Достаточно унифицированные технологические требования к процессам механической лезвийной и абразивной нанообработки, которые происходят в пластичном режиме, и технические требования к станкам во многом определяют конструкцию ультрапрецизионных станков для обработки твердых материалов.
Интернет-ресурс Market Research Report Store предлагает последний опубликованный отчет по анализу рынка сверхточных станков и прогнозу на 2019–2025 годы, дающий ключевую информацию и обеспечивающий конкурентное преимущество клиентам. К сверхточной механической обработке ресурс предлагает относить процессы, обеспечивающие величину допуска до 1 мкм.
Северная Америка — самая большая зона потребления сверхточных станков, составившая в 2018 году 36%. Европа занимает второе место, с объемом 33%. Рынок сверхточных станков оценивался в 402,4 млн долларов США в 2018 году и по прогнозам достигнет 518 млн долларов США к 2025 году при среднем показателе роста 3,4% до 2025 года.
Традиционные производители ультрапрецизионного оборудования: Fives, Moore Nanotechnology Systems, Precitech, Toyoda, Nachi Fujikoshi, Hardinge, Inc, AMETEK, Schneider Optics Machines, TOSHIBA, LT Ultra, Innolite, Hembrug Machine Tools (Danobat), Mikrotools и др.
Ультрапрецизионные станки для лезвийной и абразивной обработки
Большинство сверхточных станков, доступных на рынке, оснащены системами обработки, в которых используются либо одноточечные алмазные инструменты, либо многоточечные абразивные, т. е. шлифовальные круги. Однако достаточно часто обе системы обработки по запросу клиента объединяются в один станок для обеспечения возможности как лезвийной, так и шлифовальной обработки [1, 2]. На рис. 1 показаны типичные конструкции обоих сверхточных станков.
а) б)
Рис. 1. Типичные конструкции сверхточных станков компании Toshiba Machine Co, Ltd.: а) 2‑осевого одноточечного алмазного токарного станка; б) 4‑осевого алмазного шлифовального станка [1]
Сверхточные станки, совместимые с конкретной производственной средой, требуют термически стабильной и динамически устойчивой конструкции станка, основанной на концепции, описываемой блок-схемой, показанной на рис. 2 [3].
Эта концепция станка может быть принципиально реализована со следующими признаками:
• близкая к идеалу структура конструкции,
• изоляция различных источников ошибок,
• минимизация множества генераторов ошибок,
• управление источниками ошибок.
Современные ультрапрецизионные станки нуждаются в увеличивающемся количестве датчиков и исполнительных механизмов с более высокой производительностью.
Ключевые факторы проектирования, которые определяют сверхточный станок, предполагают независимую метрологическую рамку, симметричную конструкцию станка, управление тепловым потоком, минимизацию ошибки Аббе, бесконтактную структуру конструкции, активный контроль и устранение вибрации (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема стабильной конструкции сверхточного станка [3]
Т. о., мехатроника обеспечивает инновационную функцию для станков. Сенсорные и исполнительные системы в частности характеризуют будущие интеллектуальные станки [3].
Компания Moore Nanotechnology Systems (Nanotech®) [4], основанная в Keene (США) в 1997 году как самостоятельная дочерняя компания Moore Tool Company, является одной из ведущих в области проектирования, разработки и производства современных сверхточных станков и процессов одноточечной алмазной токарной обработки, микрофрезерования, микрошлифования.
Компания Nanotech® выпускает гамму ультрапрецизионных станков (рис. 3) для производства оптических компонентов в электронике, оборонной, аэрокосмической, светотехнической, медицинской и автомобильной отраслях. В этих станках как на единой базе могут использоваться различные технологические опции для лезвийной и шлифовальной обработки изделий.
100UPGv1 250UPLv2
450UPLv2 650FGv2
Рис. 3. Производственная линейка ультрапрецизионных станков Nanotech®
В таблице 1 представлены основные общие данные по гамме станков фирмы Nanotech®.
