淺談超精密加工機(jī)床現(xiàn)狀與展望

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1、淺析超精密加工機(jī)床現(xiàn)狀及展望張建鋒學(xué)號(hào)：11309017(汕頭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院廣東)摘要：本文主要討論超精密加工以及加工機(jī)床的發(fā)展歷程、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)以及展望。通過對(duì)超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀和難點(diǎn)分析，總結(jié)了未來超精密加工機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，并且具體給出了超精密加工機(jī)床的重點(diǎn)需要突破革新的要點(diǎn)和對(duì)策。關(guān)鍵字：超精密加工、超精密加工機(jī)床、精度、效率。0前言超精密加工技術(shù)是20世紀(jì)60年代為了適應(yīng)核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的一種加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)之一，它與傳統(tǒng)加工在加工方法、加工精度等方面有著本質(zhì)的區(qū)別，是零件加工精度和質(zhì)量的飛躍

2、。超精密加工是世界科技發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域，主要包含有超精密制造、超精密檢測(cè)、超精密環(huán)境控制及其各類輔助研究分支。大部分儀器系統(tǒng)和設(shè)備都是通過機(jī)床加工出來的，如隱形眼鏡就是用超精密數(shù)控車床加工而成的。目前隱形眼鏡的加工工藝主要有三種：分別是旋轉(zhuǎn)成型工藝、切削成型工藝和模壓成型工藝。計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤和復(fù)印機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。當(dāng)現(xiàn)有加工設(shè)備不能滿足零件加工要求時(shí)，必然要設(shè)計(jì)新設(shè)備，這就是我們經(jīng)常提起的超精密機(jī)床的研究，而超精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。一個(gè)高精密機(jī)床的設(shè)計(jì)不僅僅是機(jī)械部門一個(gè)單元能完成的，它受到材料、物理、設(shè)計(jì)和工藝水平等多

3、個(gè)環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的綜合影響。本文主要從超精密加工的起源、內(nèi)涵、影響因素、研究方向和對(duì)策等方面來闡述超精密加工機(jī)床結(jié)構(gòu)。1超精密加工相關(guān)知識(shí)概述超精密加工目前尚沒有統(tǒng)一的定義，在不同歷史時(shí)期，不同的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的情況下，有不同的理解。通常我們認(rèn)為一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度達(dá)到零點(diǎn)幾微米，表面粗糙度優(yōu)于百分之幾微米的加工技術(shù)為超精密加工技術(shù)。被加工尺寸大小不同，超精密加工的界別也會(huì)不同，通常認(rèn)為精度與加工尺寸之比(精度比)達(dá)到10-6量級(jí)也稱為超精密加工[1]。超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。(1)20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀(jì)50年代末，出于航天、國(guó)防

4、等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削——單點(diǎn)金剛石切削，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[2]。這一時(shí)期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。(2)20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)通過能源部“激光核聚變項(xiàng)目”和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國(guó)LLL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床稱為超精密加工史上

5、的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為1.625m的立式車床，定位精度可達(dá)28nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過1m、而直線度誤差只有±25nm的加工[2]。(3)20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工的需求急劇增加。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟。此外，設(shè)備精度也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。目前世界上的超精密

6、加工強(qiáng)國(guó)以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國(guó)，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、X射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。目前此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械和人造器官等，很多小型和超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面甚至超過了美國(guó)[3]。2超精密加工機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.1國(guó)外超精

7、密加工機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展超精密機(jī)床是發(fā)展超精密加工的極重要內(nèi)容，各發(fā)達(dá)國(guó)家都發(fā)展了多種超精密機(jī)床。超精密機(jī)床也向著高精度、多功能和高效專用方向發(fā)展。2.1.1美國(guó)生產(chǎn)的超精密加工機(jī)床美國(guó)是開展超精密加工技術(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20世紀(jì)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)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床。美國(guó)Moore公司2000年生產(chǎn)的五