超精密微小型复合加工机床精度稳定性研究现状∗∗

孙椰望 杨秋娟 曹 也 刘佳慧 郑中鹏 刘 彪 李启明

(①北京理工大学精密微小型制造技术研究所，北京100081；②北京理工(滕州)研究院有限公司，山东滕州277500；③山东华颂北理智能科技有限公司，山东枣庄277500；④北京北特圣迪科技发展有限公司，北京100028；⑤山东鲁南机床有限公司，山东 滕州277500)

超精密微小型加工技术关系到制造业的产品高质 量、高价值和重大社会经济效益,也是微细加工和纳米加工技术发展的基石[1].随着超精密复杂微细结构零部件在飞行器精密设备、陀螺仪、导航制导仪表、光学观瞄仪表和医疗精密器件的快速广泛应用,这些微小型精密零件的结构特点及其加工要求必须依靠完整复合加工技术实现,避免出现重复夹紧形变、加工损伤和精度超差.超精密微小型复合加工技术已经成为衡量一个国家制造业水平和能力的标志,并且超精密微小型复合加工技术已经处于世界数控机床加工制造技术金字塔的塔尖制高点[2-3].目前,国际领先的超精密加工技术主要集中在瑞士、德国、美国、英国和日本等国家,并且这些技术受到严格封锁；同时,国内超精密微细复杂结构零部件只能依靠多工序-单工位的加工工艺,使得微细结构工件重复夹紧定位误差大、加工精度低、废品率很高,甚至存在部分设计优越的关键零部件无法加工完成,这些现状严重制约了国家高精尖技术装备的发展.因此,超精密微小型车铣复合加工技术成为微小型精密零件和高精尖仪器装备制造的坚实基础,突破超精密车铣复合加工技术成为发展国内高端装备的不可或缺的途径.然而,超精密机械运动系统受到结构、材料、界面状态和环境变动等因素影响,系统要稳定地达到亚微米乃至纳米尺度的运动精度是极为困难的,并且尚未有公认的可定量指导精度控制的模型与方法.所以,为突破超精密微小型复合加工系统的精度稳定性技术难题,促使国家精密装备制造技术及其相关重大战略行业技术的跨越式发展,必须开展超精密微小型车铣复合加工机床精度稳定性影响机理和非线性变动规律研究.

1 超精密机床结构设计研究

超精密机床加工技术与传统加工技术存在精度量级巨大差异而引入的设计方法、材料性能、结构微观变化、激励与环境敏感性的巨大差异,研究表明超精密加工精度稳定性是由超精密机床的结构和运动特性、刀具、切削加工参数和环境条件等多因素综合影响的结果,所以,超精密机床及其加工技术是一种复杂的系统工程,更是目前国际加工技术研究的重点和难点[1-4].因为机床的微小型化有利于减小运动部件惯性,从而易于实现高速加工和高精度、高刚度的运动控制,所以在超精密机床的研制方面从20世纪90年代开始日本和欧美等国家逐渐广泛地开展了超精密微小型机床技术研究,并以提高加工精度为出发点,研制了多种用于微小工件精密切削加工的精密/超精密小型机床[5].其中,日本通产省工业技术院1996年研发了世界上第1台微型化的机床样机,1999年设计制作了世界上第1台桌面型微型工厂样机,2000年又设计制作了第2代微型工厂样机.美国国家科学基金会2001年资助研发了两台微小型机床样机,用于探索加工中间尺度的微小型工件.瑞士宝美技术有限公司2003年至2010年先后研制出第一代铣车复合中心S-192FT、第二代铣车复合中心S-191FT和第三代超精密微小型车铣复合加工机床,S-191实现了5 000 h微米级精密稳定性加工和高效率的技术指标.瑞士威力铭采用热膨胀动态补偿技术研制了微精密车铣复合加工机床508MT和518MT,铣削主轴达到 42 000 r/min[5-6].2009年美国加利福尼亚大学采用空气轴承主轴和多通道冷却系统研制了超精密微小型5轴机床,实现了PCD 刀具、铣削主轴12 000 r/min、进给0.1 μm/齿、切深0.2 μm、表面粗糙度10 nm[7].2010年,英国布鲁内尔大学利用动态建模设计计算与动态控制相结合的方式研制了5轴超精密微小型铣床,试验获得了表面粗糙度10 nm直线度0.28 mm/40 mm的纳米级加工效果[8].国内精密/超精密微小型机床的研发主要以北京理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、上海交通大学和西安交通大学等单位为领衔代表,其中北京理工大学“国防科技工业微细结构加工技术研究应用中心”从2003年至2016年先后研发四代精密/超精密微小型车铣复合加工机床；第三代机床各轴重复定位精度可达2 mm,解决了微小型引信结构件的单件、小批量加工的技术难题和能力问题,成为引信微细切削试制生产线的主要设备,填补了国内微小型车铣复合加工领域的空白；第四代“超精密微小型车铣复合加工机床”采用液体静压轴承车削主轴、高速陶瓷球轴承铣削主轴、高精度直驱B轴转台和高精度二维压电陶瓷驱动微动平台、空气弹簧-大理石组合的隔震床身和“Power PMAC”的开放模式宏微结合误差补偿技术实现了宏微误差补偿具备主轴径向跳动40 nm、进给运动精度50 nm的性能,试验车削加工表面粗糙度达到0.1 μm[6,9].

