超精密加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀

超精密加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀

自從中國將“裝備制造業(yè)”列為國家發(fā)展戰(zhàn)略后，中國的裝備制造業(yè)取得了突飛猛進的發(fā)展，很多大型裝備的制造能力都已經(jīng)躍居世界先進水平，甚至成為世界的頂級水平，但中國制造業(yè)總體還是落后的，其落后就在于精密制造的落后。

超精密加工技術是現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭的重要支撐技術，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學技術的發(fā)展基礎，是現(xiàn)代制造科學的發(fā)展方向。

現(xiàn)代科學技術的發(fā)展以試驗為基礎，所需試驗儀器和設備幾乎無一不需要超精密加工技術的支撐。由宏觀制造進入微觀制造是未來制造業(yè)發(fā)展趨勢之一，當前超精密加工已進入納米尺度，納米制造是超精密加工前沿的課題。世界發(fā)達國家均予以高度重視。

超精密加工的發(fā)展階段

目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應力、組織變化)為目標。

超精密加工的研究內(nèi)容，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機理、被加工材料、超精密加工設備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測與誤差補償、超精密加工環(huán)境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等)和超精密加工工藝等。一直以來，國內(nèi)外學者圍繞這些內(nèi)容展開了系統(tǒng)的研究。超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個階段。

1）20世紀50年代至80年代，美國率先發(fā)展了以單點金剛石切削為代表的超精密加工技術，用于航天、國防、天文等領域激光核聚變反射鏡、球面、非球面大型零件的加工。

2）20世紀80年代至90年代，進入民間工業(yè)的應用初期。美國的摩爾公司、普瑞泰克公司，日本的東芝和日立，以及歐洲的克蘭菲爾德等公司在政府的支持下，將超精密加工設備的商品化，開始用于民用精密光學鏡頭的制造。單超精密加工設備依然稀少而昂貴，主要以專用機的形式訂制。在這一時期還出現(xiàn)了可加工硬質(zhì)金屬和硬脆材料的超精密金剛石磨削技術及磨床，但其加工效率無法和金剛石車床相比。

3）20世紀90年代后，民用超精密加工技術逐漸成熟。在汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的推動下，超精密加工技術廣泛應用于非球面光學鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動器磁頭、磁盤基板、半導體基片等零件的加工。隨著超精密加工設備的相關技術，例如精密主軸部件、滾動導軌、靜壓導軌、微量進給驅(qū)動裝置、精密數(shù)控系統(tǒng)、激光精密檢測系統(tǒng)等逐漸成熟，超精密加工設備成為工業(yè)界常見的生產(chǎn)設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平、可加工工件的尺寸范圍也變得更大，應用越來越廣泛。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，還出現(xiàn)了超精密五軸銑削和飛切技術。已經(jīng)可以加工非軸對稱非球面等復雜零件。

國外超精密加工的發(fā)展情況

超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。

美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技術”（1微英寸＝0.025μm），并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。

金剛石刀具的超精密切削加工

在大型超精密機床方面，美國的LLL國家實驗室于1986年研制成功兩臺大型超精金剛石車床：一臺為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床，另一臺為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床。其中，LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來又研制出大型6軸數(shù)控精密研磨機，用于大型光學反射鏡的精密研磨加工。

英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進行超精密車削，又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。

Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯(lián)動數(shù)控磨床（工作臺面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車削）和測量精密自由曲面。該機床采用加工件拼合方法，還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

OAGM-2500大型cnc超精密磨床

日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。

我國超精密加工的發(fā)展情況

在過去相當長一段時期，由于受到西方國家的禁運限制，我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數(shù)控超精密機床研制成功后，西方國家馬上對我國開禁，我國現(xiàn)在已經(jīng)進口了多臺超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所（航空303）、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機床。

北京機床研究所是國內(nèi)進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達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、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內(nèi)領先、國際先進水平。

NAM-800型納米數(shù)控車床是北京機床研究所最新一代的納米級加工機床。它是當今數(shù)控技術、伺服技術、機械制造技術完美的統(tǒng)一。該機床為我國最前沿的科技發(fā)展提供了良好的加工手段。

NAM-800型納米數(shù)控車床

航空航天工業(yè)部303所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。

哈爾濱工業(yè)大學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等方面進行了卓有成效的研究。

清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、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行了深入研究，并有相應產(chǎn)品問世。

此外，中科院長春光學精密機械與物理研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著。

但總的來說，我國在超精密加工機床的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術配套性方面與國外相比，與生產(chǎn)實際要求相比，還有相當大的差距。另外，復雜曲面的精密加工也一直是我國制造業(yè)發(fā)展的壁壘，而制造業(yè)的發(fā)展關系著國家經(jīng)濟的長遠發(fā)展問題，仍需投入大量的研究。

精密加工的發(fā)展趨勢

1、高精度、高效率。

高精度與高效率是超精密加工永恒的主題?？偟膩碚f，固著磨粒加工不斷追求著游離磨粒的加工精度，而游離磨粒加工不斷追求的是固著磨粒加工的效率。當前超精密加技術如CMP、EEM等雖能獲得極高的表面質(zhì)量和表面完整性，但以犧牲加工效率為保證。超精密切削、磨削技術雖然加工效率高，但無法獲得如CMP、EEM的加工精度。探索能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工領域研究人員的目標。半固著磨粒加工方法的出現(xiàn)即體現(xiàn)了這一趨勢。另一方面表現(xiàn)為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法的誕生。

2、工藝整合化。

當今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。

3、大型化、微型化。

為加工航空、航天、宇航等領域需要的大型光電子器件(如大型天體望遠鏡上的反射鏡)，需要建立大型超精密加工設備。為加工微型電子機械、光電信息等領域需要的微型器件(如微型傳感器、微型驅(qū)動