模具成型件的超精密平面磨削

目前，在模具成型件加工中，已运用了大量的计算机技术，如：CAX—CAD、CAPP、CAM、CAE、CIM等技术；在生产组织方式上有精良生产、敏捷制造、虚拟制造等新的发展，以及有清洁环保生产和绿色制造等研究，这代表了当前制造技术发展的一个重要方面，但这仅仅是高新制造技术的一部分，作为制造技术的主体，作为真实产品的实际制造，仍然要靠精密加工和超精密加工技术。例，模具成型件的高速铣削、数控加工中心、控制线切割、数控电火花、成型磨削等等。正是超精密加工技术在模具制造领域的广泛运用，如超精密平面磨削技术在各类汽车模具上的应用，使得我国汽车行业有了较大的变化与发展，达到了较高水平。因而，超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的主要标志。

超精密平面磨削是超精密加工的一个重要领域，其技术的研制在国内基本还是一片空白，目前还没有见到过国内厂家或科研单位成功研制超精密平面磨床的报道。因而，对超精密平面磨削技术的研究，即其技术指标应达到何种水平、需要解决多少关键单元技术等，将是十分必要。

1超精密平面磨削的技术要求

1.1超精密平面磨削的技术指标

精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。精密加工是指加工精度为1-1µm、表面粗糙度为Ra0.1-0.025µm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于0.1µm、表面粗糙度Ra小于0.025µm的加工技术，因此，超精密加工又称之为亚微米级加工。但是，目前超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的技术，如表1所示。

根据我国目前精密平面磨削的基础，结合国外超精密平面磨削的技术指标，提出以下超精密平面磨削机床的技术指标，并与已实现的技术指标作了比较。

表1 超高精度平面磨床主要技术参数与目前三个精度级的对比       单位mm

1.2超精密平面磨削的技术要求

根据表1所示的超精密平面磨削的技术指标，我们可以提出超精密平面磨削机床的技术要求：机床的砂轮垂直进给能实现微量进给，机床具有足够的静、动态刚性，尤其是对机床的热变形及振动的控制较常规的机床要有质的提高。

2实现超精密平面磨削的方法与手段

如上所述，为了实现这些技术要求来达到理想的技术指标，在机床的设计理念与机床的具体结构中，要求与传统的机床有较大的改进与提高，根据我们的经验及对国外精密加工技术资料收集与分析，结合平面磨削的机床结构、运动要求，可将整机分解为如下的主要单元技术：（1）机床布局型式；（2）新材料运用；（3）主轴精密回转技术；（4）微量进给技术；（5）运动导轨型式；（6）高精度温度控制技术。#p#分页标题#e#

2.1机床布局型式

机床布局型式极为重要，是决定成败的关键，但是超精密磨削技术是由精密磨削发展而来，从国外已实现超精密平面磨削机床看，其结构型式多种多样，既有“磨头移动式”，也有“立柱移动式”或“十字拖板移动式”，无一例外，均未脱离传统的机床布局结构型式。从我们已掌握的高精度平面磨削技术基础上，认为机床结构采用“十字拖板移动式”适合于超高精度平面磨削机床的研制。因为该结构型式，具有机床结构布局对称性好，热稳定性好；主要运动部件重心低，运动平稳等优点。

2.2新材料运用

超精密平面磨削对机床的热变形及振动控制要求较高。在机床基础结构件材料的运用上，应突破传统以灰铸铁为主的原则，采用一些新型材料，如：非金属材料——树脂混凝土，该材料的振动衰减性、耐热梯度、线胀系数等特性均大大优于金属材料。这在国外已被成熟运用，在国内也有运用的例子，如上海机床厂有限公司的数控凸轮轴磨的床身采用了人造大理石材料，取得了较好的效果。因而在超精密平面磨削机床的主要关键基础件，如床身、立柱、拖板等应采用人造大理石材料。

2.3主轴精密回转技术

主轴回转精度是超精密平面磨削的关键技术之一，其数值要求在0.1µm以下，而且其刚度、热膨胀性、抗振性等方面都应有非常好的性能。

静压空气轴承的主轴部件具有以下优点：刚性高，摩擦国小，温度变化小，能在高转速下工作，回转精度高，其精度可达到0.1µm-0.025µm,径向和轴向刚度在100-300µm之间，磨损率小（接近于零），寿命长，基本不需要维修等。因而空气静压轴承主轴将是超精密平面磨削的首选。

2.4微量进给技术

在超精密平面磨削加工中，砂轮的微量进给是被加工件尺寸精度和表面质量的重要保证。目前，在精密的平面磨削加工中，其进给通常采用“伺服电机+滚珠丝杆”的典型的纯机械方式，一般以能实现0.1µm的微量进给为极限。若要实现超精密平面磨削所需的0.1µm-0.01µm乃至更小的微量进给，传统的机械方式已不能适用。

从国外的资料了解，目前实现微量进给主要采用以下两种方式：一是利用压电陶瓷的位移分辨率高、响应速度快的特点，二是利用材料的热变形原理实现微量进给。其中压电陶瓷在微量进给机构中的运用比较普遍，已可稳定达到0.01µm的微量进给，因而，在超精密平面磨削加工首选是采用此种方式。其次，超精密平面磨削研制的初级阶段，若能采用对传统的机械方式进行精化，稳定实现0.1µm的微量进给，也可满足在大多数超精密平面磨削加工的需要。

2.5运动导轨型式

超精密平面磨削是依靠砂轮与工件的相对运动来实现的，它不仅需要砂轮具有精密的回转运动，而且也需要工件具有超精密的直线运动，其精度要求应在0.1µ/100mm之内。因而一般常常使用静压导轨，利用其运行精度高、无爬行等优点。静压导轨又分为液体静压和气体静压两种。一般来说，液体静压导轨刚度大，在具有磨削功能的机床使用广泛，但是它的结构相对复杂，由于油的粘性剪切阻力，发热问题较为严重，热变形控制相对较难。因而，采用气体静压导轨更为适用。

2.6高精度温度控制技术

对超精密平面磨削而言，机床热变形的控制极为重要，这在机床的整机布局设计过程中，必须考虑热对称性及热稳定性，可考虑采用先进的设计方法加以先期的控制。对机床运动产生的热量、磨削产生的热量、必须通过恒温手段加以严格控制，如油液、导轨轴承所用空气、冷却液等，其温度控制精度应在0.1 ºC以内。环境温差也是影响超精密平面磨削的一大因素，可考虑采用多层恒温控制手段，机床周围大环境的温差控制在20ºC±1ºC,其近围环境温度应控制在20ºC±0.1ºC，而且要控制人体（操作工）对温度的影响。

3结束语

上述，仅对我们认为实现超精密平面磨削较为关键的几个方面，进行了简单讨论，由于这是一个复杂的系统工程，还有许多方面，如机床隔震、高效清洁过滤等技术，也是非常重要，需要进一步探讨与研究。

参考文献

[1]圣怡,戴一帆.《超精密加工技术的发展与对策》.中国机械工程，2000年08期.

[2]许发樾.《实用模具设计与制造手册》[M].机械工业出版社，2003年.

[3][德]Geory Menges,Walter Michacli,Paul Mohren著，《注射模具制造工程》，北京：化学工业出版社，2003.