2 超精密加工精度稳定性研究

然而,超精密微小型加工精度稳定性问题一直难以解决,Cheng K和Shore P论述超精密微小型加工整体技术体系应该包括超精密微小型机床设计原理与方法、结构优化、工艺优化、驱动与运动部件性能、主轴系统稳定性、机床动态性能、结构的尺度变化、检测和控制技术等[1].代表欧洲制造业研发实力的德国弗朗霍夫生产技术研究所(fraunhofer institute for production technology,IPT)Brecher C.和Utsch P.认为超精密加工机床精度稳定性的关键环节在于结构的微小型精益设计,从而减小机床的质量惯性、热误差影响和控制误差；并基于提出的精简化设计方法设计制造了加工范围在100 mm×100 mm×50 mm的三轴联动超精密铣削微小型机床和五轴联动超精密磨削微小型磨床,实现了25 m/s2加速度脉冲运动情况下的精密微小型工件复合加工技术要求[10].梁迎春团队认为超精密机床的设计制造与加工依赖于物理、化学、力学和材料科学等多学科的交叉技术,研究重点在于超精密机床的多性能检测理论与方法、复杂物理场下多因素检测理论与方法和超精密运动系统控制方法与动态复合误差补偿技术[11].赵万华认为精密切削加工复杂系统的研究关键在于加工精度的保持性,精度保持性又因机床加工系统的结构不同而差异明显,分为3个部分:主轴精度、几何精度和运动精度[12],主轴精度作为一项独立的精度指标,除主轴精度外,轴线的几何精度是机床精度的基础,而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度；并且提出了通过数控指令与机床运动轴实际位移的符合程度来评价机床加工系统精度的评价方法[13]；同时,机床运动精度的评价应该包含稳态误差、瞬态误差和匀速波动误差3个方面,并提出根据不同机床结构特点和工艺要求进行精度综合评价的方法,该运动精度评价方法能够反映数控机床在设计制造以及加工过程中的核心技术,研究揭示了高速数控机床和超精密机床运动精度的显著机电耦合特征[13-14].由于机床静态精度和动态精度的特点,应该从设计和制造两个阶段保证机床的精度稳定性设计阶段注重非运动关键部件的结合面以及紧固件的优化问题,制造阶段注重内应力、残余应力和蠕变对精密静态结构件和运动件的最小化影响问题,并注重运动部件磨损引起的运动精度下降问题[15].李天箭认为超精密数控机床加工系统稳定性应该采用多尺度集成设计方法,通过对5轴超精密铣床系统的刚度、精度和热特性等因素的研究,分析了环境条件、宏微观结构、表面微结构等多尺度参数对气浮导轨刚度的综合作用,获得各尺度设计参数对系统刚度的影响规律及权重[16].

