超精密加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自從中國(guó)將“裝備制造業(yè)”列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略后，中國(guó)的裝備制造業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，很多大型裝備的制造能力都已經(jīng)躍居世界先進(jìn)水平，甚至成為世界的頂級(jí)水平，但中國(guó)制造業(yè)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(shù)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐技術(shù)，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展方向。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，所需試驗(yàn)儀器和設(shè)備幾乎無(wú)一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。由宏觀制造進(jìn)入微觀制造是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一，當(dāng)前超精密加工已進(jìn)入納米尺度，納米制造是超精密加工前沿的課題。世界發(fā)達(dá)國(guó)家均予以高度重視。

超精密加工的發(fā)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(wú)或極少的表面損傷，包括微裂 紋等缺陷、殘余應(yīng)力、組織變化)為目標(biāo)。

超精密加工的研究?jī)?nèi)容，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機(jī)理、被加工材料、超精密加工設(shè)備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)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(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這些內(nèi)容展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。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，美國(guó)率先發(fā)展了以單點(diǎn)金剛石切削為代表的超精密加工技術(shù)，用于航天、國(guó)防、天文等領(lǐng)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(jì)80年代至90年代，進(jìn)入民間工業(yè)的應(yīng)用初期。美國(guó)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(shè)備的商品化，開(kāi)始用于民用精密光學(xué)鏡頭的制造。單超精密加工設(shè)備依然稀少而昂貴，主要以專用機(jī)的形式訂制。在這一時(shí)期還出現(xiàn)了可加工硬質(zhì)金屬和硬脆材料的超精密金剛石磨削技術(shù)及磨床，但其加工效率無(wú)法和金剛石車床相比。

3）20世紀(jì)90年代后，民用超精密加工技術(shù)逐漸成熟。在汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，超精密加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于非球面光學(xué)鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤基板、半導(dǎo)體基片等零件的加工。隨著超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如精密主軸部件、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、微量進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、精密數(shù)控系統(tǒng)、激光精密檢測(cè)系統(tǒng)等逐漸成熟，超精密加工設(shè)備成為工業(yè)界常見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平、可加工工件的尺寸范圍也變得更大，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了超精密五軸銑削和飛切技術(shù)。已經(jīng)可以加工非軸對(duì)稱非球面等復(fù)雜零件。

國(guó)外超精密加工的發(fā)展情況

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。

美國(guó)50年代未發(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 Dia-mond 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。

金剛石刀具的超精密切削加工

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)大型超精金剛石車床：一臺(tái)為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床，另一臺(tái)為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學(xué)金剛石車床。其中，LODTM立式大型光學(xué)金剛石車床被公認(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。

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）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<10 nm。

Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床（工作臺(tái)面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車削）和測(cè)量精密自由曲面。該機(jī)床采用加工件拼合方法，還可加工出天文望遠(yuǎn)鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

OAGM-2500大型cnc超精密磨床

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。

我國(guó)超精密加工的發(fā)展情況

在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期，由于受到西方國(guó)家的禁運(yùn)限制，我國(guó)進(jìn)口國(guó)外超精密機(jī)床嚴(yán)重受限。但當(dāng)1998年我國(guó)自己的數(shù)控超精密機(jī)床研制成功后，西方國(guó)家馬上對(duì)我國(guó)開(kāi)禁，我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)口了多臺(tái)超精密機(jī)床。

我國(guó)北京機(jī)床研究所、航空精密機(jī)械研究所（航空303）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機(jī)床。

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。

NAM-800 型納米數(shù)控車床是北京機(jī)床研究所最新一代的納米級(jí)加工機(jī)床。它是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、伺服技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)完美的統(tǒng)一。該機(jī)床為我國(guó)最前沿的科技發(fā)展提供了良好的加工手段。

NAM-800 型納米數(shù)控車床

航空航天工業(yè)部303 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)械與物理研究所、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)在超精密加工機(jī)床的效率、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)外相比， 與生產(chǎn)實(shí)際要求相比， 還有相當(dāng)大的差距。另外，復(fù)雜曲面的精密加工也一直是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的壁壘，而制造業(yè)的發(fā)展關(guān)系著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展問(wèn)題，仍需投入大量的研究。

精密加工的發(fā)展趨勢(shì)

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。總的來(lái)說(shuō)，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(dāng)前超精密加技術(shù)如CMP、EEM等雖能獲得極高的表面質(zhì)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(shù)雖然加工效率高，但無(wú)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(lǐng)域研究人員的目標(biāo)。半固著磨粒加工方法的出現(xiàn)即體現(xiàn)了這一趨勢(shì)。另一方面表現(xiàn)為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法的誕生。

2、工藝整合化。

當(dāng)今企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來(lái)越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺(tái)設(shè)備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

3、大型化、微型化。

為加工航空、航天、宇航等領(lǐng)域需要的大型光電子器件(如大型天體望遠(yuǎn)鏡上的反射鏡)，需要建立大型超精密加工設(shè)備。為加工微型電子機(jī)械、光電信息等領(lǐng)域需要的微型器件(如微型傳感器、微型驅(qū)動(dòng)元件等)，需要微型超精密加工設(shè)備(但這并不是說(shuō)加工微小型工件一定需要微小型加工設(shè)備)。

超精密加工技術(shù)正迎來(lái)一個(gè)繁榮的時(shí)代。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨與拋光技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，加工后工件表面精度可達(dá)納米級(jí)或亞納米級(jí)，并且加工方法目趨多樣化。在流量計(jì)傳感器的生產(chǎn)制造中，為了達(dá)到產(chǎn)品的高精度測(cè)量，精密加工技術(shù)保證了產(chǎn)品的加工精度。