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中國超精密加工技術的發展現狀解析
作者: 佚名 時間:2020-1-14文章來源:機經網訪問量:6669

自從中國將“裝備制造業”列為國家發展戰略后,中國的裝備制造業取得了突飛猛進的發展,很多大型裝備的制造能力都已經躍居世界先進水平,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代高技術戰爭的重要支撐技術,是現代高科技產業和科學技術的發展基礎,是現代制造科學的發展方向。

現代科學技術的發展以試驗為基礎,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發展趨勢之一,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。世界發達國家均予以高度重視。

01超精密加工的發展階段

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,國內外學者圍繞這些內容展開了系統的研究。超精密加工的發展經歷了如下三個階段。

1)20世紀50年代至80年代,美國率先發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。在這一時期還出現了可加工硬質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、醫療器材、信息、光電和通信等產業的推動下,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、微量進給驅動裝置、精密數控系統、激光精密檢測系統等逐漸成熟,超精密加工設備成為工業界常見的生產設備。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。隨著數控技術的發展,還出現了超精密五軸銑削和飛切技術。已經可以加工非軸對稱非球面等復雜零件。

02國外超精密加工的發展情況

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年代末發展了金剛石刀具的超精密切削技術,稱為“spdt技術”(single point dia-mond turning)或“微英寸技術”(1微英寸=0.025μm),并發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、戰術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。

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<10 nm。

cranfield精密加工中心于1991年研制成功oagm-2500多功能三坐標聯動數控磨床(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。

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展最快的國家。

03我國超精密加工的發展情況

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,我國現在已經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)、哈爾濱工業大學、國防科技大學等單位現在已能生產若干種超精密數控金剛石機床。

北京機床研究所是國內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、超精密車床數控系統、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,達到了國內領先、國際先進水平。

nam-800 型納米數控車床是北京機床研究所最新一代的納米級加工機床。它是當今數控技術、伺服技術、機械制造技術完美的統一。該機床為我國最前沿的科技發展提供了良好的加工手段。

航空精密機械研究所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產品生產。哈爾濱工業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, 特別是規格(大尺寸) 和技術配套性方面與國外相比, 與生產實際要求相比, 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發展的壁壘,而制造業的發展關系著國家經濟的長遠發展問題,仍需投入大量的研究。

04精密加工的發展趨勢

(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即體現了這一趨勢。另一方面表現為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法的誕生。

(2)工藝整合化

當今企業間的競爭趨于白熱化,高生產效率越來越成為企業賴以生存的條件。在這樣的背景下,出現了“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、微型驅動元件等),需要微型超精密加工設備(但這并不是說加工微小型工件一定需要微小型加工設備)。

超精密加工技術正迎來一個繁榮的時代。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨與拋光技術已取得長足的進展,加工后工件表面精度可達納米級或亞納米級,并且加工方法日趨多樣化。在流量計傳感器的生產制造中,為了達到產品的高精度測量,精密加工技術保證了產品的加工精度。

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