淺論超精密加工機(jī)床現(xiàn)狀和展望

1、.wd.wd.wd.淺析超精細(xì)加工機(jī)床現(xiàn)狀及展望張建鋒 學(xué)號(hào)：11309017(汕頭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廣東)摘要：本文主要討論超精細(xì)加工以及加工機(jī)床的開展歷程、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)以及展望。通過對(duì)超精細(xì)加工機(jī)床的現(xiàn)狀和難點(diǎn)分析，總結(jié)了未來超精細(xì)加工機(jī)床的開展趨勢(shì)，并且具體給出了超精細(xì)加工機(jī)床的重點(diǎn)需要突破革新的要點(diǎn)和對(duì)策。關(guān)鍵字：超精細(xì)加工、超精細(xì)加工機(jī)床、精度、效率。0 前言超精細(xì)加工技術(shù)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)的需要而開展起來的精度極高的一種加工技術(shù)。超精細(xì)加工技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)之一，它與傳統(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

2、件加工精度和質(zhì)量的飛躍。超精細(xì)加工是世界科技開展的重要前沿領(lǐng)域，主要包含有超精細(xì)制造、超精細(xì)檢測(cè)、超精細(xì)環(huán)境控制及其各類輔助研究分支。大局部?jī)x器系統(tǒng)和設(shè)備都是通過機(jī)床加工出來的，如隱形眼鏡就是用超精細(xì)數(shù)控車床加工而成的。目前隱形眼鏡的加工工藝主要有三種：分別是旋轉(zhuǎn)成型工藝、切削成型工藝和模壓成型工藝。計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤和復(fù)印機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品的很多精細(xì)零件都是用超精細(xì)加工手段制成。當(dāng)現(xiàn)有加工設(shè)備不能滿足零件加工要求時(shí)，必然要設(shè)計(jì)新設(shè)備，這就是我們經(jīng)常提起的超精細(xì)機(jī)床的研究，而超精細(xì)加工機(jī)床的構(gòu)造設(shè)計(jì)是其中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。一個(gè)高精細(xì)機(jī)床的設(shè)計(jì)不僅僅是機(jī)械部門一個(gè)單元能完成的，它受到材料、物理、

3、設(shè)計(jì)和工藝水平等多個(gè)環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的綜合影響。本文主要從超精細(xì)加工的起源、內(nèi)涵、影響因素、研究方向和對(duì)策等方面來闡述超精細(xì)加工機(jī)床構(gòu)造。1 超精細(xì)加工相關(guān)知識(shí)概述超精細(xì)加工目前尚沒有統(tǒng)一的定義，在不同歷史時(shí)期，不同的科學(xué)技術(shù)開展水平的情況下，有不同的理解。通常我們認(rèn)為一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度到達(dá)零點(diǎn)幾微米，外表粗糙度優(yōu)于百分之幾微米的加工技術(shù)為超精細(xì)加工技術(shù)。被加工尺寸大小不同，超精細(xì)加工的界別也會(huì)不同，通常認(rèn)為精度與加工尺寸之比(精度比)到達(dá)10-6量級(jí)也稱為超精細(xì)加工1。超精細(xì)加工的開展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。(1)20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀(jì)50年代末，出

4、于航天、國(guó)防等尖端技術(shù)開展的需要，美國(guó)率先開展了超精細(xì)加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精細(xì)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2。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) 20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)通過能源部“激光核聚變工程和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)方案對(duì)超精細(xì)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細(xì)加工。美國(guó)LLL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床稱為超精細(xì)加工史上的

5、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(zhǎng)度超過1m、而直線度誤差只有25nm的加工2。(3) 20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。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)的蓬勃開展，超精細(xì)加工的需求急劇增加。在這一時(shí)期，超精細(xì)加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干預(yù)儀、空氣軸承精細(xì)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細(xì)研磨外，超精細(xì)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。目前世界上的超精細(xì)加工強(qiáng)國(guó)以

