零膨胀材料在精密加工中的应用

即使采用以上方法，但仍可预测到有温度变化时，该怎么办？对付这种可预测的温度变化的手段，就是选用热膨胀系数为零或尽可能小的材料。各种材料的线膨胀系数如图2.9.3所示。

图2.9.3所示为亚利桑那大学测定的各种材料的线膨胀系数的比较结果。Zero-dur（Schott公司）、Cer-Vit（Owens-Illi-nois公司）、Chris tron（HOYA）做的是零膨胀结晶化玻璃（也叫玻璃陶瓷），ULE（Corning公司）做的是SiO₂-TiO₂系的CVD玻璃，Homosil（Hereaeus-Schott公司）做的是熔融石英，Invar LR-35、Su-per Invar做的是低膨胀合金。由图可见，Zerodur等所称的零膨胀结晶化玻璃材料，这些材料在广泛温度范围是线膨胀系数最低的材料。

图2.9.3 各种材料的线膨胀系数

但是，这些材料的抗弯强度仅为玻璃的2～3倍（130MPa），是脆性材料，在冲击载荷大的情况下不能使用。

图2.9.4所示为采用零膨胀材料玻璃陶瓷的环状激光陀螺仪。激光陀螺仪在三角形块状物里所开的孔中把激光向两个方向回绕。陀螺仪转动，与之相随的一左一右回转的激光间产生了相位差，这叫作扎古拉克（Sagunac）效果，利用这个来检出角速度，用来做各种飞机和火箭的角速度传感器。为提高它的精度，玻璃块状物的热变形要尽量小，故采用了零膨胀的玻璃陶瓷。

利用零膨胀陶瓷的例子还有一个：农田工机的超精密平面磨床（图2.9.5）。这个磨床是利用陶瓷零件的微进给来实现超精密磨削功能。这个磨床有许多与本书所述原理相符的地方，这里仅在热变形措施方面进行叙述。

首先，因为主轴用静压轴承，把这里发生的热用热交换器除去，把油温控制在相对室温±0.1℃（制作后的实测值为±0.03℃）。主轴没有采用零膨胀材料时，在这个温度控制范围不能够进行高精度加工。

同公司在以前开发CNC超精密车床时，主轴润滑油的温度也控制在±0.1℃进行加工时，平面度的干涉波纹如图2.9.6所示有振幅为0.15μm的波纹形成。研究发现，这个波纹的周期和油泵装置出口的油温±0.1℃的周期完全一致，即温度变化为±0.1℃的位置正好出现波纹。当把油温控制范围提高到±0.02℃时，波纹消失，达成了0.3μm的平面。

图2.9.4 采用零膨胀材料玻璃陶瓷的环状激光陀螺仪(www.xing528.com)

图2.9.5 超精密平面磨床的机构

图2.9.6 ±0.1℃主轴润滑油温度控制下的加工面干涉条纹（条纹间隔0.3μm）

因此，这个磨床轴承的润滑油温度控制范围为±0.1℃，根据以前的经验是不充分的。作为代替办法，这个磨床采用零膨胀材料制造，即与Schott公司的Zerodur材料相当的日本电气硝子的“新斯兰N-O”材料。玻璃陶瓷在加工中容易产生裂纹，为缩短磨削加工时间，将“新斯兰N-O”材料在1700℃熔解后在模具中铸造成型。

主轴的构造如图2.9.7所示，当转速为3000r/min运行10min后磨轮轴的热变形稳定在-1μm。用这个磨床来加工VTR（录像机）用磁头材料Mn-Zn铁氧体单结晶的面，使用树脂金刚石磨石研磨，加工面表面粗糙度为0.015μm，平面度为0.08μm。由此，可得出下面的系。

【系4】为了控制热变形使其最小，应使用零膨胀材料。

图2.9.7 玻璃陶瓷制轴的形状