国内外精密加工技术最新进展袁哲俊哈尔滨工业大学摘 要:介绍了精密和超精密加工技术各主要领域国内外的最新进展。

提出应重视精密加工的研究和加大投入,加速提高我国的精密和超精密加工技术水平。

关键词:精密和超精密加工技术, 超精密切削, 超精密机床, 精密镜面磨削, 精密研磨, 微机械制造Latest Developments of Precision Manufacturing Technology at Home and AbroadYuan Z hejunAbstr act:The latest developments in main areas of precision and ultra 2precisi on manufacturing technolog y at ho me and abroad were introduced.It was proposed that w e must pay great attention to the research o f p recision manufacturing technolo gy and increase investments in this field to make our co un try .s precision manufacturin g technology have a g reat impro vement.Keywor ds:precision and ultra 2precision manufacturing technology, ultra 2precision cu tting, ultra 2precision machine tool,precision mirro r surface g rinding, precision lapping, micro 2machine manufacturing1 概述精密和超精密加工技术的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展。

世界各国在这方面都极为重视,投入很大力量进行开发研究,同时技术保密,控制出口。

由于航空航天、尖端技术、多种高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光技术的迅速发展和多领域的广泛应用,各种复杂高精度零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工,成为迫切任务。

国外发展了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工技术、精密测量技术。

我国现在已是一个制造大国,仅次于美国、日本,最近又超过了德国,已处于世界第三位。

中国的出口最近也接近德国,而成为世界第二出口大国。

中国的出口统计中,机电产品已占多数,但中国制造业大而不强,是制造大国而不是制造强国,出口的机电产品多数是技术含量较低、价格亦较低的产品,而进口的则是技术水平高、价格昂贵的产品。

由于人民币升值和实行新劳动法后,工人工资显著提高,我国廉价劳动力的优势正在迅速丧失。

迫切需要提高我国制造工业的技术水平,研发和生产先进的高水平精密产品,只有这样才可能将我国从一个/制造大国0转变成一个真正的/制造强国0。

我国的机床制造业最近几年虽发展很快,年产量和出口量都明显增加,成为世界机床最大消费国和第一大进口国。

近年在精密加工技术和精密机床设备制造方面,取得不小进展,但仍和国外有较大差距。

从表1中我国机床生产、消费和进口情况的数字可看出,我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本形势。

表1 我国机床进出口情况(亿美元)年度产值出口进口消费2000211972199181903718820032318031804116067100200664100111907214013111020071111916157017166110由于一些重要的高精度机床设备和仪器,国外对我们封锁禁运,而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的,因此我们必须投入必要的人力物力,自主发展精密和超精密加工技术,将我国的精密和超精密加工技术水平尽快提高到世界前列,这样我国的国防和科技发展才不会受制于外国,我们才能出口世界一流的高技术机电产品。

下面将介绍国内外精密和超精密加工技术最近发展的情况。

图1 端士DIXI 的卧式精密高速镗床图2 瑞士MIKR ON 高速精密五轴加工中心2 精密机床技术的发展精密机床是精密加工的基础。

现在精密机床技术的发展方向是:在继续提高精度的基础上采用高速切削以提高效率,同时采用数控使其自动化。

瑞士DIXI 公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,现在该厂生产的高精度镗床D HP40(图1)已加上多轴数控系统成为加工中心,同时为使用高速切削,已将主轴最高转速提高到24000r/min 。

图2所示是瑞士M IK RO M 公司的高速精密五轴加工中心,它的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达到5L m,已达到过去坐标镗床的精度。

从这两台机床的性能看,现在精密机床、加工中心和高速切削机床已不再有严格的界限区分。

3 金刚石刀具超精密切削311 超精密切削技术的进展金刚石刀具超精密切削是超精密加工中的很重要部份,不少国防尖端产品零件,如陀螺仪、各种平面曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等,需要用超精密切削来加工。

超精密切削使用单晶金刚石刀具,在超精密机床上可以加工出镜面。

超精密切削的切削厚度可以极小,最小切削厚度可以到1nm(如图3所示)。

超精密切削使用的单晶金刚石刀具是重要关键,要求刃口磨得极为锋锐,刃口半径在015~0101L m 。

因刃口半径甚小,过去测量极为困难,现在可以用原子力显微镜(A FM)进行测量,测量就比较方便。

图4中是用AFM测量金刚石刀具刃口半径得到的测量结果。

图3 超精密切削的切削厚度(Ikawa)图4 使用AFM 检测金刚石刀具刃口半径312 超精密切削机理的研究超精密切削机理的研究近年来亦有不少进展。

例如超精密切削脆性材料时,加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而得到镜面,这涉及极薄切削时的脆性材料塑性切除的脆塑转换问题,最近提出不少新见解。

