精密超精密加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

精密超精密加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

未來(lái)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)積極尋求國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的制造技術(shù)，并緊密結(jié)合產(chǎn)品的發(fā)展方向。要在精密超精密切削技術(shù),硬脆材料超精密磨削和拋光技術(shù),復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工與精度控制技術(shù)等方面加強(qiáng)研究工作。當(dāng)前高技術(shù)產(chǎn)品的制造,均要求精密、超精密加工技術(shù)的支持,因此,有必要對(duì)當(dāng)今的精密、超精密加工技術(shù)進(jìn)行分析,作出綜述,以便全面地了解掌握該項(xiàng)技術(shù),進(jìn)而更好地應(yīng)用到科研和生產(chǎn)中去。1精密超精密加工是未來(lái)市場(chǎng)精密超精密加工技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展和完善起來(lái)的,現(xiàn)已成為當(dāng)代高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵制造技術(shù)。近20年來(lái),精密超精密加工不僅進(jìn)入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,而且正從單件小批量生產(chǎn)方式走向規(guī)模生產(chǎn),可以預(yù)見(jiàn),隨著新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn),精密超精密加工的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)前,精密加工是指加工精度為1～0.1μm,表面粗糙度為Ra0.2～0.01μm的加工技術(shù);而超精密加工則是指加工精度高于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)。但這個(gè)界限隨著加工技術(shù)的進(jìn)步不斷變化,今天的精密加工可能就是明天的一般加工。1.1超精密加工機(jī)床精密超精密工藝技術(shù)作為裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù),長(zhǎng)期以來(lái)一直是世界各國(guó)進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。精密超精密工藝技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美、英、日等國(guó)。其精密超精密工藝技術(shù)不僅總體成套水平高,而且商品化的程度也非常高。美國(guó)是開(kāi)展精密超精密工藝技術(shù)研究最早的國(guó)家,也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國(guó)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(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù),稱為“SPDT技術(shù)”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技術(shù)”(1微英寸=0.025μm),并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床,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等。如美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室和Y-12工廠在美國(guó)能源部支持下,于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM-3型,該機(jī)床的加工精度可達(dá)到形狀誤差為28nm(半徑),圓度和平面度為12.5nm,加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機(jī)床與該實(shí)驗(yàn)室1984年研制的LODTM大型超精密車床仍是現(xiàn)在世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床之一。在精密超精密加工技術(shù)領(lǐng)域,英國(guó)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(jiǎn)稱CUPE)享有較高聲譽(yù),它是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一,是英國(guó)精密超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre(納米加工中心)既可進(jìn)行超精密車削,又帶有磨頭,也可進(jìn)行超精密磨削,加工工件的形狀精度可達(dá)0.1μm,表面粗糙度Ra<10nm。日本對(duì)精密超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美、英來(lái)說(shuō)起步較晚,但它是當(dāng)今世界上精密超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國(guó)以發(fā)展國(guó)防尖端技術(shù)為主要目標(biāo),而是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的精密、超精密加工技術(shù)方面,更具有優(yōu)勢(shì),在這方面甚至超過(guò)了美國(guó)。1.2超精密切削設(shè)備我國(guó)的精密超精密加工技術(shù)在20世紀(jì)70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步,20世紀(jì)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。北京機(jī)床研究所是國(guó)內(nèi)進(jìn)行精密超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一,研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等,如精度達(dá)0.025μm的精密軸承、JCS-027超精密車床、JCS-031超精密銑床、JCS-035超精密車床、NAM-800型納米數(shù)控車床等,達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。如NAM-800型納米數(shù)控車床最大的加工直徑為<800mm(見(jiàn)表1),適用于激光行業(yè)、航空航天、軍工等行業(yè)以及超大尺寸的光學(xué)鏡件的高效加工。此外,航空航天工業(yè)部精密加工研究所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方面進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。