机械与制造科学教学讲义先进加工制造工艺与装备

1、机械与制造科学/国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 北京：科学出版社，2006第十一章 先进加工制造工艺与装备§11.0引言§11.1高速、高效切削加工工艺及装备§11.1-1高效、高速切削加工工艺及装备的科学内涵§11.12高速、高效切削加工工艺及装备的国内外研究及其应用综述§11.13高速、高效切削加工工艺及装备领域存在的突出问题§11.14建议“十一五”期间基金优先资助的课题和专题§11.14.1 高速、高效切削加工基本理论§11.14.2 高速切削加工工具系统的安全设计和制造§11.14.3

2、高效、高速切削加工工艺§11.14.4高速切削加工的智能检测与监控传感器与仪器§11.14.5 高效、高速加工机床及关键零部件设计与制造技术§11.2 精密/超精密加工及其装备§11.2-1精密/超精密切削加工及其装备 §11.21.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务 §11.21.2该领域的国内外研究现状和发展趋势§11.21.3本领域和学科“十一五”优先资助建议§11.21.4策略措施和建议§11.2-2精密/超精密磨料加工（含磨削、研磨、抛光等）及其装备§11.22.1该领域的科

3、学内涵及结构体系、研究范围和任务§11.22.2该领域的国内外研究现状和发展趋势§11.22.3本领域和学科“十一五”优先资助建议§11.3特种加工§11.3-1电加工§11.31.1特种加工的内涵与主要研究领域§11.31.2 电加工的研究现状与发展趋势§11.31.3本专题优先发展方向建议§11.31.4政策措施与建议§11.3-2激光加工概况§11.3-3复合加工及其它§11.33.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务§11.33.2该领域的国内外研究现状和发展

4、趋势§11.33.3本领域和学科“十一五”优先资助建议§11.33.4策略措施和建议§11.4纳米结构微小尺度零件制造的国外研究现状和未来的重点研究方向§11.1高速、高效切削加工工艺及装备高速切削加工的理念从20世纪初提出以来，经历近70年的理论与实验研究和探索以及刀具和机床技术的研究与发展，直至近年来，随着材料、信息、微电子、计算机等现代科学技术的迅速发展，大功率高速主轴单元、高性能伺服控制系统和超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的解决和进步，从而使得高速切削加工技术在德、美、日等工业发达国家迅速发展，其最突出的优点是高的生产效率和加工精度与表面质量，

5、并降低生产成本。它已成为先进制造技术的一项全新的共性基础技术，是切削加工技术的发展方向，已在航空、汽车、模具等制造业中广泛应用，取得了重大的经济效益，对提高切削加工技术的水平，推动机械制造技术的进步具有深远的意义。§11.1-1高速、高效切削加工工艺及装备的科学内涵高速、高效切削加工的主要目的是提高生产效率和降低成本。它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工等，其中高进给切削加工和大余量切削加工等称之为高性能切削加工。高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念，不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的

6、切削速度并不相同，图1是根据目前实际情况和可能的发展给出的不同工件材料的大致切削速度范围。图1 不同工件材料大致的切削速度范围高速切削加工技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能cnc控制系统、机床设计制造技术、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测试技术、高速切削加工理论、高速切削加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的，是诸多单元技术集成的一项综合技术，如图2所示。其中高速主轴系统、快速进给系统、cnc控制系统、高速切削刀具材料、刀具结构和刀柄系统以及高速切削加工安全防护与监控技术等为其最重要的关键技术。它对高速切削加工技

7、术的发展和应用，起着决定性的作用。高速切削加工的优越性主要表现为：(1) 随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2) 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。(3) 高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在90以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。(4) 从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程

8、中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。图2 高速切削加工技术的研究体系高速切削加工是大幅度地提高切削速度以提高生产效率。也可以通过改进刀具结构和几何形状，优化切削截面，提高机床动态稳定性，不是提高切削速度，而是加大切削进给，采用高进给或切除大余量等高性能切削加工以达到高效切削加工，达到大幅度提高生产效率的目的。一般而言，高速切削加工工艺及装备的研究范围和任务包括：（1） 高速切削加工理论高速切削加工过程的热、力耦合不均匀强应力场中的能量转换机制、切削变形规律、切削加工

9、过程中的切削力学与热学行为、热、力耦合不均匀强场模型、刀具与工件之间的摩擦学行为及其与刀具磨损、破损规律和刀具寿命之间的关系、加工表面质量的形成机理和加工精度及其与切削条件之间的关系、机床刀具工件夹具高速切削系统的动力学特性与稳定性及其对加工变形以及直接影响刀具寿命和加工表面质量的影响规律等。（2） 高速机床零部件的关键技术高速电主轴、高速精密轴承、高速进给系统（直线电机、直线滚动导轨、控制系统）和高速切削加工工具系统是高速机床的关键零部件，直接决定高速机床的性能。（3） 高速切削加工的检测与监控技术高速切削加工过程的故障与安全检测和监控技术。§11.12 高速、高效切削加工工艺及装