图5中所示,是超精密切削玻璃时的实验结果,可见到开始时切削厚度甚小,切除为塑性去除,加工表面无脆性破损痕迹。

随切削厚度增加,塑性切除逐渐转化成脆性破裂去除,加工表面可看到明显的脆性破损痕迹。

图5超精密切削玻璃时的脆塑转变图6 超精密切削表面形貌的仿真图7 超精密切削的分子动力学模拟对于超精密切削的过程机理研究,现在使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法,获得很好的效果,它一方面可以加深对极薄层材料切削去除机理的认识,同时可对切削效果作预报。

图6中所示是超精密切削时所形成的加工表面的计算机仿真模拟预测。

图7中所示,是对超精密切削过程的计算机仿真分子动力学模拟,采用该方法可看到切削极薄层材料时的动态切除过程,能对切除过程作动画演示。

超精密切削单晶材料时,由于单晶材料的各向异性、晶向不同,将明显影响加工表面质量和切削力。

图8中所示,是超精密车削单晶LiNbO 3端面,可明显看到由于晶向不同而使表面粗糙度有差别。

图9所示,是超精密车削单晶铜的不同晶面时实测所得切削力,可看到晶向不同时切削力有较大差别。

计算机仿真预测超精密切削单晶铜的不同晶面时的切削力,得到类似的结果。

图8 超精密车削单晶LiNbO 3(110)晶面时的表面粗糙度(a)(110)晶面 (b)(100)晶面 (c)(111)晶面图9 超精密切削单晶铜时不同晶面的切削力313 金刚石刀具晶体的新定向方法单晶金刚石刀具由于金刚石硬度极高,且晶体各向异性,刃磨极为不易。

制造金刚石刀具和刃磨都需要晶体定向,过去使用X 光晶体定向仪来定向,需要很贵重的仪器并且定向很费事。

哈尔滨工业大学研制成功激光晶体定向新方法,设备较简单,且操作方便,使金刚石晶体的定向大大简化。

图10是金刚石激光晶体定向原理图,图11中是金刚石不同晶面的代表符号(上)、不同晶面的激光定向图像(中)和显示晶体结构的各晶面的扫描电子显微镜(S EM )图像(下)。

图10 金刚石激光晶体定向原理图11 金刚石不同晶面激光定向图像4 超精密机床的进展411 国外超精密机床发展情况发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内容。

各发达国家都发展了多种超精密机床。

超精密机床的发展方向:进一步提高超精密机床的精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。

美国、英国、德国等在上个世纪70年代、日本在80年代,即开始生产超精密机床产品,可以批量供应。

大型超精密机床方面,美国于1986年由L L L 国家实验室研制成功加工直径211m 的卧式D T M-3金刚石车床和加工直径1165m 的L OD T M 立式大型光学金刚石车床等两台大型超精金刚石车床,其中L OD TM 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。

美国后来又研制了大型6轴数控精密研磨机,用于加工大型光学反射镜。

英国Cranfield 精加工中心于1991年研制成O A G M -2500(工作台面积2500mm @2500mm)多功能三坐标联动数控磨床,可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面,并且用此机床采用加工件拼合方法,加工成天文望远镜中的直径715m 的大型反射镜。

日本的多功能和高效专用超精密机床发展较好,促进了日本微电子和家电工业的发展。

现在国外生产的中型超精密机床产品的精度已明显提高,美国M oore 公司2000年生产的五轴联动500FG 超精密机床(见图12),可作为典型代表,该机床不仅可加工精密回转体非球曲面,并可加工精密自由曲面。

机床空气轴承主轴转速20~2000r/min,主轴回转误差[01025L m 。

液体静压导轨由无刷直线电机驱动,直线度误差[013L m/300mm,定位精度013L m。

图12 美国Moore 的500FG 五轴超精密机床乌克兰某研究所研制成新工作原理超精密机床,如图13a 所示,工作原理如图13b 所示。

工作时金刚石车刀围绕刀具转轴O -O 2旋转,刀尖的运动轨迹为通过工件中心点的一个圆,工件旋转而形成加工的球面。

调整刀具转轴箱轴心O O 2,以得到不同的转角H ,可以加工出不同曲率半径的球面。

H 为正值时,加工出的工件表面为凹球面;H =0时,可切出工件的平端面;H 为负值时,加工出的工件表面为凸球面。

加工非球曲面时,先将机床调整到接近的球面,加工时金刚石车刀再作补充进给f ,即可加工出要求的非球曲面。

这机床的主要优点是加工球面和平面时,完全不需导轨的直线运动(直线导轨很难加工到如此高的精度),故加工精度和表面质量都很高,此外这种机床结构比较简单和紧凑。

(a)机床外观(b)工作原理图13 乌克兰新工作原理超精密机床412 我国超精密机床发展情况过去相当长时期,由于受到禁运限制,我们难以进口国外的超精密机床。