机械工程前沿课件

1、机械工程前沿之精密超精密加工技术摘要 ：近些年，随着社会经济的不断发展，精密加工和超精密加工技术已成为机械制造技术的前沿标志。它反映着一个工业国家机械加工的水平，它是六十年代应电子、计算机、宇航及激光尖端技术的发展而发展起来的一门新兴工艺技术。在三十年的时间里，利用近代先进的技术和工艺使机械加工精度提高了一个数量级，目前正从微米、亚微米向纳米级精度迈进。提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。现如今，无论是科研领域还是生产领域，这项技术都得到了必要的应用。这项技术的重要性是不言而喻的，直接关系到工艺事业的

2、发展进程。本文从精密超精密加工技术的相关理论、发展现状、运用三个角度，对该问题进行深入地分析与研究。Abstract ：In recent years, with the continuous development of social economy, precision machining and ultra precision machining technology has become the frontier of mechanical manufacturing technology. It reflects the level of mechanical processing

3、in an industrial country, which is a new technology developed by the development of electronic, computer, space and laser cutting technology in the sixty "s. In the thirty years, the use of modern advanced technology and technology to improve the accuracy of mechanical processing an order of ma

4、gnitude, is now being from the micron, submicron to nanometer level accuracy. Improving manufacturing accuracy can improve the performance and quality of the product, improve the stability and reliability of the product, promote the miniaturization of the product, strengthen the exchange of parts, i

5、mprove the production efficiency, and promote the automatic assembly. Now, whether it is scientific research or production areas, the technology has been the necessary application. The importance of this technology is self-evident, directly related to the process of development of the process. This

6、paper analyzes and studies the problem from three aspects: the theory, development status and application of precision machining technology.关键词 ：精密加工、超精密加工、切削、精度1 精密与超精密加工技术理论  众所周知，加工是一个非常宽泛的词汇。通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为10.1µm，表面粗糙度为Ra0.10.01µm的加工技术，但这个界限是随着

7、加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。普通加工是指一般技术水平就完成的精度；精密加工是指通过高精度的加工工具或器械，以及先进的加工技术才能实现的精度； 超精密加工是指必须对先进加工技术进行实验、讨论、研究才能完成的精度。每个时期的精度指标是不同的，因此，这三种形式的加工也会随着时间的变化而变化。超精密加工技术以每个历史时期所能达到的最高加工精度值为衡量标准，只要超过

8、了这个标准，我们就可将这些加工方法称之为超精密加工技术。就目前的标准而言，精密加工技术的加工精度为1一0.1um、表面粗糙度为Ra0.2一0.01um；而超精密加工技术的加工精度高于0.1um、表面粗糙度Ra小于0.25um，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01um。2 精密加工技术的现状、应用与发展趋势1）精密成型加工的发展现状与应用 精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工艺实现现代化，更多地使用CADCAM，使新锻件的制造周期减少75%。19

9、92年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等压成型工艺、数控计算机控制旋压、塑变和剪切成形机械、超塑成型扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的“大型模锻件的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进材料(如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等)成形工艺”等。我国的超塑成形技术在航天航空及机械行业也有应用，如航天工业中的卫星部件、导弹和火箭气瓶等，采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。2）精密加工技术的发展趋势面向21世纪的精密加工技术的发展趋势体现在

10、以下几个方面：a精密化 精密加工的核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。当前精密电火花加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达±2-3m、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3m。通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、IC塑封、手机、CD盒等高精密模具部位的电火花加工。b.智能化 智能化是而向21世纪制造技术的发展趋势之一。智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节，通过模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动，在制造过程中系统能自动监测其运行状态，在受到外界干扰或

11、内部激励能自动调整其参数，以达到最佳状态和具备自组织能力。新型数控电火花机床采用了模糊控制技术和专家系统智能控制技术。模糊控制技术是由计算机监测来判定电火花加工间隙的状态，在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件；自动监控加工过程，实现最稳定的加工过程的控制技术。3超精密加工技术的现状、应用与发展趋势超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.30.03µm，表面粗糙度为Ra0.030.005µm)和纳米级(精度误差为0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm) 精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加

12、之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。超精密加工主要包括三个领域：超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。 超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。 a.超精密切削 超精密切削以SPDT技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。多采用金刚石刀具铣削，广泛用于铜的平面和非球面光学元件、有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料的加工等。未来的发展趋势

