超精密加工及其发展趋势

1 精密加工的发展史及趋势

往往大家一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它用好。

超精密加工的关键在于设备，这一点无可质疑，但由于超精密加工设备非常昂贵，因此用户购买时会面临很大的风险，因此，用户往往对它的要求也很高，希望它有更多的功能，能做更多的模具，这反过来也会促使它的价格更加昂贵。因此，我们在开发设备的初期，就采取了与其他厂家不同的思考方式，我们考虑的是如何尽量降低设备的成本，使超精密加工技术能容易地被用户接受并且普及开来，从使用的角度去开发更好用、更廉价的超精密设备。

目前，超精密加工设备主要用来加工一些超精密的光学零部件，例如光学镜头，各种非球面镜和球面镜（数码相机，手机中常常用到）等。根据加工对象的需要，将机床做得更小，以提高加工精度，是我们开发超精密加工设备的理念。

--FTC社长中川威雄先生

一、精密加工的发展史及趋势的机理

1、砂带研磨

砂带研磨是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具削加工的范畴，有生产率高、表面质量好，使用范围广等特点。国外在砂带材料及制作工艺上取得了很大的成就，有了适应于不同场合的砂带系列，生产出通用和专用的砂带磨床，而且自动化程度不断 2 提高（己有全自动和自适应控制的砂带磨床），但国内砂带品种少，质量也有待提高，对机床还处于改造阶段。

砂带研磨的特点及应用如以下：

①、CBN的硬度比普通磨料高很多。特别是适合加工硬度高，韧性大，高温，强度高，热导性率低的材料，其金属磨除率也是金刚石的10倍。

精密与超精密加工技术现状与发展趋势

论文

专业：机械工程学院

姓名：

学号：

Abstract: The content and the definition of precise and ultraprecise matching technique is discussed detail. The latest

development of the technology is introduced. Current status of the technology. New structures of machine tools, ultraprecise detection,

blunder compensation techniques and scanning tunnel microscopes (STM) are overviewed. Finally, the developing trends of the

technology are prospected. Some suggestions are made on carrying out researches in the field according to real situations in china.

Key words: 精密加工，超精密加工，现状，发展趋势

一、精密和超精密加工的概念与范畴

通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。

２００２年第３期５Ｒ｛机电产品开发与创新　一、超高遵抽工技术的特点　超高速加工不但可以大幅度提高零件的加工效　率、缩短加工时间、降低加工成本，而且可以使零　件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。　在超高速加工中工件热变形的可能性减小。由　于切屑的切除产生在极短瞬间，切屑温度增高，切　削热绝大部分被切屑带走，因而工件温度并不高，　不仅工件受热变形的可能性减小，而且可避免热应　力、热裂纹等表面缺陷。这对于加工不耐热的零　件，加工对温度和热变形十分敏感的零件是有利　的，还特别适合用于加工镁合金零件。　在超高速加工中单位切削力由于工件切削层材　料软化而减小，从而可减小零件加工中的变形，保　证零件的尺寸和形位精度。这对于薄壁类和薄板类　等加工刚性差的零件的加工特别有利。　超高速加工可获得很好的已加工表面质量和较　小的表面粗糙度值。超高速加工可减小表面硬化层　深度，减小表面层残余应力表面层微观组织的热损　伤，从而减小零件表面层材质的机械、物理及化学　性质发生变化的可能性，保证已加工表面的内在质　量，从而确保零件的使用性能。因此，超高速加工　可用于加工精密零件和有特种精密表面要求的零　件。超高速加工可获得良好的表面粗糙度，几乎可　达到磨削表面的水平，超高速铣削可实现硬切削　（ＨＲＣ６０以下）因而可用于模具的精加工，省去其　常规的精整加工工序或节省抛光工时。　在超高速加工中由于机床主轴转速很高，激励　振动频率就很高，远离机床固有振动频率，因此工　艺系统振动小　这特别有助于加工形状复杂且刚性　差的零件，提高加工质量。　超高速加工特别是超高速铣削的突出优点还在　