为了揭示机床超精密加工系统精度的稳定性特点,主要依靠超精密切削加工实验进行研究.张之敬和金鑫等以中间尺度的微小型构件加工为对象,以传统制造技术为基础,提出精密微小型制造技术概念和主要内涵,实现了高速精密微小型数控车铣复合加工技术应用,研究在微小型车铣复合加工中心上进行微小型工件完整性加工的工艺技术及特性；并针对超薄、异型微小型金属构件的制造,提出了微小型制造工艺、基于制造特征的理论建模方法和基于工艺匹配原则的计算机显微检测技术[17].Zong W.J.认为超精密高效加工需要充分整合刀具、机床特性、切削工艺和控制技术等技术,提出了纳米级金刚石研磨工艺机理和微小型超精密研磨机床的整体优化设计方案[18].Rahman M通过对多种微小型典型工件的微细车削、微细铣削和复合加工研究,论证了一种精密切削与传统切削耦合微细加工的工艺方法[19].Wang Z.G.和Cheng X.采用主轴质量平衡补偿机理和直线电动机中心驱动技术,利用空气静压轴承研制了超精密微小型加工机床,揭示了质量平衡与重心驱动能够有效抑制纳米级切削振动,并且说明切削深度对纳米级切削质量有较大影响[7].刘冰冰研究了无偏微小型正交车铣加工的工艺参数和加工过程中理论切削力的修正模型,构建了微细车铣加工的Z-A材料本构模型,力致误差模型并实现了正交车铣切削力的数值验证；并提出微小型车铣加工的重复装夹、颤振、系统热源和切削力致误差容易造成微细加工精度的不稳定[20].周磊分析了多种线性、非线性因素对微纳米切削系统的影响,建立了微纳米动态切削系统集成模型和切削工艺参数,构建了三维表面数据辨识微纳米车削过程刀具-工件相对振动的方法；并采用改进的PID控制算法有效补偿了轨迹跟踪过程中的相位滞后现象,但是微纳米切削过程中复合动态和非线性因素的数值模型构建、切削稳定性研究和动态稳定性控制方法仍然困难[4].袁哲俊和谢大纲认为超精密加工能获得Ra0.02～0.002 μm的金属镜面以及1 nm厚度的切屑,所以超精密切削加工各种材料的极薄层物理、化学、力学性能和材料内部性能常有很大差异,而这极薄的表层在摩擦磨损、物化性能和机械行为中起着主导作用[21].所以,超精密复合加工稳定性存在独特的特点,其加工系统的力、热、结构蠕变、环境条件、误差补偿方法等因素对加工精度的影响将更具交叉性和敏感性.

3 超精密加工热因素研究

诸多研究表明在上述超精密加工精度影响因素中,关键部件的热稳定性对超精密加工精度保持性具有较大影响,即便超精密机床设计采用热稳定最好的花岗岩基材,1℃的温差也会导致1.66 μm/200 mm线性热应变[15,22-23].针对超精密机床热稳定性问题,梁迎春团队采用热位移分解与消减法优化设计了超精密机床的结构部件,有效地消减了超精密机床部件热误差因素[23].Aggogeri F.提出了一种多功能材料耦合的空腔结构设计方法,通过对比铸铁溜板和立柱,验证了新型结构件的高刚性、低比重、高阻尼比、良好的热稳定性和静动态稳定性的特点[22].卢秉恒院士团队提出了采用因子分析方法选择优化精密装备的热误差变量,针对权重较高的部分变量进行热分析,实现了在最少化温控点方案下高精度压印机压印光刻套刻对准精度[24].Creighton利用ANSYS建立了高速微铣床主轴的热误差补偿模型,获得了主轴热变形引起的加工误差较补偿前减小了80%的明显效果[25].Kim研究了主轴轴承的装配公差和主轴支承结构的热变形对高速主轴系统热特性的影响规律[26].方兵研究发现精密机床在工作过程产生大量的热,造成机床复杂机械结构的非均匀温度场,致使零部件发生差异性的非线性热变形；并提出了部件结合面热阻对温度场和精度的影响概念,通过机床主要结合面热阻的情况研究,揭示了结合面热阻对机床精度的影响[27].