13、是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗。此外，MEMS组件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸约可达50100 m，但如果加工几何特征在亚微米甚至纳米级，刀具直径必须再缩小，其发展趋势是利用纳米材料如纳米碳管来制作超小刀径的车刀或铣刀。b.超精密磨削超精密磨削是在一般精密磨削基础上发展起来的一种镜面磨削方法,其关键技术是金刚石砂轮的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工对象主要是脆硬的金属材料、半导体材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹,残留高度极小,加上微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,可获得高精度和低表面粗糙度的加工表面，当前超精密磨

14、削能加工出圆度0.01m、尺寸精度0.1m和表面粗糙度为Ra0.005m的圆柱形零件。 超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国50年代未发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Dia-mond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸0.025m），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）是英国超精密加工技术水平的独特代

15、表。 4精密与超精密加工的工作环境超精密加工技术综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术等。同时，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光 学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。目前超精密加工还没有确切的定义，一般是指达到绝对加工精度为0.1µm或表面粗糙度 为Ra 0.0lµ m以及达到加工允差和加工尺寸之比为106的加工技术。超精密加工对环境的要求十分严格，纳米加工对环境的要求就更加苛刻。只有对它的支撑环境加以严格控制，才能保证加工精度。加工所需的支撑环境主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等几个方面。本文着重介

16、绍温度环境以及振动环境两个方面的环境因素以及一般的解决措施 。 4.1温度控制随着科学技术的飞速发展和国际竞争的加剧，超精密加工技术越来越成为工业化国家长远发展的根本支撑。保证良好的稳定加工条件是实现超精密加工的关键之一。据文献统计，在精密加工、超精密加工中机床热变形引起的加工误差占总误差的40%70%。超精密加工60mm长的铝合金工件，温度变化1将产生1.35m的误差。若确保0.1m级加工精度，环境温度变化至少应控制在0.1范围内。温度控制主要的两种传热介质是油和空气，油的热容比较高且不可压缩，所以油喷淋温度可以比气喷淋达到更高的控制精度，美国LLNL实验室使用恒温油对放在局部恒温玻璃罩内的

17、一台双轴超精密金刚石车床进行喷射，可以使加工区域内的温度保持在20±0.06。4.2环境规划其一般控制区域为一无窗的房间，以避免日光的影响。房内未设置暖气，因为在冬季，暖气会引起很大的局部过热。该房间有一玻璃门与外界隔离。此区域的控制用较大功率的空调实现，其温度控制精度在3以内，设定温度比玻璃隔间内低45。操作人员在此区域内活动。精密控制区域用双层玻璃与一般控制区隔开。使用石英电热管加热，最高功率达3kW。 采用自适应预测模糊PID控制，此区域内最终的温度控制精度在0.1以内。4.3温度控制系统模型根据传热原理，具有蓄热能力的双层玻璃隔间通入加热气流，单位时间的热流量q与温升关系为

18、（1）式中，c为受控区间的热容量J/；0为受控区间内的温度，；为单位时间受控区间向外散发的热量，J/s。与0成正比，与热阻R成反比，即 （2）设加热器输入功率为P，则可以得到 （3）式中为温度控制系统的滞后时间，测量的结果为3min对式（3）做LAPLACE变换，就可以得到系统的传递函数 （4）玻璃隔间内的热量散失主要是通过玻璃进行热传导散发到外层的一般控制区域中去的。由于玻璃的面积较大，实验中发现使用单层玻璃时热量损失很大，即热阻较小，改成双层玻璃后，热阻可以大大增加。这2种情况的热阻分别为 （5） （6）式中，A为玻璃总面积；1 2分别为内层的热空气和外层的冷空气与玻璃壁面间的对流换热系数

19、，强迫对流时换热系数可达10w/（m3·）100w/（m3·）；为玻璃的厚度，1为中间的空气夹层的厚度；1 2分别为玻璃和空气的热导率。4.4石英晶体温度传感器为满足超精密环境温度控制精度优于0.1的要求，也为了日后精确控制机床润滑油、冷却油的温度，本设计实现了高精度多路温度测量仪测量室温，分辨率接近10-3，最多12路同时工作石英晶体温度传感器输出的是数字量，方便了测量仪器的设计，而且抗干扰能力大为提高；就最重要的指标（绝对和相对误差、热惰性、尺寸）而言，它与使用其它物理原理制成的实验室温度计或标准温度计不相上下，而明显超过工业部门采用的工程温度计。通常把压电谐振器的谐振