10、备的国内外研究及其应用综述高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清楚的认识到它在制造业的市场竞争日益剧烈中的巨大潜力，进入二十世纪九十年代以后，各工业发达国家陆续投入到高速切削加工技术的研究、开发与应用中来，尤其是高速切削机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到迅速发展，进给技术进一步提高，1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。快速换刀和装卸工件的结构日益完善，自动新型电主轴高速切削加工中心不断投放到国际市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴联结的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已从理论研究进入工业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床

11、高速化，2001年北京国际机床展览会（cimt2001）上机床最高主轴转速从上届（1999年）800012000rpm普遍提高到1500020000rpm。现在加工中心主轴转速一般为1500030000rpm，快进速度为3060m/min，换刀时间为35s。齿轮机床的主轴最高转速也已提高到900012000rpm。目前已有主轴最高转速达150000rpm，快速进给达120m/min，换刀时间为0.71.5s的不同的加工中心。高速切削刀具材料技术发展也很快，主要是金刚石（pcd）、立方氮化硼（cbn）、陶瓷刀具碳化钛氮tic（n）基硬质合金（金属陶瓷）、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的品种、性能

12、的很大增加和提高，许多适应高速切削刀具的结构不断出现，促进高速切削加工技术的进步和应用。最近十多年来，高速切削加工理论基础研究进一步深入，取得新的进展，主要是锯齿状切屑的形成机理，极高速切削加工钛合金时切屑的形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑所带走。切削温度的试验研究表明：现有的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现salomon理论中的“死区”。在这一阶段，高速硬切削加工得到进一步研究、发展和应用。与磨削加工比较，它有很多优越性，

13、在替代磨削加工方面具有很大潜力。高速干切削加工日益受到重视，它对保护环境，减少消耗，降低成本具有重大作用。研究表明，高速干切削加工铸铁、钢、铝合金，甚至超级合金和钛都是可能的，但要根据工件材料特性，要合理设计切削条件，它还在研究和发展之中。高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛的应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等，并取得巨大经济效益。模具制造工业中，德国、日本、美国等大约有3050的模具公司，用高速切削加工技术，加工edm电极、淬硬模具型腔、塑料和铝合金模型等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝

14、合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。我国高速切削加工技术研究起步较晚，二十世纪八十年代初期，原山东工业大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了al2o3基陶瓷刀具高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45#钢、t10a钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗炭淬硬齿轮钢等，淬硬hrc5065，切削速度为100500m/min，建立了有关切削力、切削温度

15、模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产中推广应用至今。二十世纪九十年代后，该校先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略，涂层刀具与pcbn刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术以及高速切削工具系统的安全设计等。北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力，沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理，天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削和切屑形成机理，上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等，广东工业大学研

16、究了高速主轴系统和快速进给系统，南京航空航天大学研究了钛合金和高温合金的高速切削，东北大学研究了高速磨削技术，成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等。尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。 “九五”期间我国高速、高效、高精度数控机床技术指标有了大幅度的提高，加工中心主轴转速普遍提高到8000rpm，最高可达12000rpm，数控车床提高到40006000rpm，快速进给速度提高到30m/min，最高达40m/min，加工中心换刀时间减

17、少到1.53s。目前主要差距在于机床关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000rpm以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的高速加工中心。我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力，但金刚石、立方氮化硼、tic（n）基硬质合金（金属陶瓷）、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、质量、精度、寿命、品种与国外差距很大，高速切削刀具制造技术相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。国内超细晶粒硬质合金刀具和高性能

18、高速钢刀具牌号少，专用牌号几乎没有，可转位刀片的槽型与模具的开发能力低，涂层技术也远远落后于国外工具厂，目前尚无tic(n)商业牌号，更谈不上tialn、mos2等新型涂层和纳米级涂层。国内应用最多的还是普通高速钢刀具和通用硬质合金刀具。几乎所有国际知名的工具厂商(如：sandvik, kennametal, walter, seco, widia, iscarmill, mitsubishi, igetalloy, carboloy等)都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、tic（n）基硬质合金（金属陶瓷）和涂层刀具以及刀柄系统80以上

19、由它们提供，占领了中国数控刀具90%以上的市场份额。我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。采用pcbn、si3n4基陶瓷、ti基金属陶瓷、ticn涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用pcd、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度为2200m/min，钻、铰削速度达80240m/min；采用si3n4基陶瓷、t

20、i基金属陶瓷、ticn涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min；采用co粉末冶金高速钢（表面ticn涂层）整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹专用拉刀加工各种精锻钢件、铸铁件，拉削速度1025m/min，滚齿速度110m/min，剃齿速度170m/min，大大提高了生产效率和加工精度。近年来，我国航空、汽车、模具等制造行业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业和航空工业应用较多。§11.13高速、高效切削加工工艺及装备领域存在的突出问题迄今，在高速、高效切削加工工艺及装备领域进行了大量卓有成就的研究，具有巨大的发展潜力，在

