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东莞数控加工厂与你分享:超精密加工技术综述


东莞数控加工厂与你分享:超精密加工技术综述


关键词  超精密加工 精密磨削加工 金刚石刀具的切削

1. 前言
超精密加工技术,是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用,并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。
    超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3~0.03?m,表面粗糙度为Ra0.03~0.005?m)和纳米级(精度误差为0.03?m,表面粗糙度小于 Ra0.005?m)精度的加工。实现这些加工所采取的工艺

方法和技术措施,则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题,人们把这种技术总称为超精工程。
超精密加工主要包括三个领域:
超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削,可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。
超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。
    超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工,线宽可达0.1?m。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工,线宽可达2~5nm。
            精密磨削偏心气缸
2. 工作原理
近年来,在传统加工方法中,金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位;在非传统加工中,出现了电子束、离子束、激光束

等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法,特别是复合加工,如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等,在加工机理上均有所创新。
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3. 设备
 精密零部件加工对精密和超精密加工所用的加工设备有下列要求。 
   (1)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;
   (2)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、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。 
   (3)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、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。 
   (4)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度、高刚度和高稳定性。 
   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~W0.5的微粉金刚石,粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。
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4. 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Ry0.01μm,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

2.4m、重达900kg的大型反光镜,专门研制了一台形状精度为0.01μm的加工光学玻璃的六轴CNC研磨抛光机。据英国Rolls-Royce公司报道,若将飞机发动机转子叶片的加工度,由60μm提高到

12μm、表面粗糙度由Ra0.5μm减少到0.2μm,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3~6μm,降低到1μm,则其单位重量所能传递的扭距可提高近1倍。

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    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。

5. 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。

精密零部件加工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。

6. 结论
超精密加工,是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用,并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。我国的制造业发展已进入了高速发展阶段,中国民营企业已具备足够的经济实力来使企业迈向现代化,先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。随着国家决策.


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