Параметр | Производственная линейка станков nanotech® | |||
---|---|---|---|---|
100 UPGv1 | 250UPLv2 | 450UPLv2 | 650FGv2 | |
Конфигурация станка | Ультрапрецизионный 2-, 3- или 4-осевой шлифовальный станок с ЧПУ для обработки асферических поверхностей. | Ультрапрецизионный 2-, 3- или 4-осевой контурный станок с ЧПУ с ориентацией по оси Т. | Ультрапрецизионная 3-, 4- или 5-осевая система обработки с ЧПУ для осевого точения асферических и тороидальных поверхностей. | |
Параметры заготовки D или D×L |
D 100 мм. В конфигурации XZ или XZB — шлифование. D 250 мм — алмазная токарная обработка. |
300×200 мм. (С возможностью поворота изделия диаметром 150 мм вокруг поворотной оси B.) |
450×300 мм. (С возможностью поворота изделия диаметром 200 мм вокруг поворотной оси B.) |
650×300 мм. (Возможность поворота доступна по запросу.) |
Материал станины |
Монолитный композитный полимерный гранит со встроенными желобами для СОЖ |
Натуральный черный гранит со встроенными направляющими и защитным фартуком из нержавеющей стали для СОЖ. |
Монолитный композитный эпоксидно-гранитный материал со встроенными желобами для СОЖ и армированием углеродным волокном. |
Монолитный композитный полимергранит высокой термостойкости со встроенными желобами для СОЖ. |
Функциональные характеристики (примеры) |
Материал — карбид вольфрама. Точность формы (P-V): 0,15 мкм/диаметр 12,7 мм, выпуклая сфера с радиусом 25 мм. Шероховатость поверхности Ra 5,0 нм. |
Материал — алюминиевый сплав высокой чистоты. Точность формы (P-V): ≤ 0,1 мкм/диаметр 75 мм, выпуклая сфера радиусом 250 мм. Шероховатость поверхности Ra ≤ 2,0 нм. |
Материал — алюминиевый сплав высокой чистоты. Точность формы (P-V): ≤ 0,125 мкм/диаметр 75 мм, выпуклая сфера с радиусом 250 мм. Шероховатость поверхности Ra ≤ 2,0 нм. |
Материал — алюминиевый сплав высокой чистоты. Точность формы (P-V): ≤ 0,15 мкм/диаметр 75 мм, выпуклая сфера 250 мм. Шероховатость поверхности Ra ≤ 3,0 нм. |
Все станки компании Nanotech® имеют оптимально расположенную систему пневматической изоляции. В качестве опции может дополнительно применяться система пневматической изоляции с демпфированием сдвига и самовыравниванием. В станках разрешение позиционирования по осям составляет 0,01 нм для линейных осей и 0,0000001° (0,00036 угл. сек.) для поворотных осей.
Рис. 4. Зона обработки станка 100UPGv1
Nanotech 100UPGv1 — это сверхточный шлифовальный станок (рис. 4) для обработки асферических оптических формовочных вставок из карбида вольфрама и карбида кремния, используемых в прессформовании стекла, а также для шлифования асферических стеклянных линз. Станок используется и для одноточечного алмазного точения симметричных оптических компонентов.
На станке Nanotech 450UPLv2 возможно шлифование вставки радиусом 25 мм из карбида вольфрама (WC), диаметром 30 мм (рис. 5). Применялись следующие параметры обработки: обороты рабочего шпинделя 128 об/мин, шлифовального — 45000 об/мин при чистовой глубине резания 1 мкм с хладагентом OMS. В качестве инструмента использовался алмазный круг на бакелитовой связке, тип алмаза — натуральный, зернистость — 3000, диаметр круга — 20 мм. При этом была достигнута точность формы P-V = 0,065 мкм и шероховатость поверхности
Ra = 3,635 нм [4].
Рис. 5. Шлифование вставки из карбида вольфрама на станке 450UPLv2
Критические элементы, определяющие точность обработки на станке с ЧПУ, зависят не только от его механических частей, но и от точности шкалы линеек (то есть разрешения). Линейка обычно состоит из фиксированной шкалы, подвижной шкалы (считывающей головки) и соединительных кабелей.
В сверхточных токарных и шлифовальных станках, разработанных MOORE (США) в 2016 году, используется решетчатый датчик линейных перемещений с разрешением 8,4 пм и 8 пм [5]. Точность поверхности некоторых представительных деталей, которые обрабатывались на станке, оснащенном этим датчиком, составляет менее 0,1 мкм, что может быть использовано для изготовления отражателей лазерного гироскопа в межконтинентальных крылатых ракетах и объективах камеры беспилотного самолета для удовлетворения стратегических потребностей национальной обороны. Требования к точности механической обработки и разрешающей способности датчиков линейных перемещений показаны на рис. 6.
