精密和超精密加工技術(shù)的新進(jìn)展
iQ C&d_# 袁哲俊 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
L.[uMuUa Ko cXSh U 摘要:精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展,直接影響尖端技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展.世界各國(guó)都極為重視,投入很 大力量進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究,故近年來(lái)發(fā)展迅速.
d}cJ5 !d F)kLlsp 1．概述
e*6` dz@ @zF:{=+]+ 精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到一個(gè)國(guó)家尖端技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國(guó)對(duì)此都極為重視，投入很大力量進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，同時(shí)實(shí)行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導(dǎo)平臺(tái)、光學(xué)和激光等技術(shù)的迅速發(fā)展和多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種高精度復(fù)雜零件、光學(xué)零件、高精度平面、曲面和復(fù)雜形狀的加工需求日益迫切。目前國(guó)外已開(kāi)發(fā)了多種精密和超精密車(chē)削、磨削、拋光等機(jī)床設(shè)備，發(fā)展了新的精密加工和精密測(cè)量技術(shù)。
3# 9r4;& m+{: ^ 我國(guó)目前已是一個(gè)“制造大國(guó)”，制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位，僅次于美國(guó)、日本和德國(guó)，近年來(lái)在精密加工技術(shù)和精密機(jī)床設(shè)備制造方面也取得了不小進(jìn)展。但我國(guó)還不是一個(gè)“制造強(qiáng)國(guó)”，與發(fā)達(dá)國(guó)外相比仍有較大差距。我國(guó)每年雖有大量機(jī)電產(chǎn)品出口，但多數(shù)是技術(shù)含量較低、價(jià)格亦較便宜的中低檔產(chǎn)品；而從國(guó)外進(jìn)口的則大多是技術(shù)含量高、價(jià)格昂貴的高檔產(chǎn)品。目前我國(guó)每年需進(jìn)口大量國(guó)內(nèi)尚不能生產(chǎn)的精密數(shù)控機(jī)床設(shè)備和儀器，例如，2003年我國(guó)進(jìn)口了價(jià)值41.6億美元的機(jī)床，而出口機(jī)床僅為3.8億美元，且主要為低精度的普通機(jī)床。2004年我國(guó)進(jìn)口機(jī)床為57.8億美元，出口機(jī)床僅為5.2億美元。2005年我國(guó)機(jī)床總產(chǎn)值約為50億美元，出口機(jī)床為8億美元，而進(jìn)口機(jī)床則達(dá)到67億美元。
\1C!,C Z*)Y:tk)b 由于國(guó)外一些重要的高精度機(jī)床設(shè)備和儀器對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖禁運(yùn)，而這些精密設(shè)備儀器正是我國(guó)發(fā)展國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)所迫切需要的，因此，為了使我國(guó)的國(guó)防和科技發(fā)展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)，爭(zhēng)取盡快將我國(guó)的精密和超精密加工技術(shù)水平提升到世界先進(jìn)水平。下面對(duì)國(guó)內(nèi)外精密和超精密加工技術(shù)的最新發(fā)展情況介紹如下。
SJ7=<y}[d D K_v{R 2．精密機(jī)床技術(shù)的發(fā)展
6ilC#yyp <?7,`P:h[ 精密機(jī)床是精密加工的基礎(chǔ)。當(dāng)今精密機(jī)床技術(shù)的發(fā)展方向是：在繼續(xù)提高精度的基礎(chǔ)上，采用高速切削以提高加工效率，同時(shí)采用先進(jìn)數(shù)控技術(shù)提高其自動(dòng)化水平。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)臥式坐標(biāo)鏜床聞名于世，該公司生產(chǎn)的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數(shù)控系統(tǒng)，成為一臺(tái)加工中心；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)高速切削，已將機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min，定位精度達(dá)5μm，已達(dá)到過(guò)去坐標(biāo)鏜床的精度。從這兩臺(tái)機(jī)床的性能可以看出，現(xiàn)在的加工中心與高速切削機(jī)床之間已不再有嚴(yán)格的界限劃分。
O rJlHMz ff./DMDafI 3．使用金剛石刀具的超精密切削技術(shù)3.1 超精密切削技術(shù)的進(jìn)展
C{i;spc!bi B%:9 P 金剛石刀具超精密切削技術(shù)是超精密加工技術(shù)的一個(gè)重要組成部份，不少國(guó)防尖端產(chǎn)品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)中的多種零件等）都需要利用金剛石超精密切削來(lái)加工。
