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.

 

     100UPG^v1                                                      250UPL^v2                

450UPL^v2                                                             650FG^v2
Рис. 3. Производственная линейка ультрапрецизионных станков Nanotech®

 

В таблице 1 представлены основные общие данные по гамме станков фирмы Nanotech®.

 

Таблица 1

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 100UPG^v1

 

 

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 450UPL^v2 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 450UPL^v2
 

 

 

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.

 

Таблица 2

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.

 

Таблица 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.

 

Таблица 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

1. Venkatesh V. C. Diamonds in Manufacturing. SME Student Chapter (UTM). Year Book. 1999.
2. Jackson M. J. Microfabrication and Nanomanufacturing. CRC Press. 2006. P. 401.
3. 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.
4. https://nanotechsys.com/
5. Z. Jiang, S. Yang. Precision Machines. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020. Р. 609.
6. 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.
7. Tonnellier X. Precision Grinding for Rapid Manufacturing of Large Optics. PhD thesis. Cranfield University. 2009.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Shore P., Morantz P., Luo X., Tonnellier X. and etc. Big OptiX ultra precision grinding/measuring system. Published in SPIE Optical Systems Design. 2005.
12. 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