平面研抛机总体设计方案,主要包括机床的结构及精度设计的指导思想、关键部件的结构与驱动系统的方案选择以及机床的外部环境设计。

　　1　引　言

　　在光学光滑表面加工中,采用散粒磨料的古典抛光法至今仍有广泛的应用。用这种方法制造精密表面的关键是磨盘(或抛光模)的修整技术,只有使用高精度的磨盘,才能获得高精度的抛光表面。古典抛光中磨盘或抛光模材料一般是沥青,其质地较软,在抛光初期面形很差。工件在被抛光的同时也在不断地修整抛光模。为获得较高面形精度,抛光中需不断检查工件面形,并修改抛光参数。由于在用古典抛光法制造超光滑表面时,为获得极低的表面粗糙度,工件在抛光的最后阶段要持续地抛光很长时间,不允许中断抛光过程来检查面形,所以就很难象通常那样控制工件面形精度。使用环形分离器抛光[1]技术,可无需干扰正在抛光的工件,但修整磨盘表面依然需要技师多年的经验积累。由于对经验的强烈依赖,所以古典抛光法制造高精度表面的效率很低,而且质量不稳定。

　　古典抛光法需要修整磨盘的根本原因在于,当抛光参数设定后,工件在抛光中的面形朝凹或凸的方向单调变化,只有不断调整抛光参数才能使其向要求的面形精度收敛。假如我们能用车削的方法获得高精度的磨盘,并在抛光的每个周期结束后都将磨损的磨盘通过车削恢复其原始精度,则可以使工件面形因磨盘精度的保持而朝固定的方向收敛。工件的面形精度由磨盘面形的车削精度来决定,而车削的成形精度主要由机床精度决定,这样便可以极大程度地减少抛光中对技师经验的依赖。

　　基于以上考虑,我们研制了FP500型超精密研抛机,既可用于高精度磨盘的车削,又可用于超光滑表面的抛光。本文介绍FP500型超精密研抛机的功能、精度及总体结构方案的选择等。

　　2　磨盘材料的选择

　　采用超精密车削方法制造高精度磨盘的前提是找到一种既适合于切削,又适合于做抛光模的材料。选择磨盘材料的首要条件是切削性好;其次是磨盘材料应具有较低的硬度。超精密抛光需要实现原子级的材料去除,工件表面应避免任何来自磨盘的刮伤或划痕。另外,磨盘材料还应对酸碱不敏感,这是因为抛光液通常是非中性的。我们首选软质金属。硬度最低的金属依次是铅、锡。由于铅有毒,故选择纯锡为磨盘材料。

　　锡是一种延展性很好的金属,超精车后表面具有光泽,可达较低的粗糙度。国外已有采用锡磨盘抛光超光滑表面的报道[2,3]。我们也进行了相关的抛光实验[4],证明了锡用作抛光磨盘材料的可行性。实验中的抛光磨盘采用纯锡铸造。由于锡的刚性较差,以不锈钢作为锡盘基底。锡磨盘经粗加工后,在锡表面制作不同形状的沟槽(见图1),以利于抛光。最终的磨盘表面由金刚石车刀加工。

　　除纯锡材料外,具有良好可切削性的聚四氟乙烯也具有很好的抛光能力[5]。

　　3　超精密研抛机的主体结构与精度

　　3.1　功能要求

　　新型超精密研抛机应具有超精密车削与超精密研抛两大基本功能。首先由超精密车削实现高平面度磨盘的车削修整;然后再用这一高精度磨盘对工件进行超光滑研抛。考虑到实验研究的复杂性,研抛功能主要包括以下3项:

　　(1)自重抛光:工件与磨盘接触抛光,对工件不施加任何垂直于磨盘的外力;抛光界面所受压力仅来自于工件及其夹具的重量。

　　(2)压力研抛:接触抛光中,工件受到来自外界垂直于磨盘并可调节的压力。

　　(3)定间隙非接触抛光:人为地使被加工面与磨盘工作面之间产生微米级的间隙,使二者浸在抛光液中非接触抛光。

　　3.2　基本结构及其设计原则

　　在进行超精密加工机床结构设计时,所遵循的基本指导思想与普通或精密机床设计有很大区别。对于超精密平面研抛机的总体结构设计来说,主要考虑以下几个方面:

