孫椰望 楊秋娟 曹 也 劉佳慧 鄭中鵬 劉 彪 李啟明

(①北京理工大學精密微小型制造技術研究所，北京100081；②北京理工(滕州)研究院有限公司，山東滕州277500；③山東華頌北理智能科技有限公司，山東棗莊277500；④北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京100028；⑤山東魯南機床有限公司，山東 滕州277500)

超精密微小型加工技術關系到制造業(yè)的產品高質 量、高價值和重大社會經濟效益,也是微細加工和納米加工技術發(fā)展的基石[1].隨著超精密復雜微細結構零部件在飛行器精密設備、陀螺儀、導航制導儀表、光學觀瞄儀表和醫(yī)療精密器件的快速廣泛應用,這些微小型精密零件的結構特點及其加工要求必須依靠完整復合加工技術實現,避免出現重復夾緊形變、加工損傷和精度超差.超精密微小型復合加工技術已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平和能力的標志,并且超精密微小型復合加工技術已經處于世界數控機床加工制造技術金字塔的塔尖制高點[2-3].目前,國際領先的超精密加工技術主要集中在瑞士、德國、美國、英國和日本等國家,并且這些技術受到嚴格封鎖；同時,國內超精密微細復雜結構零部件只能依靠多工序-單工位的加工工藝,使得微細結構工件重復夾緊定位誤差大、加工精度低、廢品率很高,甚至存在部分設計優(yōu)越的關鍵零部件無法加工完成,這些現狀嚴重制約了國家高精尖技術裝備的發(fā)展.因此,超精密微小型車銑復合加工技術成為微小型精密零件和高精尖儀器裝備制造的堅實基礎,突破超精密車銑復合加工技術成為發(fā)展國內高端裝備的不可或缺的途徑.然而,超精密機械運動系統(tǒng)受到結構、材料、界面狀態(tài)和環(huán)境變動等因素影響,系統(tǒng)要穩(wěn)定地達到亞微米乃至納米尺度的運動精度是極為困難的,并且尚未有公認的可定量指導精度控制的模型與方法.所以,為突破超精密微小型復合加工系統(tǒng)的精度穩(wěn)定性技術難題,促使國家精密裝備制造技術及其相關重大戰(zhàn)略行業(yè)技術的跨越式發(fā)展,必須開展超精密微小型車銑復合加工機床精度穩(wěn)定性影響機理和非線性變動規(guī)律研究.

1 超精密機床結構設計研究

超精密機床加工技術與傳統(tǒng)加工技術存在精度量級巨大差異而引入的設計方法、材料性能、結構微觀變化、激勵與環(huán)境敏感性的巨大差異,研究表明超精密加工精度穩(wěn)定性是由超精密機床的結構和運動特性、刀具、切削加工參數和環(huán)境條件等多因素綜合影響的結果,所以,超精密機床及其加工技術是一種復雜的系統(tǒng)工程,更是目前國際加工技術研究的重點和難點[1-4].因為機床的微小型化有利于減小運動部件慣性,從而易于實現高速加工和高精度、高剛度的運動控制,所以在超精密機床的研制方面從20世紀90年代開始日本和歐美等國家逐漸廣泛地開展了超精密微小型機床技術研究,并以提高加工精度為出發(fā)點,研制了多種用于微小工件精密切削加工的精密/超精密小型機床[5].其中,日本通產省工業(yè)技術院1996年研發(fā)了世界上第1臺微型化的機床樣機,1999年設計制作了世界上第1臺桌面型微型工廠樣機,2000年又設計制作了第2代微型工廠樣機.美國國家科學基金會2001年資助研發(fā)了兩臺微小型機床樣機,用于探索加工中間尺度的微小型工件.瑞士寶美技術有限公司2003年至2010年先后研制出第一代銑車復合中心S-192FT、第二代銑車復合中心S-191FT和第三代超精密微小型車銑復合加工機床,S-191實現了5 000 h微米級精密穩(wěn)定性加工和高效率的技術指標.瑞士威力銘采用熱膨脹動態(tài)補償技術研制了微精密車銑復合加工機床508MT和518MT,銑削主軸達到 42 000 r/min[5-6].2009年美國加利福尼亞大學采用空氣軸承主軸和多通道冷卻系統(tǒng)研制了超精密微小型5軸機床,實現了PCD 刀具、銑削主軸12 000 r/min、進給0.1 μm/齒、切深0.2 μm、表面粗糙度10 nm[7].2010年,英國布魯內爾大學利用動態(tài)建模設計計算與動態(tài)控制相結合的方式研制了5軸超精密微小型銑床,試驗獲得了表面粗糙度10 nm直線度0.28 mm/40 mm的納米級加工效果[8].國內精密/超精密微小型機床的研發(fā)主要以北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學、上海交通大學和西安交通大學等單位為領銜代表,其中北京理工大學“國防科技工業(yè)微細結構加工技術研究應用中心”從2003年至2016年先后研發(fā)四代精密/超精密微小型車銑復合加工機床；第三代機床各軸重復定位精度可達2 mm,解決了微小型引信結構件的單件、小批量加工的技術難題和能力問題,成為引信微細切削試制生產線的主要設備,填補了國內微小型車銑復合加工領域的空白；第四代“超精密微小型車銑復合加工機床”采用液體靜壓軸承車削主軸、高速陶瓷球軸承銑削主軸、高精度直驅B軸轉臺和高精度二維壓電陶瓷驅動微動平臺、空氣彈簧-大理石組合的隔震床身和“Power PMAC”的開放模式宏微結合誤差補償技術實現了宏微誤差補償具備主軸徑向跳動40 nm、進給運動精度50 nm的性能,試驗車削加工表面粗糙度達到0.1 μm[6,9].

