精密超精密加工技術(shù)研究論文

精密超精密加工技術(shù)研究論文超精密加工是世界科技發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域，它是20世紀(jì)60年代為了適應(yīng)核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的一種加工技術(shù)。它同樣是現(xiàn)代制造技術(shù)之一，與傳統(tǒng)加工在加工方法、加工精度等方面有著本質(zhì)的區(qū)別，是零件加工精度和質(zhì)量的飛躍。一、超精密加工概述超精密加工是指在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程。目前，超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μm的加工技術(shù)，也可稱為亞微米級(jí)加工技術(shù)，并且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展。精密與超精密加工技術(shù)以不斷提高加工精度和表面質(zhì)量為目標(biāo)，在不同的發(fā)展時(shí)期具有不同的定義，并沒有嚴(yán)格的分界線。如今，超精密加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門綜合多學(xué)科的高新技術(shù)，涉及材料、加工設(shè)備、電子、計(jì)算機(jī)、檢測和工作環(huán)境等多個(gè)方面，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)、民用工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用，并且成為衡量一個(gè)國家先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一。超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段:1技術(shù)開創(chuàng)期：20世紀(jì)50年代-80年代20世紀(jì)50年代末，出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削——單點(diǎn)金剛石切削，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。這一時(shí)期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。2民間工業(yè)應(yīng)用初期：20世紀(jì)80年代-90年代20世紀(jì)80年代后期，美國通過能源部“激光核聚變項(xiàng)目”和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國國家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床稱為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為1.625m的立式車床，定位精度可達(dá)28nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長度超1m、而直線度誤差只有±25nm的加工。3民間工業(yè)應(yīng)用成熟期：20世紀(jì)90年代至今從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工的需求急劇增加。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟。此外，設(shè)備精度也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。目前世界上的超精密加工強(qiáng)國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、X射線探測望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。目前此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測量儀器、醫(yī)療器械和人造器官等，很多小型和超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面甚至超過了美國。我國超精密加工行業(yè)起步較晚，早期受技術(shù)限制，超精密加工設(shè)備完全依賴進(jìn)口，后得益于國內(nèi)科技技術(shù)、研發(fā)水平提升，超精密加工行業(yè)取得良好成果，高端設(shè)備國產(chǎn)化率持續(xù)攀升。但總體來看，我國超精密加工行業(yè)在加工精度、加工效率、技術(shù)配套性方面仍與國際先進(jìn)水平存在差距，未來仍需大量的研究和資金投入。二、超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1國外超精密加工機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展超精密機(jī)床是發(fā)展超精密加工的極重要內(nèi)容，各發(fā)達(dá)國家都發(fā)展了多種超精密機(jī)床。超精密機(jī)床也向著高精度、多功能和高效專用方向發(fā)展。美國是開展超精密加工技術(shù)研究最早的國家，也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國家。早在20世紀(jì)50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床。美國Moore公司2000年生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)500FG超精密機(jī)床不僅可以加工精密回轉(zhuǎn)體非球曲面，還可以加工精密自由曲面。該加床空氣軸承主軸轉(zhuǎn)速20~2000r/min，主軸回轉(zhuǎn)誤差≤0.025μm。液體靜壓導(dǎo)軌由無刷直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線度誤差≤0.025μm/300mm，定位精度0.3μm。在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所(簡稱CUPE)享有較高聲譽(yù)，他是當(dāng)今世界精密工程研究中心之一，是英國超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。英國Cranfield精加工中心于1991年研制成功的OAGM—2500(工作臺(tái)面積2500mm*2500mm)多功能三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床，可加工(磨削、車削)和測量精密自由曲面，成功加工過天文望遠(yuǎn)鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。20世紀(jì)80年代，超精密車削加工技術(shù)在美國、英國及日本等國發(fā)展較快，可加工鋁、銅合金的鏡面。但隨著機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，對(duì)床身、導(dǎo)軌、立柱等大中型結(jié)構(gòu)件的精度要求不斷提高，僅靠手工研磨已不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。