6、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(guó)，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(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)展研究。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，須使用超精細(xì)研磨加工等方法。日本對(duì)超精細(xì)加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界超精細(xì)加工技術(shù)開展最快的國(guó)家。日本超精細(xì)加工的應(yīng)用對(duì)象大局部是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精細(xì)測(cè)量?jī)x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)零件的超精細(xì)加工技術(shù)方面甚至超過了美國(guó)3。2 超精細(xì)加工機(jī)床的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)2.1 國(guó)外超精細(xì)加工機(jī)床技術(shù)

7、現(xiàn)狀開展超精細(xì)機(jī)床是開展超精細(xì)加工的極重要內(nèi)容，各興旺國(guó)家都開展了多種超精細(xì)機(jī)床。超精細(xì)機(jī)床也向著高精度、多功能和高效專用方向開展。2.1.1 美國(guó)生產(chǎn)的超精細(xì)加工機(jī)床美國(guó)是開展超精細(xì)加工技術(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)開展的需要，美國(guó)首先開展了金剛石刀具的超精細(xì)切削技術(shù)，并開展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精細(xì)機(jī)床。美國(guó)Moore公司2000年生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)500FG超精細(xì)機(jī)床不僅可以加工精細(xì)回轉(zhuǎn)體非球曲面，還可以加工精細(xì)自由曲面。該加床空氣軸承主軸轉(zhuǎn)速202000r/min，主軸回轉(zhuǎn)誤差0.025m。液體靜壓導(dǎo)軌由無刷直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直

8、線度誤差0.025m/300mm，定位精度0.3m4。2.1.2 英國(guó)生產(chǎn)的超精細(xì)加工機(jī)床 在超精細(xì)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細(xì)工程研究所(簡(jiǎn)稱CUPE)享有較高聲譽(yù)，他是當(dāng)今世界精細(xì)工程研究中心之一，是英國(guó)超精細(xì)加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。英國(guó)Cranfield精加工中心于1991年研制成功的OAGM2500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(cè)量精細(xì)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4。2.1.3 日本生產(chǎn)的超精細(xì)加工機(jī)床20世紀(jì)80年代，超精細(xì)車削加工技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)及日本等國(guó)開展較快，可加工鋁、銅

9、合金的鏡面。但隨著機(jī)床工業(yè)的開展，對(duì)床身、導(dǎo)軌、立柱等大中型構(gòu)造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)開展的需要。例如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的橫梁，陶瓷工件的加工直線性要求1m/1800mm；半導(dǎo)體制造方面也要求0.51m/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超精細(xì)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，直線度到達(dá)0.9m。磨削500mm*500mm的平板，其平面度到達(dá)1m。西鐵城公司的SG-530型NC超精細(xì)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，

10、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)稱兩支承門型構(gòu)造以及兩端支承主軸構(gòu)造。用該磨床加工500mm*300mm的平板，用自動(dòng)準(zhǔn)直儀測(cè)量其平面度為0.6m；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)0.63m4。2.1.4 德國(guó)、瑞士等生產(chǎn)的超精細(xì)加工機(jī)床德國(guó)JUNG公司是國(guó)際上知名度較高的平面磨床，它以精度高、使用壽命長(zhǎng)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)

11、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公司的高速精細(xì)五軸加工中心，它的主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min，定位精度到達(dá)5m，已到達(dá)過去坐標(biāo)鏜床的精度4。2.2 國(guó)內(nèi)超精細(xì)加工機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)的超精細(xì)加工技術(shù)在上世紀(jì)70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精細(xì)機(jī)床和部件。如精度到達(dá)0.025m精細(xì)軸承、JCS-027超精細(xì)車床、JCS-031超精細(xì)銑床、JCS-035超精細(xì)車床等到達(dá)了國(guó)際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精細(xì)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

