精密和超精密加工技术的新进展

精密和超精密加工技术的新进展
袁哲俊哈尔滨工业大学

摘要: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.世界各国都极为重视,投入很大力量进行开发研究,故近年来发展迅速.

1．概述

精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发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和精密测量技术。

我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。

由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，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，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。

2．精密机床技术的发展

精密机床是精密加工的基础。当今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加工效率，同时采用先进数控技术提高其自动化水平。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统，成为一台加工中心；同时为实现高速切削，已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达5μm，已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能可以看出，现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。

3．使用金刚石刀具的超精密切削技术3.1 超精密切削技术的进展

金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份，不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。

使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM）方便地进行测量。

3.2 超精密切削机理的研究

对超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。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获得镜面，这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切除的脆塑转换问题，最近对此提出了不少新见解。由超精密切削玻璃的实验结果可见，开始时切削厚度甚小，切除机理为塑性去除，加工表面无脆性破损痕迹。随着切削厚度的增大，塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除，加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。

目前，使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识，同时可以对超精密切削效果作出比较准确的预报。由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到，由于晶体的各向异性，导致在不同方向的切削力是不相等的。利用对超精密切削过程的分子动力学模拟，可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析，并能对切除过程进行动画演示。

3.3 新的金刚石刀具晶体定向方法

由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。

4．超精密加工机床的进展

4.1 国外超精密机床的发展情况

研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。

美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。

4.2 我国超精密机床的发展情况

在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。

在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。

在多功能和高效专用超精密机床方面，目前我国基本上仍是空白。

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