정밀·초정밀 가공기계 핵심기술 분석

초정밀 가공 공작기계의 핵심 부품 기술

Gai Yuxian Dong Shen, 하얼빈 공과대학

1 소개

Ultra - 정밀가공 공작기계 연구개발은 1960년대부터 시작되었습니다. 당시 미국의 레이저 핵융합 실험장비와 적외선 실험장비 개발에는 대형 금속 반사체가 필요했기 때문에 반사체 제작을 위한 초정밀 가공기술 개발이 시급했다. 단일 포인트 다이아몬드 선삭 공구를 사용하여 알루미늄 합금 및 무산소 구리를 경면 절단하는 초정밀 가공 기계가 등장했습니다. 1980년 미국은 세계 최초로 3좌표 제어 M-18AG 비구면 표면가공 공작기계를 개발해 서브미크론 초정밀 가공 공작기계 기술의 성숙을 알렸다. 일본의 초정밀 가공 공작기계 연구개발은 미국에 비해 20년 뒤쳐져 있다. 1981년부터 1982년까지는 다각형 경면 가공기가 먼저 개발되었고, 이어서 자기 헤드 미세 가공 기계, 디스크 단면 선반이 개발되었습니다. 최근에는 비구면 표면 가공 기계와 단파장 X선 거울 가공 기계가 주로 개발되었습니다. 독일, 네덜란드, 대만의 초정밀 공작기계 기술도 세계 최고 수준이다. 우리나라의 초정밀 공작기계 연구개발은 비교적 늦게 시작되었으나 대다수의 정밀공학 연구자들의 끊임없는 노력으로 만족스러운 성과를 거두었습니다. 하얼빈공과대학 정밀공정연구소가 개발한 HCM-I 초정밀 가공 공작기계의 주요 기술 지표가 국제 수준에 도달했다. 일부 해외 초정밀 가공 공작기계와 HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계의 성능지표는 Table 1과 같다. 이번 글에서는 초정밀 가공 공작기계의 핵심 부품 기술을 주로 다룬다. 표 1 국내외 대표적인 초정밀 선반 성능지표 요약 모델(제조업체) HCM-Ⅰ

(중국 하얼빈공업대학) M-18AG

(Mohr 특수공작기계, 미국) 초정밀 CNC 기계

(일본 도시바) 초정밀 선반

(독일 IPT)

스핀들 방사형 런아웃(μm) ≤ 0.075 0.05(500r/min) 0.048

축방향 런아웃(μm) 0.05 0.05(500r/min)

경방향 강성(N/μm) 220 100

축방향 강성(N/μm) 160 200

가이드 레일 Z방향(스핀들) 진직도 <0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm 0.044μm/80mm

X 방향(공구 홀더) 진직도<0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm 0.044μm/80mm

X, Z 방향 수직도(") ≤1 1

반복 위치 정확도 (μm) 1( 전체 공정)

0.5 (25.4mm)

가공

작업물

정확도 형상 정확도 (μm) 진원도 : 0.1 평탄도 : 0.3 <0.1(P-V 값) 0.1

표면 거칠기(μm) Ra0.0042 0.0075(P-V 값) Ra0.002 0.002~0.005RMS

위치 피드백 시스템 분해능 ( μm) 25 2.5 10

온도 제어 정확도(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1

진동 절연 시스템 고유 주파수(Hz) ≤2 2

가공범위(mm) 320 356 650×250

2 스핀들 시스템

초정밀 가공 공작기계의 스핀들은 가공 과정에서 공작물이나 공구의 움직임을 직접적으로 지지하는 역할을 하며, 따라서 스핀들의 회전 정밀도는 공작물의 가공 정밀도에 직접적인 영향을 미치므로 스핀들은 초정밀 가공 공작 기계의 가장 중요한 구성 요소라고 할 수 있습니다. 현재 개발되고 있는 초정밀 가공 공작기계의 스핀들 정도를 평가하는데 가장 중요한 것은 정압 에어베어링 스핀들입니다. . 에어 베어링 스핀들은 진동 정확도가 좋습니다.

