精密切削加工技術論文(2)
精密切削加工技術論文
精密切削加工技術論文篇二
超精密加工技術概述
摘要：隨著社會的發(fā)展，工業(yè)產品精細化程度逐步提高 ，傳統(tǒng)的機械加工技術已經遠遠不能滿足人們的需求，機械加工向著更高精度的方向發(fā)展。本文主要介紹超精密加工技術的產生背景、概念、國內外的發(fā)展狀況、幾種超精密加工技術和對未來超精密加工技術發(fā)展的展望。
關鍵詞：超精密加工技術背景概念發(fā)展狀況發(fā)展趨勢
中圖分類號： U270.6+4文獻標識碼： A 文章編號：
一.產生的背景
制造技術的發(fā)展已經有幾千年的歷史，石器時代、銅器時代、鐵器時代都有著制造技術發(fā)展的足跡。直至近代，隨著第一次工業(yè)革命的完成，傳統(tǒng)的機械制造技術出現了，傳統(tǒng)的機械加工技術主要包括車削、銑削、鉆削和磨削。
隨著人類社會的進一步發(fā)展，現代科學技術的迅猛發(fā)展，機械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學工業(yè)等，尤其是國防工業(yè)部門，要求尖端科學技術產品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展，以及在高溫、高壓、重載荷或腐蝕環(huán)境下長期可靠地工作。為了適應這些要求，各種新結構、新材料和復雜形狀的精密零件大量出現，其結構和形狀越來越復雜，材料的性能越來越強韌，對精度要求越來越高，對加工表面粗糙度和完整性要求越來越嚴格，使機械制造面臨著一系列嚴峻的任務：(1)解決各種難切削材料的加工問題。如硬質合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼、金剛石、石英以及鍺、硅等各種高硬度，高強度、高韌性、高脆性的金屬及非加工。(2)解決各種特殊復雜型面的加工問題。如噴氣渦輪機葉片、整體渦輪、發(fā)動機機匣、鍛壓模等的立體成型表面，各種沖模、冷拔模等特殊斷面的型孔，炮管內膛線、噴油嘴，噴絲頭上的小孔、窄縫等的加工。(3)解決各種超精密、光整零件的加工問題。如對表面質量和精度要求很高的航天航空陀螺儀、精密光學透鏡、激光核聚變用的曲面鏡、高靈敏度的紅外傳感器等零件的精細表面加工，形狀和尺寸精度要求在0.1皮米以上，表面粗糙度尺寸要求在0.01微米以上。(4)特殊零件的加工問題。如大規(guī)模集成電路、光盤基片、復印機和打印機的感光鼓、微型機械和機器人零件、細長軸、薄壁零件、彈性元件等低剛度零件的加工。;要解決上述一系列問題，僅僅依靠傳統(tǒng)的切削加工方法很難實現，有些根本無法實現。在生產的迫切需求下，人們通過各種渠道，借助于多種能量形式，不斷研究和探索新的加工方法。超精密和特種加工技術就是在這種環(huán)境和條件下產生和發(fā)展起來的。
二. 基本概念和范圍
制造是用物理或化學的方法改變原材料的幾何形狀、性質和外觀，制成零件以及將零件裝配成產品的操作過程，通過這樣的過程將原材料轉變成具有使用價值和更大經濟價值的產品。產品在機械制造的過程中會產生一定的誤差，主要有(1)的加工機床的運動誤差，如導軌誤差、主軸回轉誤差等等;(2)刀具制造誤差與磨損;(3)工藝系統(tǒng)受力變形和受熱變形。傳統(tǒng)的機械加工技術的誤差范圍較大，而超精密加工技術由于應用了新的加工介質，改變了原有的加工機理，使加工誤差大大降低。
超精密加工技術是一種先進的制造技術。超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03微米，表面粗糙度為Ra0.03～0.005微米)和納米級(精度誤差為0.03微米，表面粗糙度小于 Ra0.005微米)精度的加工。實現這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精密加工技術。超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理，超精密加工的設備制造技術，超精密加工工具及刀磨技術，超精密測量技術和誤差補償技術，超精密加工工作環(huán)境條件。
人們把這種技術總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領域：(1)超精密切削加工，如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。 (2)超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 (3)超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1微米。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。
三. 國內外發(fā)展現狀
目前，先進制造技術已經是一個國家經濟發(fā)展的重要手段之一，許多發(fā)達國家都十分重視先進制造技術的水平和發(fā)展，利用它進行產品革新、擴大生產和提高國際經濟競爭能力。
超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、日本和英國等。
美國是開展超精密加工技術最早的國家。早在上世紀五十年代末，由于航天等尖端技術的需要，美國首先發(fā)展了結果是刀具的超精密切削技術，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的球面和非球面的大型零件等等。如美國的LLL實驗室和Y-12工廠在美國能源部的支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM-3型，該機床可加工各種大型光學設備，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(CUPE)享有較高的聲譽，他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生產的Nanocentre既可以進行超精密車削，又帶有磨頭，也可以進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1微米，表面粗糙度Ra小于10nm。
日本對超精密加工技術的研究相對于美國和英國來說起步較晚，但日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。日本通產省于1986年制訂了一個“超尖端加工系統(tǒng)研究開發(fā)”的大型計劃,該計劃1987年1月開始執(zhí)行,約需8年時間完成，計劃總經費為150 到200億日元。大型計劃由二部份組成：高密度、高能量受激射束技術和三維曲面超高性能機械加工技術。為了保證超精密加工技術成為可能,還有二項輔助技術：超精密測量技術和加工環(huán)境的控制技術。高密度、高能量射束技術的研究內容,主要有大輸出功率長壽命的準分子激器和高能量離子束技術。當準分子激光照射氮、氯等氣體時,其分子分解,蒸發(fā)到金屬、陶瓷、高分子材料等基礎材料表面,形成高性能的薄膜。高密度高能量離子束技術是利用非熱平衡過程對材料進行選擇性極高的處理或高速處理,以達到局部處理的目的。因此, 射束技術的研究, 主要為解決難合成材料和高性能材料的合成, 高品位薄膜的形成,材料表面質量改進等方面的應用。三維曲面超高性能機械加工技術以超精密加工為中心,包括切削、磨削、研磨和利用射束的新型復合加工技術,主要內容是研制超精密機械加工裝置。用切削的方法不可能達到原子級的精度, 所以需進一步研究切削機理,發(fā)展特種加工技術。機械化學研磨和彈性發(fā)射切削加工等方法將從實驗室向工業(yè)應用發(fā)展。
我國目前已是一個"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和精密機床設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。我國每年雖有大量機電產品出口，但多數是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產品;而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產的精密數控機床設備和儀器。由于國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設備儀器正是我國發(fā)展國防工業(yè)和尖端技術所迫切需要的，因此，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，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。
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