Рис. 6. Требования к разрешению измерительных линеек и видам обработки [5]
Ультрапрецизионные станки для абразивной обработки
Прогресс в прецизионном производстве в значительной степени обусловлен астрономией. В современных системах оптических телескопов широко используются асферические оптические элементы с большой апертурой. Для получения изображений с высоким разрешением требуется высокая точность формы, а также низкая шероховатость поверхности Ra, менее 1 нм в диапазоне апертур в несколько метров. Например, первичным зеркалом большого телескопа является зеркало диаметром 8,2 м, при этом достигнутый уровень среднеквадратичных значений точности формы составил 18–43 нм и шероховатости поверхности 0,8–2 нм по всей апертуре [6].
Рациональные концепции сверхточных станков часто создаются при постановке и решении уникальных научных задач. Так, при создании телескопа E-ELT, который в ближайшее десятилетие станет крупнейшим наземным оптическим телескопом в мире, предлагается использовать ультрапрецизионный шлифовальный станок BOX (Big OptiX), спроектированный в начале 2000‑х годов в Крэнфилдском университете (Великобритания) специально для производства сегментов зеркал [7]. Этот станок (рис. 7) разработан для производительного сверхточного шлифования крупногабаритной оптики произвольной формы в условиях серийного производства. Телескоп E-ELT, будет иметь главное зеркало 39 м шестиугольной формы, состоящее из 798 сегментов шестиугольной формы с номинальной шириной 1,2 м и толщиной 5 см [8, 9]. Представленные на рис. 8 фотографии иллюстрируют внешний вид зеркального сегмента и его древовидную систему опор. Зеркало телескопа должно приобрести параболическую форму, из-за чего форма отдельного сегмента зеркала в плане будет немного отличаться от идеального шестиугольника.
Рис. 7. Сверхточный шлифовальный станок BOX (Big OptiX)
а) б)
Рис. 8. Внешний вид обрабатываемого на станке BOX сегмента — а [8] и опорная конструкция зеркального сегмента при монтаже в зеркале телескопа — б [9]
При проектировании сверхточного станка BOX в качестве приоритетных учитывались следующие эксплуатационные требования [7]:
• Производительное шлифование крупногабаритных стеклянных и керамических деталей.
• Высокая точность формы сложных произвольных поверхностей с низким уклоном.
• Минимальное поверхностное повреждение.
• Возможность серийного производства при минимальных затратах.
Основным критерием при проектировании станка BOX была определена высокая динамическая жесткость контура. По мнению авторов работы [7], динамические характеристики станков управляются двумя основными факторами: структурными характеристиками станка и динамической реакцией управления движением, связанной с основными подсистемами, т. е. с движущимися массами.
Поэтому на концепцию конструкции станка BOX сильно повлияла необходимость уменьшения величины движущейся массы при одновременном сведении к минимуму количества движений, стыков (подшипников) и элементов в напряженном контуре. Структурные испытания станка и FEA (анализ методом конечных элементов) были выполнены на ряде существующих систем машин до проведения FEA конкретных возможных структур для новой конструкции.
Рассмотрение работ [7–9, 11, 12] позволило провести анализ проектирования и оценить данные испытаний и эксплуатации сверхточного станка BOX. В таблице 2 приведены целевые показатели и результаты проектирования, а также итоги испытаний и эксплуатации.
Концепция конструкции станка BOX, представляющего собой коробчатую форму, заключается в использовании компоновки подсистем высокой жесткости и высокой плотности, иными словами, его конструкция превращена в симметричную машину. Шлифовальный станок (рис. 9 и 10) имеет три оси: горизонтальная линейная ось X, поворотный стол — ось C, и шлифовальный шпиндель — ось Z. Шпиндель наклонен под фиксированным углом в 20°. Движения узлов по указанным осям позволяют выполнять следующие функции: операцию шлифования оптических компонентов произвольной формы, формирование профиля круга, правку, контроль износа круга, метрологию постобработки и компенсацию ошибок.
