國目前已是一個“制造大國”,制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位,僅次于美國、日本和德國,近年來在精密加工技術(shù)和精密機床設(shè)備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“制造強國”,與發(fā)達國外相比仍有較大差距。目前國外已開發(fā)了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設(shè)備,發(fā)展了新的精密加工和精密測量技術(shù)。為了使我國的國防和科技發(fā)展不受制于人,我們必須投入必要的人力物力,自主發(fā)展精密和超精密加工技術(shù),爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術(shù)水平提升到世界先進水平。下面對國內(nèi)外精密和超精密加工技術(shù)的最新發(fā)展情況介紹如下。
精密機床技術(shù)的發(fā)展
精密機床是精密加工的基礎(chǔ)。當(dāng)今精密機床技術(shù)的發(fā)展方向是:在繼續(xù)提高精度的基礎(chǔ)上,采用高速切削以提高加工效率,同時采用先進數(shù)控技術(shù)提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)臥式坐標鏜床聞名于世,該公司生產(chǎn)的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數(shù)控系統(tǒng),成為一臺加工中心;同時為實現(xiàn)高速切削,已將機床主軸的最高轉(zhuǎn)速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min,定位精度達 5μm,已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩臺機床的性能可以看出,現(xiàn)在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。
使用金剛石刀具的超精密切削技術(shù)
超精密切削技術(shù)的進展
金剛石刀具超精密切削技術(shù)是超精密加工技術(shù)的一個重要組成部份,不少國防尖端產(chǎn)品零件(如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)中的多種零件等)都需要利用金剛石超精密切削來加工。
使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削,可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小,最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳,刃口半徑在0.5~0.01μm。因刃口半徑甚小,過去對刃口的測量極為困難,現(xiàn)在已可用原子力顯微鏡(AFM)方便地進行測量。
超精密切削機理的研究
對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如,超精密切削脆性材料時,加工表面可以不產(chǎn)生脆性破裂痕跡而獲得鏡面,這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉(zhuǎn)換問題,最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結(jié)果可見,開始時切削厚度甚小,切除機理為塑性去除,加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大,塑性切除逐漸轉(zhuǎn)化為脆性破裂去除,加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。
目前,使用計算機仿真和分子動力學(xué)模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果,一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識,同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預(yù)報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預(yù)測和計算機仿真預(yù)測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到,由于晶體的各向異性,導(dǎo)致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學(xué)模擬,可以對超精密切削極薄層材料的動態(tài)切除過程進行觀察和分析,并能對切除過程進行動畫演示。
新的金剛石刀具晶體定向方法
由于金剛石硬度極高,且晶體各向異性,因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。制造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向,過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀,儀器昂貴,且定向操作相當(dāng)繁瑣。哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功開發(fā)了一種新的激光晶體定向方法,所用設(shè)備較簡單,且定向操作方便,可使金剛石晶體定向大大簡化。
超精密加工機床的進展
國外超精密機床的發(fā)展情況
研發(fā)超精密機床是發(fā)展超精密加工的重要前提條件。近年來發(fā)達國家已成功開發(fā)了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發(fā)展方向是:進一步提高超精密機床的精度,發(fā)展大型超精密機床,發(fā)展多功能和高效專用超精密機床。
美、英、德等國在上世紀七十年代(日本在八十年代)即開始生產(chǎn)超精密機床產(chǎn)品,并可批量供貨。在大型超精密機床方面,美國的LLL國家實驗室于1986年研制成功兩臺大型超精金剛石車床:一臺為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床,另一臺為加工直徑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)金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來又研制出大型6軸數(shù)控精密研磨機,用于大型光學(xué)反射鏡的精密研磨加工。
英國的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯(lián)動數(shù)控磨床(工作臺面積2500mm×2500mm),可加工(磨削、車削)和測量精密自由曲面。該機床采用加工件拼合方法,還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。
日本的多功能和高效專用超精密機床發(fā)展較快,對日本微電子和家電工業(yè)的發(fā)展起到了很好的促進作用。
我國超精密機床的發(fā)展情況
在過去相當(dāng)長一段時期,由于受到西方國家的禁運限制,我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當(dāng)1998年我國自己的數(shù)控超精密機床研制成功后,西方國家馬上對我國開禁,我國現(xiàn)在已經(jīng)進口了多臺超精密機床。
我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機床,如北京機床研究所研制的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密車床,這兩臺機床均有兩坐標精密數(shù)控系統(tǒng)和兩坐標激光在線測量系統(tǒng),可以加工非球回轉(zhuǎn)曲面;還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用于光學(xué)倍頻,是大功率激光系統(tǒng)中的重要元件。必須承認,在超?密機床技術(shù)方面,我們與國外先進水平相比還有相當(dāng)大的差距,國產(chǎn)超精密機床的質(zhì)量水平尚待進一步提高。
在大型超精密機床方面,目前美、英、俄等國都擁有自行開發(fā)的大型超精密機床,而我國由于沒有大型超精密機床,因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件,國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限制,從而嚴重影響了我國國防尖端技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在我國正在加緊研制加工直徑1m以上的立式超精密機床。
在多功能和高效專用超精密機床方面,目前我國基本上仍是空白。