　　(1)精度优先:超精密平面研抛机的总体结构、主轴、导轨、进给系统、电控系统以及其它部件的设计应该以最终保证加工工件的平面度为基础。

　　(2)提高刚性:由于机床不仅要完成超精密车削和抛光,而且还要进行加压研抛,因而必须考虑主轴、导轨及其驱动系统的刚性。

　　(3)结构简单:为了获得高刚性结构,超精密平面研抛机的结构必须尽量简单,传动环节应尽量少。

　　(4)温度及热变形的控制:为了获得车削及抛光所要求的加工精度,环境温度和液压油的温度必须严格控制。同时,在结构设计时应尽量采用热对称结构,减小热变形的影响。

　　在考虑以上原则的基础上,我们参考了国外的同类设备[6]。机床的主体结构类似于小型立车与立式端面磨床的合成(见图2)。固定在立式主轴上的磨盘既是超精车的工件,又是超精抛光的磨具,其工作表面直径为φ500mm。水平横导轨采用龙门结构横跨于磨盘上方,以保证刚度和稳定性。导轨右半部为超精车的工作区,导轨滑板及固定在其上的车刀架位于这一部分。切削时刀架可实现水平连续进给与间歇进给。连续进给的最小速度达5mm/min,间歇进给的定位精度为0.01mm,刀具纵向最小进给量为5μm。导轨左半部为工件轴区。

　　工件轴固定在滑板上,并在它的上面滑动,工件被固定在工件轴的下端面进行抛光。工件轴不仅具有很高的回转精度,而且可沿轴向升降定位,重复定位精度为0.2μm。工件沿轴向可进行微位移调整,以适应定间隙非接触抛光。

　　4　主轴、工件轴、超精车导轨及其驱动系统方案

　　具有多种主轴和导轨的方案适合于超精密车削,每种方案都有其优势与不足。在比较与选择时,一定要考虑所拥有的加工技术实力以及应用目的。驱动方式的选择在满足使用功能的同时,要以不影响被驱动部件的精度为前提。

　　4.1　超精密轴系及其驱动系统

　　超精密研抛机有两个超精密轴系。考虑到加压研抛的性能,不仅要求轴系有较高的回转精度,而且要有较高的刚性。通常超精密回转轴系所用轴承主要有滚动轴承、空气轴承、液体静(动)压轴承和磁力轴承等[7]。

　　滚动轴承由于其内部钢球磨损的原因,精度保持性差,不适合用于长时间回转的轴系。液体动压轴承适于高速回转轴系,而不适于低速回转,并且刚度较低。磁力轴承是依据电磁理论制造的独特的轴承,精度很高,但成本相应也很高。

　　液体静压轴承和空气静压轴承是最适合于超精密轴系的轴承,后者的精度可以做得很高,而且易维护。

　　我们曾考虑使用空气轴承,但其刚性和载容量是最大的障碍。要获得高刚性的空气轴承,其体积将很庞大。液体静压轴承在刚度方面与空气轴承相比具有很大优势,这是由于使用比空气粘度大的油作为工作液体的原因。但随之而来的是静压轴承供油泵的脉动影响,这可以在液压站增设蓄能罐来克服。另外,为减小油在工作过程中的升温,必须在油的循环回路中装设高性能的温控装置。但在低速旋转时,这一问题不太突出。综合以上考虑,我们采用液体静压轴承作为主轴。超精密主轴的驱动方式对回转精度影响很大。选择超精密主轴驱动方式的基本原则是:

　　(1)驱动源使主轴只受纯力偶的作用,不受径向力、轴向力及弯矩等干扰。

　　(2)驱动源的振动应消除、减少或隔离。此外,还要做到减小驱动源噪声,消除或隔离发热。这要求驱动源有硬的机械特性和均匀的转速,不污染主轴环境。

　　常用超精密主轴的驱动系统有皮带驱动、机械联轴节驱动、磁性联轴节驱动、空气轴承辅助驱动等[8]。考虑到本机床主轴对转动力矩及转速的要求,我们将精化过的精密直流伺服驱动电机安置在主轴轴线方向上,通过机械式纯力偶联轴节传递电机的驱动力矩。在联轴节的接触面上,采用双排精密滚珠滑板以减小摩擦。电机轴与主轴的轴线通过调整,其同轴度<10μm。为最大程度消除振动对主轴的影响,电机直接固定在地基上,不与机床主体相联。