Целевые показатели проектирования |
Проектный результат |
Результат испытаний станка |
Результат исследований |
---|---|---|---|
1. Высокая динамическая жесткость контура. До 25 Гц: 100 Н/мкм по оси Z, 75 Н/мкм по оси X и Y. До 75 Гц: 75 Н/мкм по оси Z, 30 Н/мкм по оси X и Y. |
Абсолютно минимальное количество активных движений минимальной массы. 1-й автоматический режим повторяется при трехкратном рабочем цикле шлифования. |
- | - |
2. Высокая статическая жесткость контура. 150 Н/мкм по оси Z. 75 Н/мкм в направлениях осей X и Y. |
Минимизированные консоли, смещения, интерфейсы и использование компактных подшипников высокой жесткости. |
Осевая жесткость шпинделя — 650 Н/мкм. Радиальная жесткость по центру круга — 220 Н/мкм. Осевая жесткость стола: в центре — 400 Н/мкм, на радиусе 500 мм — 300 Н/мкм. Радиальная жесткость на высоте 150 мм от поверхности стола — 200 Н/мкм. |
- |
3. Возможность получения сверхвысокой точности. Точность формы 1 мкм для поверхности 1 м. Глубина подповерхностного повреждения 2–5 мкм. |
Высокая повторяемость движений благодаря терморегулированию, гидростатическим подшипникам, симметрии конструкции, минимизированным ошибкам параллакса (Abbé), компенсации/коррекции ошибок с помощью метрологической рамки и постпроцессорной измерительной системы. |
Радиальное и осевое биение шпинделя — < 80 нм. Разрешение датчика угла поворота стола — 0,01 угл. сек. ~ 25 нм при радиусе 500 мм. Способ вращения стола — прямой привод. Водяное охлаждение ротора и статора. Радиальная погрешность перемещения на расстоянии 150 мм от поверхности стола — 0,5 мкм. Осевая погрешность перемещения в центре стола — 0,2 мкм. Осевая погрешность перемещения на радиусе 500 мм — 0,5 мкм. |
Точность формы — < 1 мкм RMS. Поверхностное повреждение — < 5 мкм. Шероховатость — 100–200 нм. Данные производителя Zerodur. |
4. Возможность массового производства деталей длиной 1–2 метра. Скорость съема до 200 мм3/с. | Специальная спецификация станка. | - |
Время шлифования — 20 часов (10 часов на м2); время измерения — ~ 4 часа; время загрузки — 1 час; скорость съема до 187,5 мм3/с [10]. |
5. Стоимость < 400 000 фунтов стерлингов. | Компактная модульная и масштабируемая конструкция станка. | - | - |
Рис. 9. Основные системы сверхточного станка BOX [12]
Рис. 10. Расположение осей станка BOX [12]
Низкая масса, движущаяся по оси Z, и высокая жесткость по этой же оси являются ключевыми элементами конструкции. Комбинированная каретка с осями Z и X имеет низкую движущуюся массу — менее 750 кг. Использование линейных двигателей с высокими техническими характеристиками, установленных по обе стороны от движущейся массы, позволяет достичь высокой частоты в 100 Гц [7]. Характеристики осей шлифовального станка BOX приведены в таблице 3.
Ось X | Ось Z | Ось C (шпиндель) | Шпиндель | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Перемещение, мм |
Скорость, мм/с |
Перемещение, мм |
Скорость, мм/с |
Крутящий момент, Нм |
Скорость, об/мин |
Мощность, кВт |
Скорость, об/мин |
1350 | 0…50 | 120 | 0…20 | 878…Макс. | 0…25 | 10 | 100…2600 |
Прямолинейность оси X была задана на уровне 5 мкм на длине 1350 мм с повторяемостью 100 нм и разрешением 10 нм с использованием решеток Zerodur. Благодаря метрологии большая часть погрешности прямолинейности может быть компенсирована. Компенсация гарантирует достижение точности формы в один микрон. Гидростатические подшипники, обеспечивающие перемещение по оси Z, рассчитаны на высокую статическую жесткость более 100 Н/мкм. Повторяемость по вертикальной оси — 50 нм. Поворотный стол Hembrug управляется как ось вращения C. Моментный двигатель постоянного тока приводит в движение гидростатический шпиндель. Поворотный стол имеет погрешность вращения, заданную в разных положениях от его центра. Жесткость стола изменяется для разного радиуса от центра. Измеренная жесткость в центре составляет 1600 Н/мкм и 420 Н/мкм при радиусе 500 мм (Morantz et al., 2006). Данные по системам перемещения элементов станка BOX, измерительным средствам, обеспечивающим обратную связь по положению, и достигаемые параметры точности движений представлены в таблице 4.
Оси |
Система перемещений |
Обратная связь по положению | Точность | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Ошибка движения | Повторяемость | Разрешение | ||||
Ось X | Гидростатические подшипники с двумя линейными двигателями | Две измерительные линейки Zerodur | Прямолинейность: 5 мкм по ходу движения | 0,1 мкм | 10 нм | |
Ось Y |
Гидростатические подшипники с двумя линейными двигателями |
Два линейных датчика положения |
Прямолинейность: 2 мкм по ходу движения | 0,05 мкм | 10 нм | |
Ось C | Гидростатический шпиндель с установленным на валу моментным двигателем постоянного тока | Поворотная энкодерная система | Осевая | Радиальная | ≤ ± 1 угл. сек. от поверхности стола | < 0,5 угл. сек |
≤ 0,2 мкм по центру ≤ 0,5 мкм на радиусе 500 мм |
≤ 0,5 мкм на 150 мм |
Занимаемая станком BOX площадь составляет примерно одну шестую, а масса равна приблизительно одной десятой части существующих традиционных технологических проектов [11].