20、频率f与温度T的关系认为是它的热敏感性。习惯上用热灵敏度系数表示，定义为 （7）在对各种不同工作频率的谐振器进行热敏感性比较时，采用相对热灵敏度系数FT（习惯上称为频率温度系数），定义为 （8）式中，f0为温度为T0时谐振器的频率。实验表明，任何一种石英谐振器的温度-频率特性是一条二次或三次抛物线，或者是一条直线。在-200+200 内，频率-温度特性可表示成三项多项式（对于实际应用已具有足够的精度）： （9）因为压电石英晶体的各向异性，所以温度系数FT（1）FT（2）FT（3）与压电元件的取向和采用的振型有关。我们既可以设计高热稳定的石英谐振器，也可以得到具有高热敏感性的温度传感器。根据式（

21、9）要得到线性频率温度特性，必须使 （10）理论计算表明，石英晶体切割取向与晶轴夹角=8°44，=13°时，可满足式（10）， 这种切型文献上称之为LC（Linear Coefficient）型。由式（8）可知，要获得高灵敏度温度传感器，应使石英晶体谐振器工作在较高频率上（基频或泛频），本系统中为16.8MHz（三次泛频），晶体的平均频率温度系数Fr1（T）>60×10-6/，所以其测温灵敏度优于1000Hz/。通过计数电路，如果每隔1s采样一次，分辨率为10-3K，本系统中设计的测量仪采样时间为1.8s，理论分辨率为0.55×10-3.设计的温度

22、传感器电路所需功耗总共只有20×10-6W，谐振器的过热tn不超过3×10-3。最终标定结果表明其分辨率接近10-3。4.5温度控制器温度控制系统是慢变化、有时滞和随机干扰的动态系统，很难整定PID参数，所以采用常规的数字PID进行控制往往不能得到满意的控制效果。有些学者把模糊控制和神经网络技术引入自适应PID控制中，对一些机理比较复杂的过程产生了比较好的控制效果。这些控制算法虽然鲁棒性能较好，但没有考虑时滞变化对系统的影响，而温度控制系统就是一个时变时滞系统，而且时滞变化有可能导致系统不稳定。本文中利用模型加权函数的误差函数确定时滞，然后与预测控制的超前预测功能结合，起到

23、克服时变时滞的作用，并采用模糊控制方法得出一种自适应预测模糊PID温度控制算法。自适应预测模糊PID温度控制系统结构见图2。控制系统分为两部分，一部分是最优预测的设计，首先利用RLS算法及广义参数模型辨识被控过程的参数和时滞，利用k-1拍的被控过程输出y（k-1）和输入u（k-1）得出第k+d拍的最优预测值y×（k+d），再利用y×（k+d）与期望的设定温度值yr形成的反馈偏差作为模糊PID控制器的输入，可以消除时变时滞对系统控制品质的影响；另一部分是模糊PID控制系统，利用模糊决策表提高控制器的鲁棒性。假设时变时滞被控系统的动态特性可以用下面的差分方程式表达： （11）式

24、中dmax为预先可知的过程时滞时间的上限；u（k）、y（k）分别为过程的控制和输出序列；e（k）为环境干扰，为随机变量；d为输出对输入的响应的时滞时间；n为过程的阶次。用递推的最小二乘方法对修正的广义模型进行参数估计，辨识出B*（Z-1）的系数后，就可计算误差函数 （12）当F（d）为最小时，对应的d就是时滞时间。由Diophantine方程可得以y*（k+d）（k-1）表示根据k-1时刻输入值及输出值对k+d时刻输出y(k+d)的预测值,可以找到一个使预测方差最小的最优d步预测y*（k+d）（k-1）。控制器按照PID控制器设计,有:P(z-1)=p0+p1z-1+p2z-2 （14）由式(

25、11)、式(13)和式(14)可得最优预测PID控制系统的输出为从式（15）可以看出，最优预测PID控制系统的闭环特征方程中已经没有时滞项，从而消除了时滞对控制品质的影响。把式（15）与常规的数字PID控制增量式算式相比较，就可以很容易得出PID的3个参数K1、K2、K3。使用模糊决策表对K1、K2、K3进行优化以提高系统的鲁棒性能。图3是使用自适应预测模糊PID温度控制系统进行超精密环境温度控制的结果，可见在1000s后，环境温度变化就一直控制在±0.05内。5 结论与展望  精密超精密加工技术的发展及应用是一项非常系统的工程。我们要想将该项工作做好，必须做好这样几项工作：首先，我们要对精密超精密加工技术的相关理论有一个清晰的认识