于在提高切削速度同时可提高进给速度。当保持切　维普资讯 削厚度不变（每齿进给量和切深不变），进给速度　比常规铣削可提高５—１Ｏ倍，从而达到很高的材料　切除率，有效地降低切削机动时间，提高机床的　利用率。超高速铣削已广泛用于汽车工业、航空　工业和模具制造业，加工铝、镁等轻金属合金，　钢材及铸铁。　二、超高速加工技术的重要性　一是超高速加工技术对机械制造业实现高效、　优质、低成本生产有广泛的适用性。超高速加工　可大幅度提高加工效率、缩短加工时间、降低加　工成本，并使零件的表面质量和加工精度达到更　高的水平。所有这些特点对提高企业产品的市场　竞争力来说，都具有十分重要的意义。　目前我国的切削加工技术还处于较低的水平，　切削加工效率大体上只相当于工业发达国家７０年　代的水平，生产效率低，经济效益不好。切削加　工在机械制造业占据着重要地位。据专家估计，　机械制造中约有３０％一４０％的工作量是切削加工，　全世界每年约有１亿吨钢由刀具切掉成为切屑，　全世界每年切削加工耗费约２５００亿美元。提高切　削加工技术的水平，对提高一个国家的机械制造　技术水平和机电产品的性能、质量及市场竞争力，　都具有十分重要的意义，因此，受到所有工业发　达国家的普遍重视。　二是新一代数控机床（含加工中心）只有大　幅度缩短切削工时才有可能进一步提高其生产率　从提高机床生产率的角度分析，数控机床及一切　现代自动化机床都是通过加快空程动作的速度和　加工过程的复合性、连续性，减小换刀时间、换　工件时间和换批调整时间，从而缩短辅助工时　但是机床铺助动作速度的提高是有一定限度的。　因此，矛盾的主要方面已经转向有效切削加工工　时，只有大幅度降低切削工时（即提高切削速度　和进给速度），才有可能使机床生产率的提高有效　的飞跃。８Ｏ年代以来，国外超高速加工技术的推　广应用，已经使零件加工中的切削工时大幅度下　降（约降低５０％），从而使生产率进一步提高。目　前用于轿车零件生产线的组合机床主轴转速已达　５０００ｒ／ｍｉｎ，进给速度６ｍ／ｍｉｎ；中小型加工中心　的主轴转速高达１５０００－２５００Ｏｆ／ｒａｉｎ，有些已达　６００００ｒ／ｍｉｎ，与８—１０年前相比主轴最高转速提高　了２—３倍。　正是超高速加工技术特别是超高速铣削，与　新一代数控机床特别是高速加工中心的开发应用　紧密相关。９０年代以来，美、欧、日各国争相开　发应用新一代高速数控机床，集高效、精密、柔　性为一体的数控机床的高效特征有了新的飞跃。　新一代数控机床已经从原有数控机床基型的高速　型派生品种，加快高速化发展步伐，适应超高速　度高效加工的新结构已用于多种产品中，高速主　轴单元、高速且高加／减速度的进给运动部件、高　性能数控和伺服系统以及工具系统都出现了新的　突破，达到了新的技术水平。因此，我国数控机　床产业又面临着新的挑战。随着超高速切削机理，　超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高　速主轴单元，高加／减速直线电机，以及高性能控　制系统等一系列技术领域中关键技术的解决，不　失时机地开发新一代超高速数控机床，既为推广　应用超高速加工技术提供技术装备，也为数控机　床的技术创新提供新的动力源泉。两者必须相互　适应，同步发展。　三是超高速加工是一种关联性很强的制造技　术。它可以带动刀具（超硬耐磨长寿命刀具材料、　刀具结构）、磨料磨具（ＣＢＮ砂轮及其修整技　术）、超高速数控机床及加工过程监控等一系列　技术群及其单元技术的发展，促进相关高新技术　产品的产业化。　

精密和超精密加工技术的发展

我国目前已是一个“制造大国”,制造业规模名列世界第四位,仅次于美国、日本和德国,近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大差距。目前国外已开发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和精密测量技术。为了使我国的国防和科技发展不受制于人,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,争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。

精密机床技术的发展 精密机床是精密加工的基础。当今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加工效率,同时采用先进数控技术提高其自动化水平。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统,成为一台加工中心;同时为实现高速切削,已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达 5μm,已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能可以看出,现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。 使用金刚石刀具的超精密切削技术 超精密切削技术的进展 金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份,不少国防尖端产品零件:如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等:都需要利用金刚石超精密切削来加工。 使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm。超精

密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在0.5,0.01μm。因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为困难,现在已可用原子力显微镜:AFM:方便地进行测量。 超精密切削机理的研究 对超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。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获得镜面,这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切除的脆塑转换问题,最近对此提出了不少新见解。由超精密切削玻璃的实验结果可见,开始时切削厚度甚小,切除机理为塑性去除,加工表面无脆性破损痕迹。随着切削厚度的增大,塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除,加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。 目前,使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果,一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识,同时可以对超精密切削效果作出比较准确的预报。由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到,由于晶体的各向异性,导致在不同方向的切削力是不相等的。利用对超精密切削过程的分子动力学模拟,可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析,并能对切除过程进行动画演示。 新的金刚石刀具晶体定向方法 由于金刚石硬度极高,且晶体各向异性,因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向,过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪,仪器昂贵,且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法,所用设备较简单,且定向操作方便,可使金刚石晶体定向大大简化。 超精密加工机床的进展 国外超精密机床的发展情况 研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向