21、应用上，国外已成为切削加工的主流。我国高速、高效切削加工工艺及装备发展和应用起步较晚，与国外差距较大，目前主要在汽车、航天、航空、模具、动力机械等行业有一定的应用，取得很大效益。其中以上世纪80年代一进的多条轿车数控自动线，在应用高速、高效切削加工工艺及装备最为突出。但从整个机械制造业来看，目前仍然是较低速的普通切削加工为主，加工效率普遍较低。主要差距是高速切削加工变形理论、高速切削加工的零件毛坯成形工艺的优化、高性能高速刀具材料（包括涂层技术）的研究开发、高速刀具（包括刀柄、刀具结构、复合加工刀具等）安全设计（包括动平衡和安全标准）理论、制造工艺和合理使用、高速机床大功率高刚性电主轴（200

22、00rpm以上）、高速大行程的直线电机、快速响应数控系统以及高速切削加工的监控等研究处于初级阶段，有的在实用上几近处于空白。从国内外的整体研究和应用情况看，存在几个突出的问题：（1） 刀具的磨损、破损和寿命限制了高速、高效切削加工的发展和应用现有高速切削刀具材料加工铝及铝合金等有色金属可以取得较好的效果。但进一步提高加工效率，主要受限于高速机床的主轴转数和功率。加工钢、铁及其合金的高速、高效切削加工主要受限于刀具寿命。关于高速切削加工刀具磨损、破损机理和刀具寿命虽有一定研究，但没有从高速、高效切削过程中的高速切削摩擦学行为深入系统研究刀具的磨损、破损规律和机理及其与切削条件之间的关系。主要是在

23、高速、高效切削过程中的大应变速率的高速切削变形和高速摩擦学行为所形成的热、力耦合的不均匀强应力场作用下的刀具磨损与破损损坏，特别是新型金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和超细颗粒硬质合金等刀具高速、高效切削时的高速切削摩擦学研究很少，尤其是高速切削超级合金的高速摩擦学和刀具损坏机理，几乎是空白；因而没有建立研究开发和合理设计与选择高速切削刀具与刀具材料的基础理论，限制了高速、高效切削加工技术的进一步发展和推广应用。（2）难加工材料高速切削加工困难很大高温合金、钛合金、高强钢铁合金、耐腐蚀钢铁合金和高硬耐磨合金铸铁等难加工材料的应用日益增加，它们的高速、高效加工仍然是一个困难的问题。现有刀具

24、材料加工的效率普遍较低，刀具寿命短，材料耗费严重。国内外系统深入研究高速、高效切削加工这类合金的切削变形和切削摩擦学理论及热、力耦合产生不均匀强应力场的形成及其对刀具损坏与刀具寿命和刀具材料开发的影响等很少。没有建立设计高速、高效切削加工这类合金的刀具材料的基本理论，能用于高速切削加工的刀具材料很少。（3）高速切削加工的表面质量研究很少高速、高效切削加工时，加工表面粗糙度研究较多，但高速、高效切削加工时造成热、力耦合不均匀强应力场作用下形成的零件表面过程和表面质量（包括表面粗糙度、表面硬化和表面残余应力等）的机理以及加工尺寸精度（加工变形造成的影响）的全面系统研究很少，因而还没有建立有效控制高

25、速、高效控制加工表面质量和加工精度的理论基础。（4） 高速、高效切削加工的动力学与稳定性的研究满足不了要求国内外进行了大量研究，取得诸多理论成果，但由于多数研究对高速、高效切削过程中的机床刀具工件夹具复杂多自由度系统建模时的简化，高速切削时产生的离心力、陀螺效应等考虑不足等，研究的结果与实际应用相差较大；同时目前高速切削时，而这些稳定性是在部分特定刀具、工件材料和工况下的稳定图，适用范围和预报准确性受到限制。因此，现有的诸多高速切削动力学与稳定性研究成果不能满足高速切削加工的实际要求，而只能在实际应用中试验摸索稳定性的高速加工切削条件，以求达到稳定性高速切削的目的。（5）高速切削加工数据库没有

26、建立国内外还没有切削加工数据库或高速切削加工数据手册。传统切削加工数据库或切削数据手册已不适应高速切削加工的要求，直接影响生产实际中高速、高效切削加工技术的推广应用。目前生产实际中主要参考高速切削刀具厂家在刀具样本上推荐的切削数据，在实际生产中试验摸索确定切削条件，但国内许多刀具厂家的刀具样本没有系统提供有关切削数据，国外刀具厂家刀具样本提供的一些数据也不完善，而且各厂家对相同的刀具材料提供的数据也不相同，难于选用。因此，根据我国实际情况，研究和建立高速切削加工数据库或高速切削加工数据手册，对促进高速切削加工的发展和应用具有重要的意义。§11.14 建议“十一五”期间基金优先资助的课