2 超精密加工精度穩(wěn)定性研究

然而,超精密微小型加工精度穩(wěn)定性問題一直難以解決,Cheng K和Shore P論述超精密微小型加工整體技術體系應該包括超精密微小型機床設計原理與方法、結構優(yōu)化、工藝優(yōu)化、驅動與運動部件性能、主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性、機床動態(tài)性能、結構的尺度變化、檢測和控制技術等[1].代表歐洲制造業(yè)研發(fā)實力的德國弗朗霍夫生產技術研究所(fraunhofer institute for production technology,IPT)Brecher C.和Utsch P.認為超精密加工機床精度穩(wěn)定性的關鍵環(huán)節(jié)在于結構的微小型精益設計,從而減小機床的質量慣性、熱誤差影響和控制誤差；并基于提出的精簡化設計方法設計制造了加工范圍在100 mm×100 mm×50 mm的三軸聯動超精密銑削微小型機床和五軸聯動超精密磨削微小型磨床,實現了25 m/s2加速度脈沖運動情況下的精密微小型工件復合加工技術要求[10].梁迎春團隊認為超精密機床的設計制造與加工依賴于物理、化學、力學和材料科學等多學科的交叉技術,研究重點在于超精密機床的多性能檢測理論與方法、復雜物理場下多因素檢測理論與方法和超精密運動系統(tǒng)控制方法與動態(tài)復合誤差補償技術[11].趙萬華認為精密切削加工復雜系統(tǒng)的研究關鍵在于加工精度的保持性,精度保持性又因機床加工系統(tǒng)的結構不同而差異明顯,分為3個部分:主軸精度、幾何精度和運動精度[12],主軸精度作為一項獨立的精度指標,除主軸精度外,軸線的幾何精度是機床精度的基礎,而機床運動時的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度影響著機床的加工精度；并且提出了通過數控指令與機床運動軸實際位移的符合程度來評價機床加工系統(tǒng)精度的評價方法[13]；同時,機床運動精度的評價應該包含穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)誤差和勻速波動誤差3個方面,并提出根據不同機床結構特點和工藝要求進行精度綜合評價的方法,該運動精度評價方法能夠反映數控機床在設計制造以及加工過程中的核心技術,研究揭示了高速數控機床和超精密機床運動精度的顯著機電耦合特征[13-14].由于機床靜態(tài)精度和動態(tài)精度的特點,應該從設計和制造兩個階段保證機床的精度穩(wěn)定性設計階段注重非運動關鍵部件的結合面以及緊固件的優(yōu)化問題,制造階段注重內應力、殘余應力和蠕變對精密靜態(tài)結構件和運動件的最小化影響問題,并注重運動部件磨損引起的運動精度下降問題[15].李天箭認為超精密數控機床加工系統(tǒng)穩(wěn)定性應該采用多尺度集成設計方法,通過對5軸超精密銑床系統(tǒng)的剛度、精度和熱特性等因素的研究,分析了環(huán)境條件、宏微觀結構、表面微結構等多尺度參數對氣浮導軌剛度的綜合作用,獲得各尺度設計參數對系統(tǒng)剛度的影響規(guī)律及權重[16].