12、整技術(shù)等方面進(jìn)展了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精細(xì)加工設(shè)備、磁盤加工及檢測(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精細(xì)砂帶磨削和研拋、非圓截面超精細(xì)切削等方面進(jìn)展了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。但總的來說，我國(guó)在超精細(xì)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(guó)外相比，與生產(chǎn)實(shí)際要求相比，還有相當(dāng)大的差距5，6。3 超精細(xì)機(jī)床構(gòu)造設(shè)計(jì)的難點(diǎn)影響制約超精細(xì)機(jī)床構(gòu)造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。現(xiàn)在有很多新的組合加工方式也能到達(dá)很好的外表精度，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。精細(xì)加工機(jī)床主要由機(jī)

13、械系統(tǒng)、測(cè)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，共同保證超精細(xì)機(jī)床的加工精度7。(1)機(jī)械系統(tǒng)是超精細(xì)加工機(jī)床的機(jī)構(gòu)本體，機(jī)械系統(tǒng)的性能是超精細(xì)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)精細(xì)加工和超精細(xì)機(jī)床必須具備相應(yīng)的檢測(cè)和控制技術(shù)。檢測(cè)系統(tǒng)將測(cè)量的結(jié)果反響給控制系統(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

14、觀缺陷。4.展望超精細(xì)機(jī)床技術(shù)目前已經(jīng)開展成為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，其開展綜合利用了根基理論(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(cè)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細(xì)機(jī)床的主要特點(diǎn)。當(dāng)今超精細(xì)加工加床技術(shù)的開展趨勢(shì)是：技術(shù)上不斷朝著加工的極限方向開展，向更高精度、更高效率(設(shè)備的整合化)方向開展，向大型化、微型化(大型零件和微小另?yè)?jù)愛你的加工)方向開展；功能上向加工檢測(cè)補(bǔ)償一體化方向開展；構(gòu)造上向多功能模塊化方向開展；功能部件上向新原理、新方法、新材料應(yīng)用方面開展，總體來講是

15、向極限制造技術(shù)方面開展。具體來說，超精細(xì)機(jī)床的未來突破點(diǎn)和展望有以下幾點(diǎn)：(1)在機(jī)床構(gòu)造方面。為了增加超精細(xì)機(jī)床的靜剛度和動(dòng)剛度，一些超精細(xì)機(jī)床采用很特殊的構(gòu)造，例如三角棱形立式構(gòu)造的超精細(xì)磨床能改善創(chuàng)痛龍門式構(gòu)造在重的加工負(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)超精細(xì)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細(xì)加工關(guān)鍵點(diǎn)。(3)超精細(xì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。精細(xì)滾珠絲杠是超精細(xì)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)在超精細(xì)加

16、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(chǎng)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)開展趨勢(shì)。(4)超精細(xì)加工的誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)。用變分法精度、多體動(dòng)力學(xué)等分析誤差建模理論，可以將刀具幾何參數(shù)、加工工藝條件及機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差三大因素對(duì)加工工件的精度影響準(zhǔn)確的建設(shè)數(shù)學(xué)模型。因此，研究更新更完美的數(shù)學(xué)模型理論和高效的應(yīng)用到實(shí)踐中是至關(guān)重要的。(5)超精細(xì)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。超精細(xì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是高編程分辨率(1nm)和高精度的伺服控制軟硬件環(huán)境。在高編程分辨率條件下滿足高質(zhì)量切削條件，意味著需要高的控制速度，例如插補(bǔ)周期小于1ms，伺服閉環(huán)采樣周期小于0.1ms5-7。因此，超精細(xì)加工機(jī)床的構(gòu)造設(shè)計(jì)還有很有長(zhǎng)的路要走，須腳踏實(shí)地，任重而道遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)1 李圣怡，戴一帆.超精細(xì)加工機(jī)床新進(jìn)展.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2003,39(8):7-14.2 袁哲俊，王先逵.精細(xì)和超精細(xì)加工技術(shù)M.北