27、题和专题高速、高效切削加工技术是最重要的先进共性制造技术之一，具有巨大潜力，在这一领域，我国与国外的差距较大，为振兴我国的机械制造业，尽快推动我国高速、高效切削加工技术的发展和推广应用，根据国内外研究现状和存在问题，建议“十一五”期间优先资助如下课题或专题：§11.14.1 高速、高效切削加工基本理论（1） 高速切削摩擦学研究主要研究高速（包括超高速）、高效（包括高性能、高效复合加工等）切削加工时，刀具材料（主要是金刚石、立方氮化硼、陶瓷、涂层和超细硬质合金刀具）与工件材料（钢、铁及其合金、有色金属及其合金、超级合金等）的相互作用过程的刀具摩擦、磨损和破损规律与磨损机理、刀具材料与工

28、件材料的力学、物理、化学性能的相互匹配以及切削介质（空气、特殊气体、切削液）及切削条件对刀具摩擦、磨损与破损和寿命以及加工表面物理与化学性能的影响，并且综合这些知识，以建立提高刀具寿命和控制高速、高效切削加工表面质量（表面粗糙度、加工硬化、残余应力和表面变质层等）、加工精度（加工变形）、加工效率和研制高效刀具材料和刀具以及合理选择与使用刀具材料和切削介质的科学理论。（2） 难加工的高速切削变形理论高温合金、钛及钛合金、高强钢铁合金、耐腐蚀钢铁合金和高硬耐磨合金铸铁等难加工材料在航空、航天、燃气轮轮机、冶金、化工和大型高温装置等应用很多，切削加工困难，效率普遍较低。难加工材料的高速切削加工变形理

29、论主要研究高速切削加工过程中能量转换机制、工件材料本构关系与切屑形成机理、切削加工力学、切削加工热现象及其对工件材料本构关系的变化与切屑形成的影响，与高速切削摩擦学行为研究相结合，建立热、力耦合不均匀强应力场模型及其与刀具损坏和加工表面质量的关系。建立提高刀具寿命和控制加工表面质量与研制和应用高速切削加工难加工材料用刀具材料的理论基础。（3） 高速切削加工表面质量高速切削加工表面质量研究主要研究不同刀具材料高速切削不同工件材料过程中在不均匀强应力场作用下，已加工表面的形成机理、表面层物理、化学和力学性能的评价及其检测，切削条件（切削用量、刀具几何角度、切削加工稳定性、切削介质等）对加工表面质量

30、的影响，刀具表面质量与加工表面质量的关系，不同刀具材料与不同工件材料的匹配对加工表面质量的影响，加工精度与加工表面质量的关系，建立多参变量下的表面质量和加工精度计算或预评估模型，从而可预测和控制加工表面质量和加工精度。（4） 高速切削动力学与稳定性高速切削动力学与稳定性的研究是以高速切削加工系统的切削稳定性和安全性为目标，建立高速切削的机床刀具夹具工件系统的多自由度的线性、非线性动力学模型，提出和完善基于高速切削条件下的切削过程各动态特征量识别、控制方案；探讨改进、提高高速切削加工过程动态稳定性的新方法。主要研究内容包括高速切削系统动力学特性，高速切削加工时切削力时间历程的识别，高速切削加工时

31、稳定区域的建立，高速切削加工系统的动力修改等。§11.14.2 高速切削加工工具系统的安全设计和制造（1）高速刀具材料设计和制造研究建立刀具材料的“微观”、“细观”和“宏观”的“多尺度”关联模型，重点研究以亚微米、纳米的立方氮化硼、陶瓷和tic（n）基硬质合金等为基体相或强韧相组成复相刀具材料；制造工艺主要是研究热压、热等静压、涂层（包括基体材料和涂层的优化匹配技术、纳米涂层、超硬复合涂层等涂层技术）和刀具表面及刃口强化技术；研制高强度、高韧性、高硬度和高抗热震性能的刀具材料，特别是高速切削加工超级合金的刀具材料。 （2）高速切削刀柄和刀具动态设计与制造刀柄是机床主轴和刀具之间的联结

32、件，高速运转条件下，主轴与刀柄间的微小变化，都可能造成巨大的离心力，引起机床、工件和刀具的振动。将来刀具平衡技术的发展方向是将动平衡设备同切削刀具及机床集成在一起，从而能够使主轴和刀柄组件在从静止达到预定的高转速的过程中能够自动平衡。在机床主轴中，使用平衡装置将刀具组件调整到平衡位置，或者在动平衡仪上离线测得不平衡量，然后将此信息发送到平衡组件，将刀具调整到合适的动平衡范围内。（3） 高速切削安全标准（包括刀具动平衡和使用）的研究高速切削加工时，高速旋转着的工件、夹具、刀具积聚着很大的能量，承受着很大的离心力，当机床主轴的转速高达1000020000r/min，甚至更高时，会使夹具、刀具破碎，

33、释放出很大的能量，可能造成重大的事故和伤害。因此，解决高速切削的安全问题成为应用高速切削加工技术的前提。应对机床防护罩的材料和结构进行研究，制定高速切削刀具的安全标准。§11.14.3 高效、高速切削加工工艺（1） 高效、高速切削加工工艺为保证高速加工顺利进行，提高零件的加工质量，延长刀具寿命，缩短加工时间，高速切削加工工艺具有不同于普通数控加工的特殊工艺要求，如保持恒定的切削载荷、每齿进给量应尽可能保持恒定，并保持稳定的进给运动，使进给速度损失降低到最小、避免走刀方向和加速度的突然变化、程序处理速度最佳化等。这些要求在制定高速切削nc编程策略时应得到充分注意。高速切削加工的特殊工艺