x p8f ^*ez j1 使用單晶金剛石刀具在超精密機(jī)床上進(jìn)行超精密切削，可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳，刃口半徑在0.5～0.01μm。因刃口半徑甚小，過(guò)去對(duì)刃口的測(cè)量極為困難，現(xiàn)在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進(jìn)行測(cè)量。
53*, f 9AddF*B 3.2 超精密切削機(jī)理的研究
4FE@s0M, : tqm2t 對(duì)超精密切削機(jī)理的研究近年來(lái)有了不少進(jìn)展。例如，超精密切削脆性材料時(shí)，加工表面可以不產(chǎn)生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時(shí)脆性材料塑性切除的脆塑轉(zhuǎn)換問(wèn)題，最近對(duì)此提出了不少新見(jiàn)解。由超精密切削玻璃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，開(kāi)始時(shí)切削厚度甚小，切除機(jī)理為塑性去除，加工表面無(wú)脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉(zhuǎn)化為脆性破裂去除，加工表面可見(jiàn)到明顯的脆性破損痕跡。
?r E]s!K mS~ ]I$ 目前，使用計(jì)算機(jī)仿真和分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法對(duì)超精密切削過(guò)程及機(jī)理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對(duì)極薄層材料切削去除機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以對(duì)超精密切削效果作出比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。由超精密切削所形成加工表面的計(jì)算機(jī)仿真模擬預(yù)測(cè)和計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)超精密切削單晶鋁不同晶面時(shí)的切削力可以看到，由于晶體的各向異性，導(dǎo)致在不同方向的切削力是不相等的。利用對(duì)超精密切削過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以對(duì)超精密切削極薄層材料的動(dòng)態(tài)切除過(guò)程進(jìn)行觀察和分析，并能對(duì)切除過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示。
/j69NEl >aC\_Mc 3.3 新的金剛石刀具晶體定向方法
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C6C V;hwAQbF 由于金剛石硬度極高，且晶體各向異性，因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。制造金剛石刀具及刃磨時(shí)都需要對(duì)晶體定向，過(guò)去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀，儀器昂貴，且定向操作相當(dāng)繁瑣。哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功開(kāi)發(fā)了一種新的激光晶體定向方法，所用設(shè)備較簡(jiǎn)單，且定向操作方便，可使金剛石晶體定向大大簡(jiǎn)化。
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K*8# 69j~?w)^ 4．超精密加工機(jī)床的進(jìn)展
5 -WRv; -S%q!%}u 4.1 國(guó)外超精密機(jī)床的發(fā)展情況
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ssj(Qo kAB+28A 研發(fā)超精密機(jī)床是發(fā)展超精密加工的重要前提條件。近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家已成功開(kāi)發(fā)了多種先進(jìn)的超精密加工機(jī)床。超精密機(jī)床的發(fā)展方向是：進(jìn)一步提高超精密機(jī)床的精度，發(fā)展大型超精密機(jī)床，發(fā)展多功能和高效專用超精密機(jī)床。
o|;eMO- #W%)$k c 美、英、德等國(guó)在上世紀(jì)七十年代（日本在八十年代）即開(kāi)始生產(chǎn)超精密機(jī)床產(chǎn)品，并可批量供貨。在大型超精密機(jī)床方面，美國(guó)的LLL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1986年研制成功兩臺(tái)大型超精金剛石車(chē)床：一臺(tái)為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車(chē)床，另一臺(tái)為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學(xué)金剛石車(chē)床。其中，LODTM立式大型光學(xué)金剛石車(chē)床被公認(rèn)為世界上精度最高的超精密機(jī)床。美國(guó)后來(lái)又研制出大型6軸數(shù)控精密研磨機(jī)，用于大型光學(xué)反射鏡的精密研磨加工。
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