為了揭示機床超精密加工系統(tǒng)精度的穩(wěn)定性特點,主要依靠超精密切削加工實驗進行研究.張之敬和金鑫等以中間尺度的微小型構件加工為對象,以傳統(tǒng)制造技術為基礎,提出精密微小型制造技術概念和主要內涵,實現了高速精密微小型數控車銑復合加工技術應用,研究在微小型車銑復合加工中心上進行微小型工件完整性加工的工藝技術及特性；并針對超薄、異型微小型金屬構件的制造,提出了微小型制造工藝、基于制造特征的理論建模方法和基于工藝匹配原則的計算機顯微檢測技術[17].Zong W.J.認為超精密高效加工需要充分整合刀具、機床特性、切削工藝和控制技術等技術,提出了納米級金剛石研磨工藝機理和微小型超精密研磨機床的整體優(yōu)化設計方案[18].Rahman M通過對多種微小型典型工件的微細車削、微細銑削和復合加工研究,論證了一種精密切削與傳統(tǒng)切削耦合微細加工的工藝方法[19].Wang Z.G.和Cheng X.采用主軸質量平衡補償機理和直線電動機中心驅動技術,利用空氣靜壓軸承研制了超精密微小型加工機床,揭示了質量平衡與重心驅動能夠有效抑制納米級切削振動,并且說明切削深度對納米級切削質量有較大影響[7].劉冰冰研究了無偏微小型正交車銑加工的工藝參數和加工過程中理論切削力的修正模型,構建了微細車銑加工的Z-A材料本構模型,力致誤差模型并實現了正交車銑切削力的數值驗證；并提出微小型車銑加工的重復裝夾、顫振、系統(tǒng)熱源和切削力致誤差容易造成微細加工精度的不穩(wěn)定[20].周磊分析了多種線性、非線性因素對微納米切削系統(tǒng)的影響,建立了微納米動態(tài)切削系統(tǒng)集成模型和切削工藝參數,構建了三維表面數據辨識微納米車削過程刀具-工件相對振動的方法；并采用改進的PID控制算法有效補償了軌跡跟蹤過程中的相位滯后現象,但是微納米切削過程中復合動態(tài)和非線性因素的數值模型構建、切削穩(wěn)定性研究和動態(tài)穩(wěn)定性控制方法仍然困難[4].袁哲俊和謝大綱認為超精密加工能獲得Ra0.02～0.002 μm的金屬鏡面以及1 nm厚度的切屑,所以超精密切削加工各種材料的極薄層物理、化學、力學性能和材料內部性能常有很大差異,而這極薄的表層在摩擦磨損、物化性能和機械行為中起著主導作用[21].所以,超精密復合加工穩(wěn)定性存在獨特的特點,其加工系統(tǒng)的力、熱、結構蠕變、環(huán)境條件、誤差補償方法等因素對加工精度的影響將更具交叉性和敏感性.

3 超精密加工熱因素研究

諸多研究表明在上述超精密加工精度影響因素中,關鍵部件的熱穩(wěn)定性對超精密加工精度保持性具有較大影響,即便超精密機床設計采用熱穩(wěn)定最好的花崗巖基材,1℃的溫差也會導致1.66 μm/200 mm線性熱應變[15,22-23].針對超精密機床熱穩(wěn)定性問題,梁迎春團隊采用熱位移分解與消減法優(yōu)化設計了超精密機床的結構部件,有效地消減了超精密機床部件熱誤差因素[23].Aggogeri F.提出了一種多功能材料耦合的空腔結構設計方法,通過對比鑄鐵溜板和立柱,驗證了新型結構件的高剛性、低比重、高阻尼比、良好的熱穩(wěn)定性和靜動態(tài)穩(wěn)定性的特點[22].盧秉恒院士團隊提出了采用因子分析方法選擇優(yōu)化精密裝備的熱誤差變量,針對權重較高的部分變量進行熱分析,實現了在最少化溫控點方案下高精度壓印機壓印光刻套刻對準精度[24].Creighton利用ANSYS建立了高速微銑床主軸的熱誤差補償模型,獲得了主軸熱變形引起的加工誤差較補償前減小了80%的明顯效果[25].Kim研究了主軸軸承的裝配公差和主軸支承結構的熱變形對高速主軸系統(tǒng)熱特性的影響規(guī)律[26].方兵研究發(fā)現精密機床在工作過程產生大量的熱,造成機床復雜機械結構的非均勻溫度場,致使零部件發(fā)生差異性的非線性熱變形；并提出了部件結合面熱阻對溫度場和精度的影響概念,通過機床主要結合面熱阻的情況研究,揭示了結合面熱阻對機床精度的影響[27].

