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加工铝制零件的高精设备是如何达到它的超高精度的

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加工铝制零件的高精设备是如何达到它的超高精度的

钻 石 品 质 钻 石 服 务铝制零件的加工制造固然重要,一颗淡定的心其实更是不可或缺。作为铝制零件加工的载体,精密机床的床身加工好了后,是不能急着用的,要 在室外拿油布包好放几年,释放应力。这是为了防止机床装配调平好后,底座 再发生形变。现在一般超精密磨床和机床的底座都采用大理石,因为大理石消 除振动的性能比较好,热变形也比钢结构小。 又比如精密机床一般都装配在一个恒温罩或者是恒温厂房内,如果是超精密机 床,这个恒温房一般还要精确控制室内温度,不仅要做到冬暖夏凉,也要考虑 到快速排出机床运行加工时的产热,尽可能把热形变控制在最小。铝制零件加工方面,说最好的机床都是手工做的实在不靠谱,的确,牛逼的师 傅能做出 0 级精度平板平面,也就是说把课桌大小的一块平面的平面度公差控 制在 7 微米,大概头发丝的百分之一粗细那么个波动,但是再精密些的平面, 大师傅就比不过大工程师和投入的大把资金了。 前段时间清华大学设计装配了一个光学镜面超精密加工机床,最大能加工直径 为 880 毫米的光学镜面。他们在硬铝上加工出了表面粗糙度 5 纳 米,直径 400 毫米球面,用无氧铜加工出了直径 100 毫米,表面粗糙度 8 纳米的非球形面。 注意,这里表面粗糙度的单位是只有微米千分之一的纳米了,8 纳米 只相当于 20 个水分子一字排开那么长,大师傅是肯定辨认不出来的,因为他的一滴泪中 就有 10 的 22 次方个水分子。那么这样的精度是怎么达到的,最高的精度从理论上来说取决于什么呢?我在文章开头提到要做好机床就要淡定,在此基础之上,精度主要取决于对机 床误差的控制,根本上又取决于检测手段的分辨率和机床的分辨力:根据机床误差控制手段的不同,对机床精度的检测手段也不一样,比如要在加 工铝件时检测机床的误差,就要用在线检测手段,边加工边检测。有一款机床 它采用装在导轨上的纳米光栅测量加工台面到底跑了多少。 如果伺服轴根据命 令要运行 5000 纳米,光栅检测到由于热误差,这个加工台面其实跑了 5010 纳 米,那么控制系统就让伺服轴就移回 4090 纳米,再向前运 行到 5000 纳米。这 样就把误差从 10 纳米缩小到了光栅能检测到的最小范围内。至于为什么要回到 4090 而不是 5000,因为有“反向间隙”的问题。然后就是分辨力,上面我提到的那个超精密机床采用大理石床身,4 轴数控联 动,以及全气浮支承和零传动结构,机床主轴回转精度 0.05m,直线伺服轴 分辨 力 1.25 nm,回转作台角位移分辨力 0.009。不管那么多复杂的名词,我 们要简单的理解误差补偿,只用理解分辨力就够了,分辨力 1.25 纳 米就是说 机床走一步最少要迈出去 1.25 纳米。为什么分辨力重要呢,比如纳米光栅检测 到刀具在伺服轴上实际运动到了 5002 纳米,要回到 5000 纳米的位 置,就不可 能了,理想状况下的最小误差也会有 0.5 纳米。实际状况下,要做到效果较好的误差补偿比以上这个例子复杂多了,因为误差钻 石 品 质 钻 石 服 务可能分布在某轴的 6 个自由度上,再带上个导轨直线度误差、导轨间垂直度误 差什么 的。如果说这些硬着头皮还能用数学算出来,再考虑下加工的工件不一 样,加工平台起始的动量就都不一样,加工时间也有区别,那么机床产热也自 然不一样,产热 的区间有变化时机床的热膨胀就跟着变化,一会儿拖板翘了个 兰花指给 X 轴带来俯仰误差,一会 Y 轴又热变形扭曲了直线度变化了,冷却液 撒到工件上尼玛缩下去了 好几微米啊肿么办,喂我花了一个普通数控机床的钱 买来的纳米光栅就只能补偿一个自由度上的误差?呃,总之要做最精密的机床, 一颗淡定的心绝对是不可或缺, 当包括但不仅限于以上的问题一个一个逐步解 决掉的时候,就能在精度上更进一步更进一步,就能制造出大家所泛指的工业拇姬了。主轴回转精度是需要通过双频激光干涉仪测量以后才知道的,双频激光干涉仪 细分以后的最小分辨率能达到 10 个纳米。一般测到这个数量级的时候,除了要 找稳定的测量环境,还要用到干涉仪的温度湿度补偿模块,因为此时环境变化 已经能让测量结果产生很大漂移了。一般来说呢直线伺服轴的分辨力是不用测量的。是买来就有标,或者算出来的。这台机床是“直线电机、气浮导轨和纳米级分辨力光栅”。我之前说过两个要 素“检测手段”加“分辨力”。有纳米光栅这个检测手段的话,其实就差一个 执行机构了。超精密数控机床的精度其实挺反直觉的,你去看下机床展就会有体会,做激光 板材切割的机床,看着他明明跑的快到能把人撞死的导轨,就神奇的能在一个 毫米之内 停下来,还有工件转台和刀头上连根 0.5mm 自动笔芯,绕的速度快到 你看都看不清。现代机械真的已经大大超越老师傅了,这没什么无法接受的, 因为这不是机器超越了人,是人超越了人,是把老师傅的能力提炼出来的人超 越了老师傅而已。

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