浅谈精密与超精密加工技术

浅谈精密与超精密加工技术内容摘要：

件的加工，它不同于传统的车床，不需要改造、更新许多工夹具和检具，更不需要重新新调整车床。 因此，数控车床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批以及试制新产品提供了极大的便利。 它不仅缩短了生产准备周期，而且节省 了大量工艺装备费用。 加工精度高 数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量）一般达到了 ，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。 这是由数控车床结构设计采用了必要的措施，以及机电结合的特点决定的，首先是结构上引入了滚珠丝杠螺母机构、各种消除间隙结构等，使机械传动的误差尽可能小；其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减少；第三是用程序 控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。 这些措施不仅保证了较高的加工精度，同时还保证了较高的质量稳定性。 生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。 数控车床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般车床高得多。 数控车床主轴转速和进给量的范围比普通车床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。 浅谈精密与超精密加工技术 5 数控车床移动部件的快速移动和定位采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定 位的时间要比一般车床少的多。 数控车床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验的时间。 在使用带有刀库和自动换刀装置的数控车削中心机床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。 自动化程度高 数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均 大为减少，劳动条件也得到相应的改善。 良好的经济效益 使用失控车床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的。 但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。 有利于生产管理的现代化 用数控车床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。 这些特点都有利于使生产管理现代化。 数控车床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设置维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求 较高等。 浅谈精密与超精密加工技术 6 2 超精密加工 设备 超精密加工的设备要求 高精度 包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等； 高刚度 包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、 高稳定性 设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、 高自动化 为了保证加工质量，减少人 为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。 加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。 用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到 2～ 4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到 10nm，则刃口钝圆半径应为 2nm 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为 W20～ 的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系 统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。 此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精 超精密加工的应用领域 航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能影响很大。 该轴承为真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度要求为 m，即1nm，其圆度和圆柱度均要求纳米级精度。 被送入太空的哈勃望远镜 (HST)，可摄取亿万千米远的星球的图像 ， 为了加工该望远镜中直径为 、重达 900kg 的大浅谈精密与超精密加工技术 7 型反光镜，专门研制了一台形状精度为 m 的加工光学玻璃的六轴 CNC 研磨抛光机。 据英国 RollsRoyce 公司报道，若将飞机发动机转子叶片的加工度，由60μ m 提高到 12μ m、表面粗糙度由 m 减少到 m，发动机的加速效率将从 89%提高到 94%；齿轮的齿形和齿距误差若能从目前的 3～ 6μ m，降低到 1μ m，则其单位重量所能传递的扭距可提高近 1 当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细加工技术、纳米加工技术和 微型机电系统 (MEMS)等已形成微型机械制造。 这些技术都 在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。 超精密加工的发展趋势 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 ?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。 浅谈精密与超精密加工技术 8 3 超精密与超高速加工技术 技术概念 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。 目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过 1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达 300m/min，钛合金达 1501000m/min，纤维增强塑料为 20209000m/min。 各种切削工艺的切速范围为：车削 7007000m/min，铣削3006000m/min，钻削 2001100m/min，磨削 250m/s 以上等等。 超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。 超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于 m，表面粗糙度 Ra小于 m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于 m 的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。