34、有进、退刀工艺，移刀工艺，拐角加工工艺，重复加工工艺，高效率切削工艺，余摆线式加工工艺，插入式加工工艺等。（2） 智能高效、高速切削数据库切削数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。采用合理的切削数据可以充分发挥切削机床和切削刀具的功能，尤其对于各种高效、高速切削加工机床、数控机床和加工中心来说，加工辅助时间已大大缩短，这样在有效的加工时间内充分利用合理的或优化的切削数据，对提高整个加工系统的经济效益更为重要。建立高效、高速切削数据库，向机械制造业提供合理或优化的切削用量是增强企业竞争力最有效的措施之一。§11.14.4高速切削加工的智能检测与监控传感器与仪器（1）高速切削加工过程

35、的智能检测高速切削机床及切削过程的检测内容包括：切削力监控及控制刀具磨损，机床功率监控亦可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监控以判别切削参数与进给系统间关系；主轴轴承状况监控；电器控制系统过程稳定性监控等。高速切削加工过程监测系统的可靠性对高速切削加工的安全性非常重要。（2）智能嵌入式切削加工过程监控传感器刀具机械性能的快速、可靠测量技术的研究，尤其是超硬刀具、硬质合金刀具表面和次表面应力场、缺陷、微裂纹的检测，也包括涂层质量、多层涂层、过渡层机械性能的可靠快速测量技术。利用涂层技术，在刀具表面涂覆薄膜，然后用微机电技术将薄膜的某些部分刻蚀掉，使刀具基体显露出来，留下来的涂层在刀具上形成一个特殊

36、的电路布线。刀具工作时，随着刀具的磨损、破损等的出现，涂层线路发生变化，电路特性发生变化，根据电路特性的变化就可对切削加工过程中的物理量做出预报。§11.14.5 高效、高速加工机床（装备）及关键零部件的设计理论与制造技术（1） 大功率高精度高速电主轴单元研究开发陶瓷、液体动静压、空气润滑等高速高刚度轴承，在此基础上研究大功率高精度高速电主轴。同时，开展电主轴的热特性、机械特性及其耦合特性与动态特性的研究。电主轴的动平衡、高加（减）速控制、高频变频控制、测试、润滑技术的研究。（2） 高加（减）速直线电机进给与精密控制技术研究开发大行程、大推力易控制的直线电机，直线电机端部效应的研究与

37、抑制技术，解决散热、隔磁、自锁和移动部件轻量化技术，推进直线电机的应用。（3）高速、高效加工机床结构设计技术高速并联机床，多轴联动机床，虚拟轴机床及多功能复合加工机床等的结构设计的研究和其热特性与动态特性的研究。§11.2 精密/超精密加工及其装备为了不断地提高加工精度，超精密加工利用了愈来愈多的科技最新成果，所涉及学科愈来愈多，形成了一个复杂的系统。超精密加工技术已不仅是一个专门的工艺技术，而成为一个含有当代最新科技成果的系统工程。它之所以被各国列为国家关键技术，是因为它是现代国防科学技术发展的基础，同时也是高新产业发展的基础。各国在此领域的研究工作都是十分机密的，特别是西方发达国

38、家在超精密加工技术与装备领域严格对我国封锁和禁运。为了发展我国高新技术和加强国防建设，必须自力更生的开展超精密加工技术与装备的应用基础研究。§11.2-1精密/超精密切削加工及其装备§11.21.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务超精密加工技术是指加工的尺寸和形状精度在纳米尺度（即0.1100纳米），表面粗糙度ra10nm的零件、构建和产品所需的制造、检测及控制等的综合技术。超精密切削加工技术是特指加工时使用的工具为单刃刀具，以区别采用磨粒作为刃具的加工方法，其结构体系如下图所示近年来，超精密切削加工技术所涉及的研究范围主要有以下几个方面：（1） 纳米加工理论及实

39、验研究l 纳米加工切屑形态及变形行为研究l 纳米加工表面变质层形成机理及实验研究l 纳米加工动力学模型的建立及实验仿真研究l 纳米加工过程刀具磨损机理及实验仿真研究（2） 特种材料及特殊要求的精密、超精密切削工艺与装备l 基于新原理的特种材料精密、超精密切削工艺与装备l 特种材料的切削加工机理及刀具磨削机理l 超精密切削加工对特种材料性能的影响及控制措施l 特殊要求的精密、超精密加工新工艺及其装备（3） 微小零件精密、超精密加工技术与装备l 精密、超精密微小加工装备及相关微小功能部件的研究l 精密、超精密微小零件加工新工艺、新方法的研究l 微型刀具的制作方法及装置研究l 加工变质层对微小零件精