스핀들 진동 회전 정밀도는 샤프트의 진원도 오차와 가공 거칠기의 영향을 제외한 축선 진동, 즉 비반복 방사형 진동으로 정적 정밀도입니다. 현재 고정밀 에어베어링 스핀들의 회전 정확도는 0.05μm에 도달할 수 있으며, 최고는 0.03μm에 도달할 수 있습니다. 베어링의 회전 샤프트를 지지하는 압력막의 균질화 효과로 인해 에어베어링 스핀들은 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다. 베어링 부품 자체보다 정확도가 높습니다. 예를 들어, 스핀들의 회전 정확도는 샤프트 및 슬리브와 같은 베어링 구성 요소의 진원도의 약 1/15 ~ 1/20일 수 있습니다. 일본 학자들의 연구에 따르면 샤프트와 슬리브의 진원도가 0.15~0.2μm의 정확도에 도달하면 10nm의 회전 정확도를 얻을 수 있으며, 이들이 제작한 최고 정밀 에어 베어링 스핀들의 회전 정확도를 측정했습니다. FFT를 사용하면 8nm가 됩니다. HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계의 조밀한 옥 에어베어링 스핀들의 진원도 오차는 0.1μm 이하입니다. 또한, 에어베어링 스핀들은 우수한 동특성, 긴 정밀도 수명, 무진동, 사용 조건에 맞는 강성/부하 용량 등의 장점도 갖고 있습니다. 하지만 스핀들 강성, 발열, 유지관리 측면에서 세밀한 작업이 필요합니다. 나노 수준의 회전 정밀도를 갖는 에어베어링 스핀들을 달성하기 위해서는 에어막의 균질화를 통해 달성되는 에어베어링 샤프트 및 슬리브의 형상 정밀도가 0.15~0.2μm에 달할 뿐만 아니라, 공기 공급 구멍에서 흘러나오는 가스의 균일성. 공기 공급 구멍 수, 분포 정확도, 축에 대한 경사각, 베어링의 볼록함과 오목함, 원통형, 표면 거칠기 등의 차이는 모두 베어링 표면의 공기 흐름 균일성에 영향을 미칩니다. 고르지 못한 공기 흐름은 회전 정확도에 영향을 미치는 작은 진동의 직접적인 원인입니다. 공기 공급 시스템의 상태를 개선하려면 베어링 재료로 다공성 재료를 사용해야합니다. 이는 다공성 베어링이 무수히 많은 작은 구멍을 통해 공기를 공급받기 때문에, 압력 분포를 개선하고 공기 흐름의 균일성을 향상시키는 동시에 내하력을 높일 수 있기 때문입니다. 다공성 물질의 균일성은 매우 중요합니다. 다공성 공기 공급 베어링 재료 내부의 공극은 공기 공동을 형성하므로 제어하지 않으면 에어 해머 진동이 발생하므로 표면을 차단해야 합니다. 3 선형 가이드 레일

공구와 공작물 사이의 상대적 위치 결정 메커니즘인 선형 가이드 레일은 스핀들 다음으로 중요한 구성 요소입니다. 초정밀 가공 기계용 리니어 가이드의 기본 요구 사항은 다음과 같습니다: 유연한 움직임, 크롤링과 같은 불연속적인 움직임, 우수한 선형 정확도, 고속 이동 중 낮은 발열. 초정밀 가공 공작 기계에 일반적으로 사용되는 가이드 레일에는 V-V 슬라이딩 가이드 레일 및 롤링 가이드 레일, 정수압 가이드 레일 및 기압 가이드 레일이 포함됩니다. 전통적인 V-V 유형 슬라이딩 가이드와 롤링 가이드는 미국과 독일의 응용 분야에서 좋은 결과를 얻었습니다. 후자의 두 개는 비접촉식 가이드 레일이므로 크롤링에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 후자의 두 개는 정확도 측면에서 가장 적합한 가이드 레일이기도 합니다. 유압 가이드는 오일의 점성 전단 저항으로 인해 상대적으로 많은 양의 열을 발생시키므로 유압 오일에 대한 냉각 조치를 취해야 합니다. 또한, 유압 장치가 상대적으로 크고 오일 회로의 유지 관리도 번거롭습니다. 가스 정압 가이드 레일의 지지 부분이 평평하기 때문에 더 큰 지지 강성을 얻을 수 있으며 ⑸? 컷 시간 웨이터 수안 5 烀 Xian Mu Lai가 지쳤습니까? ? 손바닥? 백본 란이 지사 신? 간 ⒚ 箮> 특정 장면 H 庋升 강한 침대 勋? 특정 장면 ＜ Ci Gu 벽이 황제 Yi 팔을 부수는 장면 B 晙 옥심야자? 烀婺诨娋? 鬬ridge缀瀨 입니다. 그루브 능선 D 껍질 날아다니는 야자? 부끄러운 비 노크 능선 .1 ~ 0.2μm/250mm.

HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계는 에어 리니어 가이드를 사용하며, 에어 베어링 표면의 압력 분포는 그림 1과 같습니다.

그림 1 공기 베어링 표면의 압력 분포

기압 가이드 레일을 설치하고 조정하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있습니다. (1) 충분한 배기 채널이 보장되어야 합니다. 그렇지 않으면 슬라이드 플레이트가 위치 교란을 일으키고 교란의 양이 때때로 수 미크론에 도달합니다. (2) 이론적으로 스로틀링 조리개와 공기막 두께를 줄이면 슬라이드 플레이트의 강성을 높일 수 있지만 기술적인 어려움이 따릅니다. 기존의 기계적 가공 방법을 사용하여 f0.15mm 미만의 작은 구멍을 처리하는 것은 어렵습니다. 다른 처리 방법을 모색해야 하며, 이는 또한 작은 구멍 막힘을 방지하기 위한 더 높은 요구 사항을 제시합니다. (3) T형 가이드레일의 측면 에어플로트 블록과 하부 에어플로트 블록은 나사로 체결되어 캔틸레버 구조를 이루며, 나사로 체결할 경우 공기압의 작용으로 변형이 발생하여 요철이 발생할 수 있습니다. 공기막 두께가 성능에 영향을 미칩니다.

그러나 계산 결과에 따르면 긴 나사를 사용하면 에어 블록과 나사의 변형이 약간 더 크고, 짧은 나사를 사용하면 에어 블록과 나사의 변형이 서브미크론 수준이므로 무시할 수 있습니다.

4 피드 및 마이크로 피드 시스템

가장 일반적으로 사용되는 피드 시스템은 다양한 피드 스크류입니다. 초정밀 가공 공작 기계에서는 볼 스크류가 반대 방향으로 사용됩니다. 역방향은 간격이 작고 전송 효율이 높기 때문에 널리 사용되었습니다. 고정밀 정수압 나사와 마찰 드라이브도 초정밀 가공 공작 기계에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

초정밀 가공 공작기계의 볼스크류는 일반적으로 C0 정도의 정밀도를 가지고 있습니다. 폐쇄 루프 제어로 인해 최고 등급의 볼 스크류를 사용하여 현재 최고 수준의 위치 결정 정확도 0.01μm를 달성합니다. 볼 스크류는 정수압 스크류의 필수 부착물이 필요하지 않으며 사용하기에 매우 편리한 스크류입니다. 그러나 서브미크론 초정밀 가공 공작기계용 이송나사로는 볼의 회전과 볼 사이의 접촉 미끄럼에 따른 약간의 진동, 미끄럼 나사에 비해 진동 감쇠 특성이 떨어지는 등의 문제를 고려할 필요가 있습니다. . HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계에 사용되는 볼스크류는 서보모터와 리드스크류, 리드스크류와 너트, 베이스와 슬라이드 플레이트의 결합 및 조립을 엄격하게 보장하여 슬라이드 플레이트의 공기 부양 면적을 줄이고 공기 부양 강성을 향상시켜 나사 오류가 슬라이드의 이동 정확도에 미치는 영향을 줄입니다. 또한, 스크류 너트와 슬라이드 플레이트가 플로팅 연결 구조를 채택함으로써 슬라이드 플레이트의 요동에 따른 볼스크류의 압력 변동으로 인한 스크류의 순간적 또는 영구적 변형을 감소시킨다. 동시에 볼 스크류 자체의 굽힘으로 인한 스크류 회전으로 인한 슬라이드 이동 오류도 방지하여 0.01μm 이하의 최소 변위 분해능을 달성합니다. >

