国内外精密加工技术最新进展

国内外精密加工技术最新进展

袁哲俊

哈尔滨工业大学

摘 要:介绍了精密和超精密加工技术各主要领域国内外的最新进展。提出应重视精密加工的研究和加大投入,加速提高我国的精密和超精密加工技术水平。

关键词:精密和超精密加工技术, 超精密切削, 超精密机床, 精密镜面磨削, 精密研磨, 微机械制造

Latest Developments of Precision Manufacturing Technology at Home and Abroad

Yuan Z hejun

Abstr act:The latest developments in main areas of precision and ultra 2precisi on manufacturing technolog y at ho me and abroad were introduced.It was proposed that w e must pay great attention to the research o f p recision manufacturing technolo gy and increase investments in this field to make our co un try .s precision manufacturin g technology have a g reat impro vement.

Keywor ds:precision and ultra 2precision manufacturing technology, ultra 2precision cu tting, ultra 2precision machine tool,precision mirro r surface g rinding, precision lapping, micro 2machine manufacturing

1 概述

精密和超精密加工技术的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展。世界各国在这方面都极为重视,投入很大力量进行开发研究,同时技术保密,

控制出口。由于航空航天、尖端技术、多种高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光技术的迅速发展和多领域的广泛应用,各种复杂高精度零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工,成为迫切任务。国外发展了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工技术、精密测量技术。

我国现在已是一个制造大国,仅次于美国、日本,最近又超过了德国,已处于世界第三位。中国的出口最近也接近德国,而成为世界第二出口大国。中国的出口统计中,机电产品已占多数,但中国制造业大而不强,是制造大国而不是制造强国,出口的机电产品多数是技术含量较低、价格亦较低的产品,而进口的则是技术水平高、价格昂贵的产品。由于人民币升值和实行新劳动法后,工人工资显著提高,我国廉价劳动力的优势正在迅速丧失。迫切需要提高我国制造工业的技术水平,研发和生产先进的高水平精密产品,只有这样才可能将我国从一个/制造大国0转变成一个真正的/制造强国0。

我国的机床制造业最近几年虽发展很快,年产量和出口量都明显增加,成为世界机床最大消费国和第一大进口国。近年在精密加工技术和精密机床设备制造方面,取得不小进展,但仍和国外有较大差

距。从表1中我国机床生产、消费和进口情况的数

字可看出,我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本形势。

表1 我国机床进出口情况

(亿美元)

年度产值出口进口消费200021197219918190371882003231803180411606710020066410011190721401311102007

11119

1615

7017

166110

由于一些重要的高精度机床设备和仪器,国外

对我们封锁禁运,而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的,因此我们必须投入必要的人力物力,自主发展精密和超精密加工技术,将我国的精密和超精密加工技术水平尽快提高到世界前列,这样我国的国防和科技发展才不会受制于外国,我们才能出口世界一流的高技术机电产品。下面将介绍国内外精密和超精密加工技术最近发展的情况。

图1 端士DIXI 的卧式精密高速镗床

图2 瑞士MIKR ON 高速精密五轴加工中心

2 精密机床技术的发展

精密机床是精密加工的基础。现在精密机床技术的发展方向是:在继续提高精度的基础上采用高速切削以提高效率,同时采用数控使其自动化。瑞士DIXI 公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,现在该厂生产的高精度镗床D HP40(图1)已加上多轴数控系统成为加工中心,同时为使用高速切削,已将主轴最高转速提高到24000r/min 。图2所示是瑞士M IK RO M 公司的高速精密五轴加工中心,它的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达到5L m,已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能看,现在精密机床、加工中心和高速切削机床已不再有严格的界限区分。

3 金刚石刀具超精密切削

311 超精密切削技术的进展

金刚石刀具超精密切削是超精密加工中的很重要部份,不少国防尖端产品零件,如陀螺仪、各种平面曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等,需要用超精密切削来加工。

超精密切削使用单晶金刚石刀具,在超精密机床上可以加工出镜面。超精密切削的切削厚度可以极小,最小切削厚度可以到1nm(如图3所示)。超精密切削使用的单晶金刚石刀具是重要关键,要求刃口磨得极为锋锐,刃口半径在015~0101L m 。因刃口半径甚小,过去测量极为困难,现在可以用原子力显微镜(A FM)进行测量,测量就比较方便。图4中是用AFM

测量金刚石刀具刃口半径得到的测量结果。

图3 超精密切削的切削厚度(

Ikawa)

图4 使用AFM 检测金刚石刀具刃口半径

312 超精密切削机理的研究

超精密切削机理的研究近年来亦有不少进展。

例如超精密切削脆性材料时,加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而得到镜面,这涉及极薄切削时的脆性材料塑性切除的脆塑转换问题,最近提出不少新见解。图5中所示,是超精密切削玻璃时的实验结果,可见到开始时切削厚度甚小,切除为塑性去除,加工表面无脆性破损痕迹。随切削厚度增加,塑性切除逐渐转化成脆性破裂去除,加工表面可看到明

显的脆性破损痕迹。

图5

超精密切削玻璃时的脆塑转变

图6 超精密切削表

面形貌的仿真

图7 超精密切削的分子动力学模拟

对于超精密切削的过程机理研究,现在使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法,获得很好的效果,它一方面可以加深对极薄层材料切削去除机理的认识,同时可对切削效果作预报。图6中所示是超精密

切削时所形成的加工表面的计算机仿真模拟预测。图7中所示,是对超精密切削过程的计算机仿真分