40、度，性能和结构的影响规律及其控制和消除方法研究l 微小零件超精密加工中的动力学问题l 微小零件加工时，在线检测技术及精度控制和补偿技术研究（4） 大型光学零件超精密加工技术与装备l 大型光学零件超精密加工与检测一体化技术与装置l 高精度在线检测及补偿方法的研究l 高效新加工工艺方法及装置研究l 各个因素变化对精度影响机制、模型及控制补偿措施（5） 超精密切削加工关键技术与装备l 超精密加工装备关键技术与部件l 超精密切削工具技术与装置l 超精密环境控制技术与装置l 超精密在线位置检测、误差补偿及控制技术研究l 超精密切削加工工艺专家系统§11.21.2该领域的国内外研究现状和发展趋势

41、超精密加工技术是因应宇航和军事技术的发展需要，于上世纪60年代初在美国形成和发展起来的。由于它在军事技术和高科技领域的重要作用，被美国列为国家关键技术予以重点资助和发展。日本在上世纪80年代也因重视超精密加工技术基础研究，并把它应用于微电子产业，使得日本在微电子等高技术产业竞争中，取得了世界领先的优势。各国不仅把超精密加工技术列为国家重点发展技术，而且成为衡量一个国家制造水平的标志。上世纪60年代初超精密切削加工装置在美国橡树山国家实验室研制出来以后，这种技术得到迅速发展，下面将从五个方面介绍该领域的国内外研究现状和发展趋势：1. 亚微米级超精密切削加工设备研究方面 作为代表的是nanotec

42、h系列产品，加工无氧铜等有色金属，其表面粗糙度可达ra<1nm。对于小于100mm尺寸零件面形精度可达0.1µm(rms)。近年来，精度补偿技术有了很大的发展，使用该技术把检测数据输入机床，可进行自动修整。从机床本身说，主轴速度已由30005000转/分提升到15000转/分，进给完全采用直线电机驱动，液体静压导轨形式。 这类设备是对我国禁运的，目前国内尚没有该系列产品（香港除外），近几年我国进口近十台nanoform250超精密机床，它属于美国rank pneumo公司80年代产品系列。 高于亚微米精度的加工设备，目前尚无商品出售，大多属于世界上知名实验室自行研制的设备，例如

43、，美国劳伦斯利夫莫尔国家实验室的lodtm。这些设备为达到几十纳米形状精度，除环境控制十分严格外（如温度控制在±0.0005），加工设备同时也是在线检测设备，采用多路高精度激光干涉系统对刀具及工件位置进行准确测量，加工系统承力结构与检测系统结构是分开的，以保证检测精度。所用激光干涉系统分辨率达0.6nm，且光路基本上是在真空管路中传输。我国开始超精密切削加工技术与装备研究起步并不算晚。早在上世纪60年代，北京机床研究所、航空部303所、230厂、上仪厂等单位就开始这方面的研究。特别是北京机床研究所已研究出一系列的加工装置。随后，长春光机所引进第一台超精密切削加工机床msg325。目前

44、，我国已有不少单位研制出超精密切削加工机床，例如，北京机床研究所、航空部303所、哈尔滨工业大学、230厂、上海仪表厂等单位。但无论在性能稳定性和可靠性，还是在精度指标上还与国外商品有一定的差距。特别是国外商品化机床都配有精度补偿软件。我国因超精密加工工艺研究和有关应用基础研究还不够，没有一个单位能提供有关精度补偿软件。除了通用型超精密加工装备外，高新技术产业和国防工业还急需超精密加工专用设备。由于此类设备技术含量高、种类多、批量小、关键部件缺乏国内配套产品等原因，国内超精密专用加工与检测设备与国外相比有更大的差距，它阻碍了我国高新技术的发展和国防现代化的步伐。2. 纳米加工表层形成机理的研究

45、方面当加工尺度达到纳米量级时，会产生一系列介观物理现象，如：小尺度效应、量子尺寸效应等，再用宏观的切削原理来描述加工过程和各种介观现象，解释表面形成机理已力不从心，必须用分子动力学、量子力学、原子物理等近代基础理论来研究这一加工过程，进而建立纳米级加工过程的理论，指导纳米级超精密加工技术。目前超精密切削表面粗糙度已达1nm，接近单个原子的大小，而我们所使用的金刚石刀具刃口半径远大于1nm。金刚石刀具是如何加工出如此光整的表面呢？至今世界上尚无人能解释清楚。上世纪80年代末首先由美国劳伦斯国家实验室的学者开始应用分子动力学来模拟纳米切削过程，后日本等其它国家学者也开展了这方面的研究。但至今尚未建

46、立有关理论来解释这一过程。除了采用分子动力学模型有其局限性外（因它未考虑量子效应的问题），另一重要原因是分子动力学计算的尺度范围太小，不能与实验尺寸相比拟，相差好几个数量级。目前计算能力尚不能满足研究需要。大家正在探索是否可以采用其他途径来研究，若能建立纳米切削表层形成的模型及有关理论，则会对纳米级加工的工程应用起到极大的推动作用。目前我国与国外处于相同水平在竞争，谁先取得这一领域理论研究的优势，必然会加快本领域的工程应用。3. 大型光学零件超精密加工技术的研究光学零件是目前对加工精度和表面质量要求最高的零件，特别是大型光学零件几乎达到了极限精度要求。美国国家点火装置（nif）要用2万多块光学

