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超精密加工技术的发展现状解析

关键词 金刚石 , 精密加工|2020-01-14 09:51:53|来源 中国超硬材料网
摘要 自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后,中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展,很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平,甚至成为世界的顶级水平,但中国制造业总体还是落后的,...

       自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后,中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展,很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平,甚至成为世界的顶级水平,但中国制造业总体还是落后的,其落后就在于精密制造的落后。

       超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向。

       现代科学技术的发展以试验为基础,所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一,当前超精密加工已进入纳米尺度,纳米制造是超精密加工前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。

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       01 超精密加工的发展阶段

       目前的超精密加工,以不改变工件材料物理特性为前提,以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤,包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。

       超精密加工的研究内容,即影响超精密加工精度的各种因素包括:超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来,国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。

       1)20世纪50年代至80年代,美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术,用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。

       2)20世纪80年代至90年代,进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司,日本的东芝和日立,以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下,将超精密加工设备的商品化,开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵,主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床,但其加工效率无法和金刚石车床相比。

       3)20世纪90年代后,民用超精密加工技术逐渐成熟。在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下,超精密加工技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。随着超精密加工设备的相关技术,例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟,超精密加工设备成为工业界常见的生产设备。此外,设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工工件的尺寸范围也变得更大,应用越来越广泛。随着数控技术的发展,还出现了超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。
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       02 国外超精密加工的发展情况 

       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年代末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=0.025μm),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。

       在大型超精密机床方面,美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床:一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床,另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中,LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

       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<10 nm。

       Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床(工作台面积2500mm×2500mm),可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法,还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

       日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。

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        03 我国超精密加工的发展情况

       在过去相当长一段时期,由于受到西方国家的禁运限制,我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后,西方国家马上对我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。

       我国北京机床研究所、航空精密机械研究所(航空303)、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。

       北京机床研究所是国内进行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、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动-位移测微仪等,达到了国内领先、国际先进水平。

       NAM-800 型纳米数控车床是北京机床研究所最新一代的纳米级加工机床。它是当今数控技术、伺服技术、机械制造技术完美的统一。该机床为我国最前沿的科技发展提供了良好的加工手段。

       航空精密机械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。

       此外, 中科院长春光学精密机械与物理研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究, 成绩显着。

       但总的来说, 我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性, 特别是规格(大尺寸) 和技术配套性方面与国外相比, 与生产实际要求相比, 还有相当大的差距。另外,复杂曲面的精密加工也一直是我国制造业发展的壁垒,而制造业的发展关系着国家经济的长远发展问题,仍需投入大量的研究。

       04 精密加工的发展趋势 

       1)高精度、高效率 高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说,固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度,而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如CMP、EEM等虽能获得极高的表面质量和表面完整性,但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高,但无法获得如CMP、EEM的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法,成为超精密加工领域研究人员的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。

       (2)工艺整合化 当今企业间的竞争趋于白热化,高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下,出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面,使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。

       (3)大型化、微型化 为加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜),需要建立大型超精密加工设备。为加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等),需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备)。 超精密加工技术正迎来一个繁荣的时代。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光技术已取得长足的进展,加工后工件表面精度可达纳米级或亚纳米级,并且加工方法日趋多样化。在流量计传感器的生产制造中,为了达到产品的高精度测量,精密加工技术保证了产品的加工精度。

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