　　采用这种设计制造,安装调试后的主轴综合回转精度达到了0.3μm。

　　工件轴采用双层液压套方案(见图3),芯轴与过渡轴套构成液体静压柱形滑轨,芯轴相对于过渡轴套的最大滑移距离为50mm;升降动作由微型力矩马达通过蜗轮蜗杆机构实现;过渡轴套与外轴套构成超精密回转液压轴系以保证精度。工件轴的回转采用同轴驱动方式,力矩马达和测速机套穿在过渡轴套上,以过渡轴套为转子实现无级调速转动,并通过键联带动芯轴。电机的发热会导致轴杆伸长,为此对过渡轴套采取单向固定结构。制造后工件轴的最终回转精度达到了0.4μm。

　　4.2　超精密车削用导轨及其驱动系统

　　超精密平面研抛机的车削用导轨是保证磨盘平面修整精度的关键部件。考虑到超精车的特殊要求,其导轨应具备以下几个基本特点:

　　(1)直线度好。

　　(2)运动灵活,无爬行等不连续动作。

　　(3)适当的刚性。

　　用于超精密车削的导轨有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨、空气导轨以及磁浮导轨等[9]。

　　磁浮导轨在原理上可以达到很高精度,但当前技术不成熟。滑动导轨和滚动导轨由于受摩擦、温度、介质等影响,其运动速度、精度受到限制,也有一定的寿命限度,而且低速时还会出现爬行。空气导轨制作方便、运动精度高、刚性适宜,适合于应用,但由于导轨横架在磨盘上方,浸液抛光时,抛光液蒸发产生的酸性或碱性水气会侵蚀空气导轨面,破坏其直线度。液体静压导轨将工作油通过节流器注入到导轨工作面上作为润滑膜而工作,无爬行,直线性好,并具有高刚性,但由于油泵的脉动引起的压力不稳定以及发热是其独有的问题,因而对液压站的设计有较高的要求。

　　综合以上考虑,我们选用液体静压导轨用于超精密车削,而对于主要工作于静态的工件轴导轨则采用滑动导轨。

　　超精密车削用导轨的驱动系统及其传递方式也是影响导轨运动精度的重要因素。首先,驱动源必须运动平稳,精度高;其次,进给传递元件如丝杠等运动及联接要保证导轨只受运动方向的驱动力,而其它方向不能有任何干扰力或干扰力矩。进给传递元件除了滑动、滚动丝杠外,还可以采用静压丝杠、空气丝杠和磁力丝杠[10]。

　　我们采用高精度力矩马达作为驱动源和螺距为1mm的滑动丝杠作为传递元件。在对丝杠外螺纹进行精研后,在工作条件下可以避免爬行。考虑到温度对丝杠长度的影响,丝杠支座采用单向固定式结构设计,可以避免丝杠变形对导轨施加力矩。采用这种结构设计获得的导轨运动直线精度为0.7μm/250mm。

　　5　超精密平面研抛机的外围设备及环境

　　本机床的超精密主轴、导轨、工件轴均采用液体静压机构。由于工作油的脉动、发热等都会直接影响工作系统的精度,因此,我们在液压站的油路上选用脉动小的油泵,对油进行多级过滤,并增设蓄能罐以最大程度地减小液压脉动;采用两套相互独立的供油液压站,一套用于主轴供油,另一套供给导轨和工件轴交替使用。液压站的油进行恒温处理,温度控制精度为20±0.2℃。

　　机床安置在独立隔振地基上,以减小外界振动的影响。为保证超精车及超精抛光的精度,在恒温精度为±1℃的1000级洁净房间内,再设置一个小型装配式洁净间,用以安置机床。

　　6　结　论

　　我们研制的FP500型超精密平面研抛机,具有回转精度为亚微米的高刚性液体静压主轴,配合高精度的液体静压直线导轨,可以通过车削制造出平面度优于1μm、直径为500mm的平面磨盘。利用这台集超精密车削与超精密研抛于一体的机床,可以方便地进行基于多种基本原理的超光滑研抛研究。

　　参考文献:

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　　[3] B Harder, O Weis. Superpolishing sapphire: a method to produceatomically flat and damage free surfaces[J]. Surf Sci, 1989, 220:118-138.

　　[4]高宏刚,等.浮法抛光亚纳米级光学表面[J].光学学报, 1995, 15(6): 824-825.

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　　[9]伊庭刚二.超精密加工机の机械要素技术[J].机械技术, 1987,35(9): 24-33.

　　[10]伊庭刚二.超精密加工机における机构设计と要素技术(7)[J].机械の研究, 1993, 45(12): 1287-1295.

　　作者简介:高宏刚(1967-),男,河北省沙河市人,中科院人工晶体研发中心博士,主要从事光学超精密加工与计测研究,当前的研究重点为新型晶体材料的超精密加工技术。

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