47、零件，其中有7千件大型光学零件。所有美国光学研究与生产单位花费近十多年对大型光学零件加工方法、加工设备、加工工艺、加工过程的检测技术、环境条件的检测与控制、精度补偿等各个方面进行研究与实验。目前，nif尚未达到能进行点火实验的程度。对于大型光学零件的超精密加工，目前国外仍处于研究探索更好、更可靠和更有效的加工方法阶段。我国对光学零件的加工尚处于手工研抛的水平，远远满足不了国防和国民经济发展的需求。对大型光学零件的超精密加工差距更大。4. 特殊要求的精密、超精密加工技术的研究随高新产业和高科技的发展，有些产品或科学研究实验零件要求特殊形状，并在特殊工作条件和特殊工作环境下工作，同时对其形状、尺寸

48、精度及表面质量又有很高要求。这类精密和超精密加工技术是极为特殊的。例：硅片光刻后，要从背面减薄，300mm直径从厚几百微米减至50微米，并不能影响光刻图形质量；又如：激光核聚变实验用各种微型靶，厚度在几个微米，内外表面要求ra0.02µm。 还有一些是在极端工作条件下，或极端环境条件下工作的，例如：极高速度准确定位、极慢速度下平稳移动、超高速下切削等，这些特殊要求下的精密、超精密加工、检测、运动控制等的需求愈来愈多，这是精密、超精密加工技术研究的一个新的趋势。5. 超精密切削加工技术应用研究随着高新技术和国防科技发展的需求,超精密加工技术得到了广泛的应用：（1）不断地拓宽被加工材料的

49、范围。原来超精密切削加工材料仅适用于有色金属材料，现在已研究用于黑色金属、玻璃、锗、硅等材料，有些光学单晶材料只能用金刚石切削加工才能保证晶体材料原来的光学特性，如kdp晶体。另外，不断出现的航空、航天上应用的各种金属基复合材料。这些材料具备很好的性能，但做为复杂零件如陀螺仪表的复杂壳体、卫星天线等，目前尚未解决其超精密加工的问题，限制了这些材料的应用。采用新的超精密加工切削工艺方法，扩大新材料的应用是今后超精密加工的重要研究方向。（2）微小零件的超精密加工虽然采用光刻技术mems得到迅速发展，但作为运动部件，不仅尺寸小，而且精度和表面质量要求很高，如硬盘驱动器中的轴系，这些微小零件是用其他方

50、法尚无法解决的。采用微型超精密加工设备来制作高精度微小零件是超精密加工技术发展的另一趋势。(3) 重视超精密加工关键技术的应用基础研究，扩大超精密加工技术应用范围 我国很多高新产业其中核心技术仍依靠国外，例如冰箱和空调的压缩机、硬磁盘的加工技术、芯片封装机等，其关键技术属超精密加工技术中关键部件或关键工艺部分，加强对这些关键技术的应用基础研究，使超精密加工技术及部件模块化，依据高新技术产业的需要来组合成所需专用精密、超精密技术与设备，促进高新产业核心技术国产化，是我国从制造大国变为制造强国的必由之路。§11.21.3本领域和学科“十一五”优先资助建议超精密加工技术在国防现代化和高科技

51、产业发展中的重要地位已得到国家的认可，在国家中长期规划中也被列为重要研究内容。我们建议在“十一五”期间应优先资助下列研究方向：（1）纳米加工理论及实验研究；*（2）大型光学零件超精密加工技术基础研究；（3）微小零件精密、超精密加工技术及装备研究；（4）特种材料和特殊要求的精密、超精密切削工艺及装备研究；其中*应作为重大或重点项目给予资助。§11.21.4策略措施和建议重大、重点项目应强调国家重大工程需求。 自然科学基金强调资助对基础问题的研究。作为工程与材料科学部的机械学科，应与其它理学部要有所差别，理学部更偏重科学规律的发现，而工程偏重改造客观世界的手段和方法的发明，特别是我国目前

52、在工程技术领域十分落后，有很多重大工程技术问题需要尽快解决，为了集中国家人力、财力、物力，重点和重大项目应为国家中长期规划的重大工程需求服务。当然也只有解决了重大工程的应用基础科学问题，才能顺利地完成重大工程项目的建设。作为重大和重点项目更不能成为炒作名词与概念的游戏，目前有一种不好趋势，谁的名词愈新，包含内容愈全，谁就越应受重视，应得到重点资助。作为重大项目或重点项目最后应有具体装置和手段，机械制造学科是脱离不了装备与手段，不能只在计算机上搞制造。§11.2-2精密/超精密磨料加工§11.22.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务超精密磨料加工技术包括超精密磨削、