4 超精密加工系統(tǒng)的結構蠕變研究

同時,超精密機床熱問題受觀測尺度、取樣尺寸等因素的影響,并呈現多尺度特點.李天箭構建了超精密機床熱特性多尺度設計方法,有利于指導超精密機床時空多尺度熱分析和熱特性的優(yōu)化設計,完成了超精密機床熱特性設計體系構建,指導了超精密機床時空尺度的熱分析[16].Fu M.W.認為微米級工件精密加工與傳統(tǒng)宏觀尺度精密加工精度和質量的影響因素的本質不同在于尺度差異,由于微米級的結構量級引發(fā)了全新的加工界面、摩擦力熱、組份變化和微動因素對超精密微小型加工的影響,超精密加工精度穩(wěn)定性的研究需要多學科的交叉應用、數值計算與實驗的耦合、多尺度建模及優(yōu)化設計[28].所以,溫度場和應力場引起的結構微觀和時域蠕變變化對超精密機床加工系統(tǒng)的精度穩(wěn)定性也具有較大影響.楊挺青認為材料與結構蠕變對精密設備穩(wěn)定性的影響是至關重要的問題,并且結構蠕變問題已經融入工程應用,特別是在精密結構件和薄層界面受到一定載荷下,由于結構蠕變會造成結構形變、應力和位移,甚至結構突然疲勞毀塌,對關鍵裝備制造會造成重大影響[29].王文瑞認為蠕變對超精密精度和測量影響較大,基于高溫應變柵絲蠕變測量系統(tǒng)和有限元蠕變數值計算,揭示了溫度、時間、應力、彈性模量對應變柵絲的蠕變影響規(guī)律,提出采用彈性模量小的高溫應變柵絲快速測量精密應變數據的方法,提高了測量精度[30].左正興團隊對力、熱作用下發(fā)動機精密件的結構蠕變特性進行了研究,揭示了在高溫載荷下的鋁合金結構蠕變特點和疲勞行為特征,獲得了溫度、載荷等因素對鋁合金材料蠕變和壽命行為的影響規(guī)律,建立了結構蠕變損傷與疲勞損傷非線性耦合的蠕變-疲勞壽命預測模型,進行了活塞結構在變工況載荷下的蠕變-疲勞分析與精度穩(wěn)定性研究[31-32].針對機床結構蠕變精度的影響問題,吳嘉錕研究了螺栓緊固與蠕變對精密機床加工精度的影響,建立了多螺栓彈性相互作用模型和多螺栓蠕變松弛預緊力變化模型,通過實驗研究揭示了螺栓間距和預緊力對螺栓彈性相互作用和殘余應力的影響；并建立了螺栓常溫蠕變松動時蠕變力變化規(guī)律,構建了機床地腳螺栓蠕變模擬分析模型,量化分析了地腳螺栓長期螺變松馳對機床幾何精度的影響規(guī)律[33].

5 結語

綜上所述,超精密微小型車銑復合加工技術是復雜超精密微小型結構件切削加工技術發(fā)展的主流方向,其加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要包含力、熱、環(huán)境變動所引起的機床精度微量時空變化；尤其是這些變化的影響機理、變動規(guī)律均具有明顯的時間和三維尺度非線性特征.由于超精密加工精度非線性變動規(guī)律尚無明確的定量結論,造成了超精密加工技術控制的瓶頸和突出的技術難點,目前主要存在以下問題:

(1)超精密加工機床精度的力、熱響應敏感,其復雜系統(tǒng)的材料差異性、部件界面精度誤差和運動時變性造成了諸多的非均勻應力場和溫度場分布,并呈現精度非線性變化的特點.

(2)切削過程的力-熱分布、振動時變、摩擦磨損和環(huán)境變動等因素對超精密加工系統(tǒng)精度的變動影響以及靜、動交替變動狀態(tài)影響精度穩(wěn)定性的研究缺乏.

(3)關鍵裝配零部件和運動部件,其結合面的非均勻接觸造成的應力、應變非均勻分布和時域變化而導致的結構蠕變及其精度不穩(wěn)定研究不足.

(4)鑒于機床精度誤差控制補償的局限性,超精密機床設計應該從結構上最大程度降低整體結構布局和關鍵部件結構的形變,關鍵部件進行撓性力矩優(yōu)化設計,運動副行程進行適應性短行程設計,并充分保證機床的亞微米級隔振和恒溫環(huán)境.