精密超精密加工技术的发展与应用

精密超精密加工技术的发展与应用

未来技术的开发应积极寻求国内外先进的制造技术，并紧密结合产品的发展方向。要在精密超精密切削技术,硬脆材料超精密磨削和抛光技术,复杂薄壁结构件数控加工与精度控制技术等方面加强研究工作。当前高技术产品的制造,均要求精密、超精密加工技术的支持,因此,有必要对当今的精密、超精密加工技术进行分析,作出综述,以便全面地了解掌握该项技术,进而更好地应用到科研和生产中去。1精密超精密加工是未来市场精密超精密加工技术是20世纪60年代发展和完善起来的,现已成为当代高技术产品的关键制造技术。近20年来,精密超精密加工不仅进入到国民经济的各个领域,而且正从单件小批量生产方式走向规模生产,可以预见,随着新产品的不断涌现,精密超精密加工的应用范围将进一步扩大。当前,精密加工是指加工精度为1～0.1μm,表面粗糙度为Ra0.2～0.01μm的加工技术;而超精密加工则是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.025μm,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术。但这个界限随着加工技术的进步不断变化,今天的精密加工可能就是明天的一般加工。1.1超精密加工机床精密超精密工艺技术作为装备制造业中的关键技术,长期以来一直是世界各国进行研发和应用的重点。精密超精密工艺技术在国际上处于领先地位的国家有美、英、日等国。其精密超精密工艺技术不仅总体成套水平高,而且商品化的程度也非常高。美国是开展精密超精密工艺技术研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末,由于航天等尖端技术发展的需要,美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为“SPDT技术”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技术”(1微英寸=0.025μm),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等。如美国LLL实验室和Y-12工厂在美国能源部支持下,于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM-3型,该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径),圆度和平面度为12.5nm,加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床之一。在精密超精密加工技术领域,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)享有较高声誉,它是当今世界上精密工程的研究中心之一,是英国精密超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削,又带有磨头,也可进行超精密磨削,加工工件的形状精度可达0.1μm,表面粗糙度Ra<10nm。日本对精密超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但它是当今世界上精密超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国以发展国防尖端技术为主要目标,而是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的精密、超精密加工技术方面,更具有优势,在这方面甚至超过了美国。1.2超精密切削设备我国的精密超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步,20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行精密超精密加工技术研究的主要单位之一,研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等,如精度达0.025μm的精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床、NAM-800型纳米数控车床等,达到了国内领先、国际先进水平。如NAM-800型纳米数控车床最大的加工直径为<800mm(见表1),适用于激光行业、航空航天、军工等行业以及超大尺寸的光学镜件的高效加工。此外,航空航天工业部精密加工研究所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究,并有相应产品问世。中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学、北京理工大学等都在这一领域进行相应的研究,成绩显著。但总的来说,我国在超精密加工的效率、精度可靠性,特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外比,与生产实际要求比,还有相当大的差距。2加工方法根据加工方法的机理和特点,精密和超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类,如表2所示。2.1传统加工方法去除加工又称为分离加工,是从工件上去除一部分材料,传统的机械加工方法,如车削、铣削、磨削、研磨和抛光等,以及特种加工中的电火花加工、电解加工等,均属这种加工方法。2.2工件表面改性加工利用物理和化学方法,将不同材料结合(bonding)在一起。按结合的机理、方法、强弱等,它又分为附着(deposition)、注入(injection)和连接(jointed)3种。1)附着加工又称为沉积加工,是在工件表面上覆盖一层物质,是一种弱结合,典型的加工方法是镀覆;2)注入加工又称为渗入加工,是在工件表面上注入某些元素,使之与基体材料产生物理化学反应,是具有共价键、离子键、金属键的强结合,用以改变工件表层材料的力学机械性质,如渗碳、渗氮等;3)连接加工是将2种相同或不同材料通过物化方法连接在一起,如焊接、粘接等。2.3传统加工概念变形加工又称为流动加工,是利用力、热、分子运动等手段,使工件产生变形,改变其尺寸、形状和性能。从材料在加工过程中的流动分析,去除加工是使材料逐渐减少,一部分材料变为切屑,这种流动称为分散流。结合加工是使材料逐渐增加,这种流动称为汇合流。变形加工是使材料基本不变,这种流动称为直通流。多年来,传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工。近年来,提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快速成型等加工方法,突破了传统加工概念。3执行路径实施精密超精密加工技术要从以下几个方面来考虑。3.1去除加工对于常用的机械产品精密零件,如陀螺仪、精密机床等的精密零件,可采用传统的去除加工方法实现预期的加工精度。因此,对有色金属材料,一般可采用车削、铣削等加工方法达到要求的超精密加工精度,而对黑色金属材料,则往往需要采用磨削、研磨、研抛等工艺手段作为最终加工以达到要求的超精密精度。3.2理力学性能高精度工件所用材料有严格要求。如要求质地均匀,性能稳定,无外部及内部微观缺陷;其化学成分的误差及物理力学性能如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应分别达到一定数量级;材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中,应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等,使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性,能满足物理、化学、力学等性能要求。因此在精密零件制造材料的选取、冶炼和处理上均应严格按要求进行。3.3金刚石刀具的制备精密超精密切削加工主要采用优质的天然金刚石刀具作为加工工具,所以超精密切削也称金刚石切削(SPDT即SinglePointDiamondTurning)。金刚石刀具的刃磨十分关键,刀尖的圆弧半径一般约要求为被加工表面粗糙度值的1/5。采用这样的刀具,便于切削速度在很大(V=120～3600m/min)的范围内变化,而不影响被加工表面的粗糙度值。磨削加工一般用于硬度较高的黑色金属材料的精密超精密加工,往往采用精细磨粒且精确修整过的砂轮(或砂带)进行磨削和研、抛加工。精密超精密砂轮(或砂带)的磨料常用金刚石、立方氮化硼等。3.4机床的加工系统加工设备如车床、铣床、磨床等是实施精密超精密加工的平台。因此选取时需考虑如下几个因素:1)机床最终加工所能够达到的综合精度,它直接关系到加工结果。2)机床的结构设计及材料,它与加工时的热变形、振动等问题有很大关系。3)机床的传动及伺服系统,包括传动形式及控制精度等问题,直接关系到加工过程的平稳性和精确性。4)机床的主轴系统,包括主轴转速、转动时的噪音以及实际切削时的主轴刚度等。5)机床工艺系统刚度,包括工件装夹变形及机床变形情况等。6)机床的安装与工作条件,也即是否具备一定条件去安置机床并进行加工。7)另外,软件系统也应该在考虑之列,包括除硬件补偿之外的软件自动补偿。3.5检测精度测试系统精密和超精密加工必须具备相应的检测手段和方法,不仅要对工件和表面质量进行检验,而且要检验加工设备和基础元部件的精度。因此必须有一套高精度的测试系统。该测试系统不仅可以在加工过程中对工件进行实时误差检测和补偿,还可以在加工完成后能够对加工工件的尺寸精度及形位精度进行高精度的测量,即实现在线、在位和离线测量。此外,其他相