53、研磨、抛光等加工技术，是以高精度为目标的技术。它追求所加工的工件达到纳米、亚纳米级的表面质量和优于亚微米级的尺寸、形状精度的要求，其任务是解决军事、信息产品以及民用产品中关键零部件如计算机外设、陀螺仪转子、卫星的姿态轴承、光学系统中的高精度非球面透镜、硅片等等的高精度加工问题。例如，广泛用于液压随动系统中精密偶件的阀芯与阀套的配合精度常要求达到m级，录像头、影碟机等精密零件的加工精度已提高到0.1m，激光陀螺平面反射镜的平面 度误差要求小于0.05m、ra0.001m。它具有单项技术的极限、常规技术的突破、新技术综合三个方面永无止尽的追求的特点。实现超精密磨削、研磨、抛光是一项系统工程。超精密

54、磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成35nm的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，以消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。主要研究点包括：1) 塑性磨削(ductile grinding)主要是针对脆性材料进行常规磨削加工时会出现表面微观裂纹的问题而提出的，它的研究热点集中在塑性磨削的加工机理方面，目前有两种观点，一种认为存在与工件材料特性和磨粒的几何

55、形状有关临界切削深度，在这临界切削深度之内为塑性磨削；另一种认为只有磨削温度才是切屑由脆性向塑性转变的关键。 2) 镜面磨削 镜面磨削关注的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。镜面磨削研究的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，并且磨粒在砂轮表面保持锋利的棱角。elid（electrolytic in-process dressing）磨削是当前镜面磨削发展较成熟的技术。3)确定量微磨（dmgdeterministic microgrinding） 确定量微磨技术是在综合超精密磨削技术最新发展的基础上形成的，它采用高刚度、高精度、高稳定性的机床，通过精确控制砂轮的切削

56、深度、磨削速度、进给量以及等砂轮和工件之间的相对振动等参数，减小磨削加工过程的不确定性，减小工件表面的亚表面损伤，达到高精度、高表面质量的高效率加工。 4) 性能优异的磨具制品新型陶瓷刚玉磨料，微晶烧结刚玉砂轮，cb宝石蓝砂轮，金刚石或cbn磨料，超微细微粉磨料等的性能、工艺和应用研究。 5) 超精密磨床包括高刚度、高精度的机床部件，大型超精密平面磨床、复杂形状超精密磨床结构设计，轴系、驱动、在线测度与误差补偿技术。以及超精密面型测量与评价技术是该领域研究的重要技术。超精密研磨、抛光对研抛机床的精度要求低一些，但对磨料加工工艺、超精密测控技术以及超精密研抛新原理、新方法的需求有更高和更广阔的探

57、索空间。超精密确定量研抛加工技术的发展是以高精度、超光滑光学零件、大规模集成电路的硅片的加工需求为牵引的。由于高精度非球光学零件(包括大型非球面镜、高徒度非球面镜、离轴非球面镜和拼接子镜、自由曲面镜等)的加工基本上代表超精密加工技术的最高水平，超精密确定量研抛加工成为超精密加工技术发展的重点之一，国际上在这一领域的研究一直很活跃。其基本原理是通过控制研抛头的形状（形式）、压力、运动形式等参数，使得研抛头在单位时间内对工件表面材料的去除量及分布可知，通过控制研抛头在工件表面的运动/停留时间去除残余误差，从而达到减小工件的面型误差、提高工件表面质量的目的。这一领域的研究热点包括可控性良好的研抛新原

58、理新方法，残余误差的定量去除算法，中高频误差控制和抑制技术等。发展起来的新技术有计算机控制小工具研抛(cc0s)技术、应力盘抛光技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术等。超光滑表面加工技术通常指表面粗糙度小于1nm（rms），并且无亚表面损伤的加工技术。超光滑表面主要应用在两个方面，一是以强激光、短波光学为代表的工程领域，主要目的是为了减小散射，提高抗破坏阈值；二是以磁记录头、大规模集成电路基片等器件为主的电子工业领域。§11.22.2该领域的国内外研究现状和发展趋势该领域的国内外研究是以工业界的需求为牵引，围绕精度、效率、和表面质量展开。其研究现状的特点表现在以下几个方面：（1）积极

59、开展脆性材料磨削加工机理研究，开拓超精密磨削加工的精度极限。如在延展性磨削机理的认识基础上形成了确定量微磨技术；（2）围绕确定量加工，积极寻求控制加工过程和去除量的方法和工艺；（3）积极探索提高超精密研抛加工效率的新途径、新方法。目前国内的研究基本上是跟踪国外的技术发展展开的，其差距表现在：缺乏对加工机理的原创性认知，缺乏长期的技术基础积累，缺乏工业界的强烈需求牵动。镜面磨削方面，日本镜面磨削时使用的磨具粒度为40008000#，其微粉的平均尺寸为1.5m4m，加工后工件表面粗糙度可达ra0.003m0.005m。使用粒径为20nm的sio2超微细微粉及锡抛光盘对蓝宝石单晶进行无损超精密研磨的抛光，可获得ra1nm的表面。美国norton公司首先推出