유압나사쌍의 나사와 너트가 직접 접촉되지 않고 고압의 액막으로 분리되어 있어 마찰로 인한 크롤링이나 백래시가 없어 정확성을 유지할 수 있다. 오랜 시간 동안 공급 해상도가 더 높고 유막이 균질화 효과가 있기 때문에 공급 정확도가 향상될 수 있으며 더 긴 스트로크에서 나노미터 수준의 위치 결정 해상도를 얻을 수 있습니다. 그러나 정압나사 장치는 크기가 크고 오일펌프, 축압기, 액체순환장치, 냉각장치, 여과장치 등 많은 보조장치를 갖추어야 하며, 또한 환경오염 문제도 있다.

마찰 구동은 마찰을 통해 서보 모터의 회전 운동을 구동 로드의 선형 운동으로 변환하여 틈 없는 전달을 달성합니다. 그 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. 미세한 관점에서 보면 프레싱 휠과 피동 로드 사이의 유막은 액체 윤활 상태에 있으며 윤활유의 전단 특성에 따라 견인 시스템이 결정됩니다. 따라서 계수가 높은 윤활유를 선택하는 것이 필요합니다. 압입 휠이 굴러갈 때 이송이 이루어지며, 이송 분해능은 서보 모터 1회전의 스텝 수에 따라 달라집니다. 마찰 구동 이송을 사용할 때 중요한 문제는 예압이 너무 작으면 접촉면이 미끄러질 수 있고, 예압이 너무 크면 탄성 변형으로 인해 올바른 구동이 어려울 수 있습니다. 또한, 예압이 존재하기 때문에 마모 문제가 발생하기 쉽습니다. 새로운 연구에 따르면 트위스트 롤러 마찰 드라이브를 사용하면 옹스트롬 수준의 위치 지정이 가능하다는 사실이 밝혀졌습니다.

그림 2 마찰 구동 원리 다이어그램

다양한 이송 나사와 마찰 구동 특성이 표 2에 나와 있습니다.

마이크로 피드 메커니즘은 더 높은 위치 정확도와 피드 해상도에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 초정밀 가공 공작 기계에도 널리 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 방법에는 롤링 스크류 피드와 탄성 피드를 조합하는 방법, 조동 및 미세 조정 압전 요소를 결합하는 방법이 있습니다. HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계는 압전식 마이크로피드 툴홀더를 사용합니다.

표 2 다양한 이송 메커니즘의 특징 유형 장점 단점 위치 결정 정확도

피드 스크류 슬라이딩

스크류는 제조가 용이하지만 연삭 가공 기술이 필요하며 좋은 감쇠에는주의가 필요합니다 신중한 연삭 후 및 처리 중 크롤러의 위치 정확도는 0.01μm입니다.

전처리는 0.1μm에 도달해야 합니다.

볼

나사는 표준화되어 있으며 얻기 쉽습니다(클래스 C0) 감쇠가 좋지 않습니다.

크롤링에 주의가 필요합니다.

최대 진동은 0.01μm에 도달할 수 있습니다.

pre -처리는 0.1μm에 도달해야 합니다.

액체 정적

압력 나사는 고정밀도, 대형 감쇠 장치, 많은 보조 장비 및 어려운 유지 관리를 갖추고 있으며 오일 오염이 상당히 좋습니다. 정확도는 0.01μm, 일반적으로

0.03 μm

기체 정체

압력 나사는 정밀도가 높으며 유지 관리가 쉽고 가공이 어렵습니다.

마찰 구동 장치는 정밀도가 높고 구조가 단순하며 적절한 사전 조정이 필요합니다. 현재 압력 및 관리 목표는 0.01μm입니다.

