浅析超精密加工机床现状及展望

浅析超精密加工机床现状及展望

张建锋学号：11309017

(汕头大学机械工程学院广东)

摘要：本文主要讨论超精密加工以及加工机床的发展历程、国内外现状、关键技术要点以及展望。通过对超精密加工机床的现状和难点分析，总结了未来超精密加工机床的发展趋势，并且具体给出了超精密加工机床的重点需要突破革新的要点和对策。

关键字：超精密加工、超精密加工机床、精度、效率。

0 前言

超精密加工技术是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。超精密加工技术是现代制造技术之一，它与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，主要包含有超精密制造、超精密检测、超精密环境控制及其各类辅助研究分支。大部分仪器系统和设备都是通过机床加工出来的，如隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。目前隐形眼镜的加工工艺主要有三种：分别是旋转成型工艺、切削成型工艺和模压成型工艺。计算机硬盘驱动器、光盘和复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。当现有加工设备不能满足零件加工要求时，必然要设计新设备，这就是我们经常提起的超精密机床的研究，而超精密加工机床的结构设计是其中最关键的技术之一。一个高精密机床的设计不仅仅是机械部门一个单元能完成的，它受到材料、物理、设计和工艺水平等多个环节和整个系统的综合影响。本文主要从超精密加工的起源、内涵、影响因素、研究方向和对策等方面来阐述超精密加工机床结构。

1 超精密加工相关知识概述

超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同历史时期，不同的科学技术发展水平的情况下，有不同的理解。通常我们认为一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密

加工技术。被加工尺寸大小不同，超精密加工的界别也会不同，通常认为精度与加工尺寸之比(精度比)达到10-6量级也称为超精密加工[1]。

超精密加工的发展经历了如下三个阶段。

(1)20世纪50年代至80年代为技术开创期。20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密切削——单点金刚石切削，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等[2]。这一时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等。

(2) 20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。20世纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床称为超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1.625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有±25nm的加工[2]。

(3) 20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工的需求急剧增加。在这一时期，超精密加工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟。此外，设备精度也逐渐增广，除了金刚石车床和超精密研磨外，超精密五轴铣削和飞切技术也被开发出来，并且可以加工非轴对称非球面的光学镜片。

目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投入巨额经费，对大型紫外线、X射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。目前此类反射镜的材料为质量轻且热传导良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，须使用超精密研磨加工等方法。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚，却是当今世界超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人

造器官等，很多小型和超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面甚至超过了美国[3]。

2 超精密加工机床的现状及发展趋势

2.1 国外超精密加工机床技术现状

发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内容，各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。

2.1.1 美国生产的超精密加工机床

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。

美国Moore公司2000年生产的五轴联动500FG超精密机床不仅可以加工精密回转体非球曲面，还可以加工精密自由曲面。该加床空气轴承主轴转速20~2000r/min，主轴回转误差≤0.025μm。液体静压导轨由无刷直线电机驱动，直线度误差≤0.025μm/300mm，定位精度0.3μm[4]。

2.1.2 英国生产的超精密加工机床

在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉，他是当今世界精密工程研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。

英国Cranfield精加工中心于1991年研制成功的OAGM—2500（工作台面积2500mm*2500mm）多功能三坐标联动数控磨床，可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面，成功加工过天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜[4]。

2.1.3 日本生产的超精密加工机床

20世纪80年代，超精密车削加工技术在美国、英国及日本等国发展较快，可加