4 超精密加工系统的结构蠕变研究

同时,超精密机床热问题受观测尺度、取样尺寸等因素的影响,并呈现多尺度特点.李天箭构建了超精密机床热特性多尺度设计方法,有利于指导超精密机床时空多尺度热分析和热特性的优化设计,完成了超精密机床热特性设计体系构建,指导了超精密机床时空尺度的热分析[16].Fu M.W.认为微米级工件精密加工与传统宏观尺度精密加工精度和质量的影响因素的本质不同在于尺度差异,由于微米级的结构量级引发了全新的加工界面、摩擦力热、组份变化和微动因素对超精密微小型加工的影响,超精密加工精度稳定性的研究需要多学科的交叉应用、数值计算与实验的耦合、多尺度建模及优化设计[28].所以,温度场和应力场引起的结构微观和时域蠕变变化对超精密机床加工系统的精度稳定性也具有较大影响.杨挺青认为材料与结构蠕变对精密设备稳定性的影响是至关重要的问题,并且结构蠕变问题已经融入工程应用,特别是在精密结构件和薄层界面受到一定载荷下,由于结构蠕变会造成结构形变、应力和位移,甚至结构突然疲劳毁塌,对关键装备制造会造成重大影响[29].王文瑞认为蠕变对超精密精度和测量影响较大,基于高温应变栅丝蠕变测量系统和有限元蠕变数值计算,揭示了温度、时间、应力、弹性模量对应变栅丝的蠕变影响规律,提出采用弹性模量小的高温应变栅丝快速测量精密应变数据的方法,提高了测量精度[30].左正兴团队对力、热作用下发动机精密件的结构蠕变特性进行了研究,揭示了在高温载荷下的铝合金结构蠕变特点和疲劳行为特征,获得了温度、载荷等因素对铝合金材料蠕变和寿命行为的影响规律,建立了结构蠕变损伤与疲劳损伤非线性耦合的蠕变-疲劳寿命预测模型,进行了活塞结构在变工况载荷下的蠕变-疲劳分析与精度稳定性研究[31-32].针对机床结构蠕变精度的影响问题,吴嘉锟研究了螺栓紧固与蠕变对精密机床加工精度的影响,建立了多螺栓弹性相互作用模型和多螺栓蠕变松弛预紧力变化模型,通过实验研究揭示了螺栓间距和预紧力对螺栓弹性相互作用和残余应力的影响；并建立了螺栓常温蠕变松动时蠕变力变化规律,构建了机床地脚螺栓蠕变模拟分析模型,量化分析了地脚螺栓长期螺变松驰对机床几何精度的影响规律[33].

5 结语

综上所述,超精密微小型车铣复合加工技术是复杂超精密微小型结构件切削加工技术发展的主流方向,其加工系统的稳定性主要包含力、热、环境变动所引起的机床精度微量时空变化；尤其是这些变化的影响机理、变动规律均具有明显的时间和三维尺度非线性特征.由于超精密加工精度非线性变动规律尚无明确的定量结论,造成了超精密加工技术控制的瓶颈和突出的技术难点,目前主要存在以下问题:

(1)超精密加工机床精度的力、热响应敏感,其复杂系统的材料差异性、部件界面精度误差和运动时变性造成了诸多的非均匀应力场和温度场分布,并呈现精度非线性变化的特点.

(2)切削过程的力-热分布、振动时变、摩擦磨损和环境变动等因素对超精密加工系统精度的变动影响以及静、动交替变动状态影响精度稳定性的研究缺乏.

(3)关键装配零部件和运动部件,其结合面的非均匀接触造成的应力、应变非均匀分布和时域变化而导致的结构蠕变及其精度不稳定研究不足.

(4)鉴于机床精度误差控制补偿的局限性,超精密机床设计应该从结构上最大程度降低整体结构布局和关键部件结构的形变,关键部件进行挠性力矩优化设计,运动副行程进行适应性短行程设计,并充分保证机床的亚微米级隔振和恒温环境.