Эксперименты по шлифованию проводились на станке BОX с использованием кругов с размерами зерен 76, 46 и 25 мкм. Достигнутая высокая скорость съема материала 187,5 мм3/с гарантирует, что оптика диаметром 1 метр может быть обработана менее чем за 10 часов [8]. Шероховатость и профиль поверхности измеряли с помощью Form Talysurf. Подповерхностные повреждения были выявлены с помощью процесса субапертурной полировки в сочетании с техникой травления. Результаты сравнивались с целевыми показателями и были равны: по точности формы 1 мкм p-v на участке длиной 1 метр, шероховатости поверхности 50–150 нм RMS и подповерхностным повреждениям в диапазоне 2–5 мкм. Этот этап процесса был проверен на 400‑миллиметровой заготовке ULE® и 1‑метровой шестиугольной детали Zerodur®.
Таким образом, следует констатировать, что в Крэнфилдском университете разработаны и прошли испытания эффективные процесс и оборудование для прецизионного шлифования крупногабаритной оптики, которые позволят реализовать крупнейший европейский проект — создание экстремально большого телескопа E-ELT.
Традиционно производство сверхточной оптики — трудоемкий процесс и скорее искусство, чем наука. Производители оптики всегда нуждались в квалифицированных кадрах. Обработка сложных, неосесимметричных поверхностей и поверхностей произвольной формы обычно требуют очень специализированных навыков, инструментов и процессов. Оборудование с ЧПУ позволяет выполнять работу быстрее с меньшим количеством инструментов и более низким уровнем квалификации персонала, чем традиционные подходы. При таком «цифровом производстве» время изготовления может быть значительно сокращено, технологический процесс хорошо выстроен, а детерминированный контроль, и производственные затраты значительно сокращены.
Развитие процессов и станков для ультрапрецизионной обработки связано с национальной безопасностью и передовыми технологиями, а это важная составляющая технологии будущего промышленного развития. Наши зарубежные партнеры придают большое значение развитию технологии производства сверхточных станков. Поэтому и нам необходимо сосредоточиться на решении задач по созданию и развитию современного прецизионного и сверхточного оборудования, разработке ключевых технологий аппаратного и программного обеспечения.
Литература
- Venkatesh V. C. Diamonds in Manufacturing. SME Student Chapter (UTM). Year Book. 1999.
- Jackson M. J. Microfabrication and Nanomanufacturing. CRC Press. 2006. P. 401.
- H. Shinno, H. Yoshioka and H. Sawano. A Framework for Systematizing Machine Tool Engineering. Int. J. of Automation Technology. Vol.7. No. 6. 2013. Р. 760–768.
- https://nanotechsys.com/
- Z. Jiang, S. Yang. Precision Machines. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020. Р. 609.
- Mueller R., Hoeness H., Espiard J., Paseri J. and Dierickx P. The 8.2‑m primary mirrors of the VLT. Messenger 73. 1993. Р. 1–8.
- Tonnellier X. Precision Grinding for Rapid Manufacturing of Large Optics. PhD thesis. Cranfield University. 2009.
- Tonnellier X., Shore P., Morantz P., Orton D. Surface quality of a 1m Zerodur® part using an effective grinding mode. Optical Fabrication, Testing, and Metrology III, edited by Angela Duparré, Roland Gey. Proc. of SPIE Vol. 7102, 71020B. 2008.
- Nijenhuis J., Hamelinck R., Braam B. The optomechanical performance prediction of thin mirror segments for E-ELT. Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering. 2012.
- P. Comley, P. Morantz, P. Shore, X. Tonnellier. Grinding Metre-Scale Mirror Segments for the E-ELT Ground Based Telescope. CIRP Annals — Manufacturing Technology 60 (1). 2011. Р. 379–382.
- Shore P., Morantz P., Luo X., Tonnellier X. and etc. Big OptiX ultra precision grinding/measuring system. Published in SPIE Optical Systems Design. 2005.
- Morantz P., High Precision Grinding of Optics. A RIKEN/UPS2 International Workshop on Ultra-Precision Processes and Systems. Cranfield University.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2021
Еще больше новостей | ![]() |