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(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、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(wèn)世。中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、成都工具研究所、國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等都在這一領(lǐng)域進(jìn)行相應(yīng)的研究,成績(jī)顯著。但總的來(lái)說(shuō),我國(guó)在超精密加工的效率、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(guó)外比,與生產(chǎn)實(shí)際要求比,還有相當(dāng)大的差距。2加工方法根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點(diǎn),精密和超精密加工方法可以分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工三大類,如表2所示。2.1傳統(tǒng)加工方法去除加工又稱為分離加工,是從工件上去除一部分材料,傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法,如車削、銑削、磨削、研磨和拋光等,以及特種加工中的電火花加工、電解加工等,均屬這種加工方法。2.2工件表面改性加工利用物理和化學(xué)方法,將不同材料結(jié)合(bonding)在一起。按結(jié)合的機(jī)理、方法、強(qiáng)弱等,它又分為附著(deposition)、注入(injection)和連接(jointed)3種。1)附著加工又稱為沉積加工,是在工件表面上覆蓋一層物質(zhì),是一種弱結(jié)合,典型的加工方法是鍍覆;2)注入加工又稱為滲入加工,是在工件表面上注入某些元素,使之與基體材料產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng),是具有共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵的強(qiáng)結(jié)合,用以改變工件表層材料的力學(xué)機(jī)械性質(zhì),如滲碳、滲氮等;3)連接加工是將2種相同或不同材料通過(guò)物化方法連接在一起,如焊接、粘接等。2.3傳統(tǒng)加工概念變形加工又稱為流動(dòng)加工,是利用力、熱、分子運(yùn)動(dòng)等手段,使工件產(chǎn)生變形,改變其尺寸、形狀和性能。從材料在加工過(guò)程中的流動(dòng)分析,去除加工是使材料逐漸減少,一部分材料變?yōu)榍行?這種流動(dòng)稱為分散流。結(jié)合加工是使材料逐漸增加,這種流動(dòng)稱為匯合流。變形加工是使材料基本不變,這種流動(dòng)稱為直通流。多年來(lái),傳統(tǒng)加工的概念一直局限于去除加工和表面結(jié)合加工。近年來(lái),提出了電鑄、晶體生長(zhǎng)、分子束外延和快速成型等加工方法,突破了傳統(tǒng)加工概念。3執(zhí)行路徑實(shí)施精密超精密加工技術(shù)要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。3.1去除加工對(duì)于常用的機(jī)械產(chǎn)品精密零件,如陀螺儀、精密機(jī)床等的精密零件,可采用傳統(tǒng)的去除加工方法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的加工精度。因此,對(duì)有色金屬材料,一般可采用車削、銑削等加工方法達(dá)到要求的超精密加工精度,而對(duì)黑色金屬材料,則往往需要采用磨削、研磨、研拋等工藝手段作為最終加工以達(dá)到要求的超精密精度。3.2理力學(xué)性能高精度工件所用材料有嚴(yán)格要求。如要求質(zhì)地均勻,性能穩(wěn)定,無(wú)外部及內(nèi)部微觀缺陷;其化學(xué)成分的誤差及物理力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)分別達(dá)到一定數(shù)量級(jí);材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過(guò)濾、輾軋方向、溫度等,使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無(wú)方向性,能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。因此在精密零件制造材料的選取、冶煉和處理上均應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行。3.3金剛石刀具的制備精密超精密切削加工主要采用優(yōu)質(zhì)的天然金剛石刀具作為加工工具,所以超精密切削也稱金剛石切削(SPDT即SinglePointDiamondTurning)。金剛石刀具的刃磨十分關(guān)鍵,刀尖的圓弧半徑一般約要求為被加工表面粗糙度值的1/5。采用這樣的刀具,便于切削速度在很大(V=120～3600m/min)的范圍內(nèi)變化,而不影響被加工表面的粗糙度值。磨削加工一般用于硬度較高的黑色金屬材料的精密超精密加工,往往采用精細(xì)磨粒且精確修整過(guò)的砂輪(或砂帶)進(jìn)行磨削和研、拋加工。精密超精密砂輪(或砂帶)的磨料常用金剛石、立方氮化硼等。3.4機(jī)床的加工系統(tǒng)加工設(shè)備如車床、銑床、磨床等是實(shí)施精密超精密加工的平臺(tái)。因此選取時(shí)需考慮如下幾個(gè)因素:1)機(jī)床最終加工所能夠達(dá)到的綜合精度,它直接關(guān)系到加工結(jié)果。2)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料,它與加工時(shí)的熱變形、振動(dòng)等問(wèn)題有很大關(guān)系。3)機(jī)床的傳動(dòng)及伺服系統(tǒng),包括傳動(dòng)形式及控制精度等問(wèn)題,直接關(guān)系到加工過(guò)程的平穩(wěn)性和精確性。4)機(jī)床的主軸系統(tǒng),包括主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的噪音以及實(shí)際切削時(shí)的主軸剛度等。5)機(jī)床工藝系統(tǒng)剛度,包括工件裝夾變形及機(jī)床變形情況等。6)機(jī)床的安裝與工作條件,也即是否具備一定條件去安置機(jī)床并進(jìn)行加工。7)另外,軟件系統(tǒng)也應(yīng)該在考慮之列,包括除硬件補(bǔ)償之外的軟件自動(dòng)補(bǔ)償。3.5檢測(cè)精度測(cè)試系統(tǒng)精密和超精密加工必須具備相應(yīng)的檢測(cè)手段和方法,不僅要對(duì)工件和表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),而且要檢驗(yàn)加工設(shè)備和基礎(chǔ)元部件的精度。因此必須有一套高精度的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)不僅可以在加工過(guò)程中對(duì)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差檢測(cè)和補(bǔ)償,還可以在加工完成后能夠?qū)庸すぜ某叽缇燃靶挝痪冗M(jìn)行高精度的測(cè)量,即實(shí)現(xiàn)在線、在位和離線測(cè)量。此外,其他相