超精密加工與超高速加工技術(shù)
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SA+d&H}Fc [))JX"a 一、技術(shù)概述
R hio7C 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。
O>AFF@= H) 5Qq Z8 超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認(rèn)為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過(guò)1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min，鈦合金達(dá)150~1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為2000~9000m/min。各種切削工藝的切速范圍為：車削700~7000m/min，銑削300~6000m/min，鉆削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。
=/9<(Tt %m y]'CXCml) 超高速加工技術(shù)主要包括：超高速切削與磨削機(jī)理研究，超高速主軸單元制造技術(shù)，超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)，超高速加工用刀具與磨具制造技術(shù)，超高速加工在線自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)等。
p=B?/Sqa 超精密加工當(dāng)前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1µm，表面粗糙度Ra小于025µm，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01µ m的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級(jí)加工技術(shù)，且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展。
L/x(RCD @9vvR7{P 超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機(jī)理研究，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)研究，超精密加工工具及刃磨技術(shù)研究，超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)研究，超精密加工工作環(huán)境條件研究。
yW("G-Nm <d"Gg/@a 二、現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
XWti wf'K 1．超高速加工
7Z0/(V.- 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)超高速加工的研究起步早，水平高。在此項(xiàng)技術(shù)中，處于領(lǐng)先地位的國(guó)家主要有德國(guó)、日本、美國(guó)、意大利等。
QNArZ6UQ 0T))>.iu# 在超高速加工技術(shù)中，超硬材料工具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件，超高速切削磨削技術(shù)是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法，而高速數(shù)控機(jī)床和加工中心則是實(shí)現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵設(shè)備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過(guò)去主要是采用剛玉系、碳化硅系等，美國(guó)G．E公司50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達(dá)125m/s，有的可達(dá)150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達(dá)250m/s。因此有人認(rèn)為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。
% [ Zz0|A S}cF0B1E* 在超高速切削技術(shù)方面，1976年美國(guó)的Vought公司研制了一臺(tái)超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000rpm。特別引人注目的是，聯(lián)邦德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所（PTW）從1978年開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行超高速切削機(jī)理研究，對(duì)各種金屬和非金屬材料進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，聯(lián)邦德國(guó)組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬(wàn)馬克支持該項(xiàng)研究工作，自八十年代中后期以來(lái)，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國(guó)、日本也相繼推出自己的超高速機(jī)床。日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)36000~40000r/min，工作臺(tái)快速移動(dòng)速度為36~40m/min。采用直線電機(jī)的美國(guó)Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進(jìn)給移動(dòng)速度為60m/min。
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d Wc|z7P~',% 在高速和超高速磨削技術(shù)方面，人們開(kāi)發(fā)了高速、超高速磨削、深切緩進(jìn)給磨削、深切快進(jìn)給磨削（即HEDG）、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削，這些高速高效率磨削技術(shù)在近20年來(lái)得到長(zhǎng)足的發(fā)展及應(yīng)用。德國(guó)Guehring Automation公司1983年制造出了當(dāng)時(shí)世界第一臺(tái)最具威力的60kw強(qiáng)力CBN砂輪磨床，Vs達(dá)到140~160m/s。德國(guó)阿享工業(yè)大學(xué)、Bremen大學(xué)在高效深磨的研究方面取得了世界公認(rèn)的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進(jìn)行高效深磨的研究。德國(guó)Bosch公司應(yīng)用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形，采用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經(jīng)滾齒及剃齒加工的工藝，加工16MnCr5材料的齒輪齒形，Vs＝155m/s，其Q'達(dá)到811mm3/mm.s，德國(guó)Kapp公司應(yīng)用高速深磨加工泵類零件深槽，工件材料為100Cr6軸承鋼，采用電鍍CBN砂輪，Vs達(dá)到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火后的葉片泵轉(zhuǎn)子10個(gè)一次裝夾，一次磨出轉(zhuǎn)子槽，磨削時(shí)工件進(jìn)給速度為1.2m/min，平均每個(gè)轉(zhuǎn)子加工工時(shí)只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2µm，一個(gè)砂輪可加工1300個(gè)工件。目前日本工業(yè)實(shí)用磨削速度已達(dá)200m/s，美國(guó)Conneticut大學(xué)磨削研究中心，1996年其無(wú)心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達(dá)250m/s。
.zS D`v@[ |I ^y0Q:K 近年來(lái)，我國(guó)在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國(guó)外尚有較大差距，必須急起直追。
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uR 2．超精密加工
dy :d=Z 超精密加工技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美國(guó)、英國(guó)和日本。這些國(guó)家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。
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.fv<v Ae49n4J 美國(guó)是開(kāi)展超精密加工技術(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50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸＝0.025µm），并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床。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等。如美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室和Y－12工廠在美國(guó)能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型，該機(jī)床可加工最大零件Ø2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡（包括X光天體望遠(yuǎn)鏡）等。該機(jī)床的加工精度可達(dá)到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機(jī)床與該實(shí)驗(yàn)室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。
{/ &B!zvl :Jl Di>B 在超精密加工技術(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密工程研究所（簡(jiǎn)稱CUPE）享有較高聲譽(yù)，它是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一，是英國(guó)超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進(jìn)行超精密車削，又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1µm ，表面粗糙度Ra<10nm。
0S.?E.-&0 4seci z0? 日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美、英來(lái)說(shuō)起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國(guó)，前者是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象，后者則是以發(fā)展國(guó)防尖端技術(shù)為主要目標(biāo)。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，是更加先進(jìn)和具有優(yōu)勢(shì)的，甚至超過(guò)了美國(guó)。
GN%(9N'W >^3 zU 我國(guó)的超精密加工技術(shù)在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密機(jī)床和部件。北京機(jī)床研究所是國(guó)內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等，如精度達(dá)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(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動(dòng)－位移測(cè)微儀等，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方面進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(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(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世。此外中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、成都工具研究所、國(guó)防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究，成績(jī)顯著。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在超精密加工的效率、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)外比，與生產(chǎn)實(shí)際要求比，還有相當(dāng)大的差距。
5pJ*1pfeo J]fS({(\I 超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到和完成納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。
?@U AL .y ^>m^\MuZ 三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容
g.a| c\WH 1．目標(biāo)
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