超精密加工與超高速加工技術

超精密加工與超高速加工技術
 
     一、技術概述 
     超高速加工技術是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術。
    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

為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金300m/min，鈦合金達150~1000m/min，纖維增強塑料為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。
    超高速加工技術主要包括：超高速切削與磨削機理研究，超高速主軸單元制造技術，超高速進給單元制造技術，超高速加工用刀具與磨具制造技術，超高速加工在線自動檢測與控制技術等。
    超精密加工當前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1µ   m，表面粗糙度Ra小于0.025µ  m，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01µ   m的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發(fā)展。
    超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理研究，超精密加工的設備制造技術研究，超精密加工工具及刃磨技術研究，超精密測量技術和誤差補償技術研究，超精密加工工作環(huán)境條件研究。 
     二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 
     1．超高速加工
    工業(yè)發(fā)達國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項技術中，處于領先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等。
    在超高速加工技術中，超硬材料工具是實現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件，超高速切削磨削技術是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法，而高速數(shù)控機床和加工中心則是實現(xiàn)超高速加工的關鍵設備。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。砂輪材料過去主要是采用剛玉系、碳化硅系等，美國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年代陶瓷或樹脂結合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達125m/s，有的可達150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達250m/s。因此有人認為，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)不會太遙遠了。
    在超高速切削技術方面，1976年美國的Vought公司研制了一臺超高速銑床，最高轉速達到了20000rpm。特別引人注目的是，聯(lián)邦德國Darmstadt工業(yè)大學生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）從1978年開始系統(tǒng)地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速切削試驗，聯(lián)邦德國組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬馬克支持該項研究工作，自八十年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，超高速機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、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉速達36000~40000r/min，工作臺快速移動速度為36~40m/min。采用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。
    在高速和超高速磨削技術方面，人們開發(fā)了高速、超高速磨削、深切緩進給磨削、深切快進給磨削（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在近20年來得到長足的發(fā)展及應用。德國Guehring Automation公司1983年制造出了當時世界第一臺最具威力的60kw強力CBN砂輪磨床，Vs達到140~160m/s。德國阿享工業(yè)大學、Bremen大學在高效深磨的研究方面取得了世界公認的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進行高效深磨的研究。德國Bosch公司應用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'達到811mm3/mm.s，德國Kapp公司應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達到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火后的葉片泵轉子10個一次裝夾，一次磨出轉子槽，磨削時工件進給速度為1.2m/min，平均每個轉子加工工時只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2µ m，一個砂輪可加工1300個工件。目前日本工業(yè)實用磨削速度已達200m/s，美國Conneticut大學磨削研究中心，1996年其無心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達250m/s。
    近年來，我國在高速超高速加工的各關鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，必須急起直追。
    2．超精密加工
    超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。
    美國是開展超精密加工技術研究最早的國家，也是迄今處于世界領先地位的國家。早在50年代末，由于航天等尖端技術發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技術”（1微英寸＝0.025µ m），并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床。用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用球面非球面大型零件等等。如美國LLL實驗室和Y－12工廠在美國能源部支持下，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、大型天體望遠鏡（包括X光天體望遠鏡）等。該機床的加工精度可達到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機床與該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認的技術水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。
    在超精密加工技術領域，英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）享有較高聲譽，它是當今世界上精密工程的研究中心之一，是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進行超精密車削，又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1µ m ，表面粗糙度Ra<10nm。
    日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。日本的研究重點不同于美國，前者是以民品應用為主要對象，后者則是以發(fā)展國防尖端技術為主要目標。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，是更加先進和具有優(yōu)勢的，甚至超過了美國。
    我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內(nèi)進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達0.025µ m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)、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內(nèi)領先、國際先進水平。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學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等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、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行了深入研究，并有相應產(chǎn)品問世。此外中科院長春光學精密機械研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術配套性方面與國外比，與生產(chǎn)實際要求比，還有相當大的差距。
    超精密加工技術發(fā)展趨勢是：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；向加工檢測一體化方向發(fā)展；機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世紀初十年將是超精密加工技術達到和完成納米加工技術的關鍵十年。 
     三、“十五”目標及主要研究內(nèi)容 
     1．目標
    超高速加工到2005年基本實現(xiàn)工業(yè)應用，主軸最高轉速達15000r/min，進給速度達40~60m/min，砂輪磨削速度達100~150m/s；超精密加工基本實現(xiàn)亞微米級加工，加強納米級加工技術應用研究，達到國際九十年代初期水平。
    2．主要研究內(nèi)容
    （1）超高速切削、磨削機理研究。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進行系統(tǒng)研究。
    （2）超高速主軸單元制造技術研究。主軸材料、結構、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術研究；主軸的多目標優(yōu)化設計技術、虛擬設計技術研究；主軸換刀技術研究。
    （3）超高速進給單元制造技術研究。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機參數(shù)匹配關系的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術研究；精密滾珠絲杠副及大導程絲杠副的研制等。
    （4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術，使刀具的切削速度達到國外工業(yè)發(fā)達國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。
    （5）超高速加工測試技術研究。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統(tǒng)和機床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部位和驅動控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術進行研究。
    （6）超精密加工的加工機理研究�！斑M化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行提示性研究。
    （7）超精密加工設備制造技術研究。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關鍵基礎件，如軸系、導軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術研究。
    （8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術研究。金剛石刀具及刃磨技術、金剛石微粉砂輪及其修整技術研究。
    （9）精密測量技術及誤差補償技術研究。納米級基準與傳遞系統(tǒng)建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術研究；測量集成技術研究。
    （10）超精密加工工作環(huán)境條件研究。超精密測量、控溫系統(tǒng)、消振技術研究；超精密凈化設備，新型特種排屑裝置及相關技術的研究。