압전 소자는 초미세 분해능(나노미터 이하, nm)을 갖습니다. ) 및 작은 스트로크(수 마이크로미터 ~ 수십 마이크로미터) nm,

5 환경 조건

초정밀 가공에는 세 가지 환경 조건이 있습니다. 하나는 오염입니다. 초정밀 가공 공작 기계는 그 장점을 최대한 활용하기 위해 깨끗한 초청정실에 배치되어야 합니다. 실내 청결도는 1입방피트당 0.5μm 이상의 먼지 입자 수로 표현됩니다. 초정밀 가공 공작기계로서 작업환경은 20,000~3,000레벨 이하이어야 합니다.

두 번째는 진동이다. 환경 진동의 간섭은 공작 기계 본체의 진동을 유발할 뿐만 아니라 더 중요한 것은 절삭 공구와 가공 부품 사이의 상대적인 진동 변위를 유발하여 가공의 정확성과 표면 품질에 직접적으로 영향을 미친다는 것입니다. 부분품. 따라서 초정밀 가공 공작기계에는 성능이 뛰어난 제진장치가 반드시 장착되어야 합니다. 현재 대부분의 외국 초정밀 가공 공작 기계는 공기 스프링을 제진 요소로 사용하는 제진 시스템을 사용하여 우수한 제진 효과를 얻었습니다. 이는 주로 공기 스프링이 더 큰 하중 지지 능력을 가지면서 더 낮은 강성을 갖기 때문입니다. 스프링의 강성이 낮기 때문에 제진 시스템은 환경 간섭 주파수에서 벗어나 더 낮은 고유 주파수를 얻을 수 있으며 제진 효과가 향상됩니다. 이론적 분석 및 계산 비교를 통해 HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작 기계는 직관 구속 멤브레인 구조를 채택하고 내부 각도와 외부 각도가 모두 0°입니다. 이와 같이 스프링 강성의 선형성이 좋을 뿐만 아니라 구조가 단순하여 금형 제작 및 장치의 설치 및 조정이 용이하다.

표 3 초정밀 가공 정밀도 향상을 위한 목표 계획 오류의 원인 일본 정밀도(μm) POMA 계획 값(μm)

위치 검출 정밀도

위치 정확도

요, 피치, 틸트

직진도

축방향 런아웃

반경방향 런아웃

스핀들 연장

스핀들 드라이브

열 영향

공작물 클램핑

형상 정확도(종합 정확도) 0.005

0.005

(0.05")

0.02

0.005

0.005

0.025

0.01

0.025

0.025

0.05 0.05

0.01

0.02

0.02

0.02

0.02

0.05

0.01

0.05

0.05

0.1

참고: POMA는 직경 800mm ~ 0.1μm의 대형 비구면 거울의 형상 정확도를 향상시키는 것을 전제로 합니다.

p>세 번째는. 초정밀 공작기계의 가공은 일정한 온도의 실내에서 이루어져야 하며, 가공 중 온도 변화로 인해 공작기계의 이동 정밀도가 감소하고 이 문제를 해결하기 위해서는 규정된 가공 정밀도를 얻을 수 없습니다. 우선 초정밀 가공 공작기계에 사용되는 재료와 후보로는 알루미나 세라믹, 주철, 강철, 인바, 화강암, 수지 콘크리트 및 무팽창이 있습니다. 유리.

현실적으로 거의 모든 HCM-Ⅰ 초정밀 가공 공작기계는 화강암을 사용하고 있습니다. 두 번째는 일정한 온도 관리를 유지하는 것입니다. 하얼빈공업대학은 국내외 경험을 종합한 결과 '유효 저온 유량' 개념을 제안했으며, 이를 바탕으로 초정밀 항온 오일 공급 시스템의 온도 제어 정확도는 세계 선진 수준에 도달했다.

6 결론

서브미크론 초정밀 공작기계 HCM-I의 탄생은 우리나라의 초정밀 가공 연구가 국제적인 수준에 진입했음을 의미합니다. 하지만 결국 실험실을 벗어나지 못했고, 상용화되지도 않은 상태다. 국제 선진 수준을 따라잡기 위해서는 더욱 노력해야 한다. 표 3은 미국 POMA의 정확도 목표값과 일본 학자들이 믿고 있는 향후 정확도 목표값을 나열한 것이다.

그래픽은 이 웹사이트를 참조하세요.

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