例如三坐標(biāo)測量機(jī)的橫梁，陶瓷工件的加工直線性要求1μm/1800mm；半導(dǎo)體制造方面也要求0.5~1μm/500mm*500mm這樣高的精度，在這種情況下，日本住友重機(jī)械公司經(jīng)歷6年于1985年研制成功的KSX-815超精密平面磨床獲得日刊工業(yè)新聞社選定的1991年“十大新產(chǎn)品獎(jiǎng)”。用該磨床磨削1500mm的工件，直線度達(dá)到0.9μm。磨削500mm*500mm的平板，其平面度達(dá)到1μm。西鐵城公司的SG-530型NC超精密平面磨床為了盡可能地提高精度，消除了摩擦、間隙等非線性因素，采用靜壓軸承。為控制由于熱量引起的機(jī)床變形，采用了對(duì)稱兩支承門型結(jié)構(gòu)以及兩端支承主軸結(jié)構(gòu)。用該磨床加工500mm*300mm的平板，用自動(dòng)準(zhǔn)直儀測量其平面度為0.6μm；加工用于激光打印機(jī)的透鏡(復(fù)曲面，即XZ斷面和YZ斷面具有不同曲率半徑)，其形狀精度可達(dá)0.63μm。德國JUNG公司是國際上知名度較高的平面磨床，它以精度高、使用壽命長而著稱。JUNG公司的主要平面磨產(chǎn)品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)一般都設(shè)有兩套運(yùn)動(dòng)裝置，往復(fù)運(yùn)動(dòng)由液壓驅(qū)動(dòng)，緩進(jìn)給成型磨削采用機(jī)電傳動(dòng)。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)臥式坐標(biāo)鏜床聞名于世，現(xiàn)在該廠生產(chǎn)的高精度鏜床DHP40已加上多軸數(shù)控系統(tǒng)成為加工中心，同時(shí)為使用高速切削，已將主軸最高轉(zhuǎn)速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心，它的主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min，定位精度達(dá)到5μm，已達(dá)到過去坐標(biāo)鏜床的精度。2國內(nèi)超精密加工機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀我國的超精密加工技術(shù)在上世紀(jì)70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。如精度達(dá)到0.025μm精密軸承、JCS-027超精密車床、JCS-031超精密銑床、JCS-035超精密車床等達(dá)到了國際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精密砂帶磨削和研拋、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。但總的來說，我國在超精密加工機(jī)床的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格(大尺寸)和技術(shù)配套性方面與國外相比，與生產(chǎn)實(shí)際要求相比，還有相當(dāng)大的差距。三、超精密機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)影響制約超精密機(jī)床結(jié)構(gòu)精度的主要因素有主軸系統(tǒng)、直線導(dǎo)軌、刀具材質(zhì)和形狀、加工方式、機(jī)床的抖動(dòng)和阻尼特性等?，F(xiàn)在有很多新的組合加工方式也能達(dá)到很好的表面精度，有著廣闊的前景。如EDM+化學(xué)腐蝕混合加工，其生產(chǎn)效率高、精度好。精密加工機(jī)床主要由機(jī)械系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)間相互作用、相互影響，共同保證超精密機(jī)床的加工精度：1機(jī)械系統(tǒng)是超精密加工機(jī)床的機(jī)構(gòu)本體，機(jī)械系統(tǒng)的性能是超精密機(jī)床加工精度的根本保障。對(duì)其要求為：高的靜精度和動(dòng)精度，高的靜剛度和動(dòng)剛度，高穩(wěn)定性。2精密加工和超精密機(jī)床必須具備相應(yīng)的檢測和控制技術(shù)。檢測系統(tǒng)將測量的結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，以便預(yù)防和補(bǔ)償誤差。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求是高的編程分辨率，高精度的伺服控制軟硬件環(huán)境。3嚴(yán)密的組織管理系統(tǒng)。通過對(duì)被加工材料和加工機(jī)理的分析，選擇相應(yīng)的加工設(shè)備、加工工具，制定合理的加工工藝才能保證加工的精度和效率，被加工材料應(yīng)該質(zhì)地均勻、性能穩(wěn)定、無外部及內(nèi)部微觀缺陷。四、超精密未來展望超精密機(jī)床技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，其發(fā)展綜合利用了基礎(chǔ)理論(包括切削機(jī)理、懸浮理論等)、關(guān)鍵單元部件技術(shù)、相關(guān)功能元件技術(shù)、刀具技術(shù)、計(jì)量與測試分析技術(shù)、誤差處理技術(shù)、切削工藝技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、可重構(gòu)技術(shù)和環(huán)境技術(shù)等。因此，技術(shù)高度集成已成為超精密機(jī)床的主要特點(diǎn)。當(dāng)今超精密加工加床技術(shù)的發(fā)展趨勢是：技術(shù)上不斷朝著加工的極限方向發(fā)展，向更高精度、更高效率(設(shè)備的整合化)方向發(fā)展，向大型化、微型化方向發(fā)展；功能上向加工檢測補(bǔ)償一體化方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)上向多功能模塊化方向發(fā)展；功能部件上向新原理、新方法、新材料應(yīng)用方面發(fā)展，總體來講是向極限制造技術(shù)方面發(fā)展。具體來說，超精密機(jī)床的未來突破點(diǎn)和展望有以下幾點(diǎn)：1機(jī)床結(jié)構(gòu)為了增加超精密機(jī)床的靜剛度和動(dòng)剛度，一些超精密機(jī)床采用很特殊的結(jié)構(gòu)，例如三角棱形立式結(jié)構(gòu)的超精密磨床能改善創(chuàng)痛龍門式結(jié)構(gòu)在重的加工負(fù)載下容易產(chǎn)生俯仰和偏擺變形的缺點(diǎn)。今年來采用多自由度的并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)也進(jìn)一步增大了機(jī)床的剛度。2超精密主軸和導(dǎo)軌磁懸浮株洲技術(shù)，永磁、電磁和氣浮結(jié)合的控制方案也在研究中，以及水靜壓軸承的研究等都是未來突破超精密加工關(guān)鍵點(diǎn)。3超精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)精密滾珠絲杠是超精密機(jī)床驅(qū)動(dòng)采用的常規(guī)方式，但是這種方式存在許多缺點(diǎn)，限制了運(yùn)動(dòng)精度的進(jìn)一步提高。近年來，直線電機(jī)在超精密加工設(shè)備的驅(qū)動(dòng)上得到了廣泛應(yīng)用，直線電機(jī)采用無機(jī)械減速系統(tǒng)的無摩擦直接驅(qū)動(dòng)方式，適合高精度、高分辨率、高速度場合，也成為了未來提高驅(qū)動(dòng)帶給機(jī)床整體精度的一個(gè)發(fā)展趨勢。4超精密加工