超精密加工與超高速加工技術(shù)

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 一,、技術(shù)概述
  超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具,，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù),。
  超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料,、不同的切削方式而異。目前,，一般認(rèn)為,，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過(guò)1600m/min，鑄鐵為1500m/min,，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min,，鈦合金達(dá)150~1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為2000~9000m/min,。各種切削工藝的切速范圍為：車(chē)削700~7000m/min,，銑削300~6000m/min，鉆削200~1100m/min,，磨削250m/s以上等等,。
  超高速加工技術(shù)主要包括：超高速切削與磨削機(jī)理研究，超高速主軸單元制造技術(shù),，超高速進(jìn)給單元制造技術(shù),，超高速加工用刀具與磨具制造技術(shù),，超高速加工在線自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)等。
  超精密加工當(dāng)前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ   m,，表面粗糙度Ra小于0.025μ m,，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μ   m的加工技術(shù)，亦稱(chēng)之為亞微米級(jí)加工技術(shù),，且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展,。
  超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機(jī)理研究，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)研究,，超精密加工工具及刃磨技術(shù)研究,，超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)研究，超精密加工工作環(huán)境條件研究,。
  二,、現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
  1．超高速加工
  工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)超高速加工的研究起步早，水平高,。在此項(xiàng)技術(shù)中,，處于領(lǐng)先地位的國(guó)家主要有德國(guó)、日本,、美國(guó),、意大利等。
  在超高速加工技術(shù)中,，超硬材料工具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件,，超高速切削磨削技術(shù)是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法，而高速數(shù)控機(jī)床和加工中心則是實(shí)現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵設(shè)備,。目前,，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)高速鋼,、硬質(zhì)合金鋼,、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）,、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）,。切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過(guò)去主要是采用剛玉系,、碳化硅系等，美國(guó)G．E公司50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功,，60年代又首先研制成功CBN,。90年代陶瓷或樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪,、金剛石砂輪線速度可達(dá)125m/s，有的可達(dá)150m/s,，而單層電鍍CBN砂輪可達(dá)250m/s。因此有人認(rèn)為,，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展,，每隔十年切削速度要提高一倍,，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會(huì)太遙遠(yuǎn)了,。
  在超高速切削技術(shù)方面,，1976年美國(guó)的Vought公司研制了一臺(tái)超高速銑床,，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000rpm,。特別引人注目的是,，聯(lián)邦德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所（PTW）從1978年開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行超高速切削機(jī)理研究,，對(duì)各種金屬和非金屬材料進(jìn)行高速切削試驗(yàn),，聯(lián)邦德國(guó)組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬(wàn)馬克支持該項(xiàng)研究工作,，自八十年代中后期以來(lái),，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn),，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車(chē)銑床,、鉆銑床乃至各種高速加工中心等,。瑞士,、英國(guó),、日本也相繼推出自己的超高速機(jī)床,。日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)36000~40000r/min,，工作臺(tái)快速移動(dòng)速度為36~40m/min,。采用直線電機(jī)的美國(guó)Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進(jìn)給移動(dòng)速度為60m/min,。
  在高速和超高速磨削技術(shù)方面,，人們開(kāi)發(fā)了高速,、超高速磨削、深切緩進(jìn)給磨削,、深切快進(jìn)給磨削（即HEDG）,、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削,，這些高速高效率磨削技術(shù)在近20年來(lái)得到長(zhǎng)足的發(fā)展及應(yīng)用,。德國(guó)Guehring Automation公司1983年制造出了當(dāng)時(shí)世界第一臺(tái)最具威力的60kw強(qiáng)力CBN砂輪磨床,，Vs達(dá)到140~160m/s。德國(guó)阿享工業(yè)大學(xué),、Bremen大學(xué)在高效深磨的研究方面取得了世界公認(rèn)的高水平成果，并積極在鋁合金,、鈦合金,、因康鎳合金等難加工材料方面進(jìn)行高效深磨的研究,。德國(guó)Bosch公司應(yīng)用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形,，采用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經(jīng)滾齒及剃齒加工的工藝,，加工16MnCr5材料的齒輪齒形,，Vs＝155m/s,，其Q'達(dá)到811mm3/mm.s,，德國(guó)Kapp公司應(yīng)用高速深磨加工泵類(lèi)零件深槽,，工件材料為100Cr6軸承鋼,，采用電鍍CBN砂輪，Vs達(dá)到300m/s,，其Q`＝140mm3/mm.s,，磨削加工中,，可將淬火后的葉片泵轉(zhuǎn)子10個(gè)一次裝夾，一次磨出轉(zhuǎn)子槽,，磨削時(shí)工件進(jìn)給速度為1.2m/min,，平均每個(gè)轉(zhuǎn)子加工工時(shí)只需10秒鐘,，槽寬精度可保證在2μ m,，一個(gè)砂輪可加工1300個(gè)工件。目前日本工業(yè)實(shí)用磨削速度已達(dá)200m/s,，美國(guó)Conneticut大學(xué)磨削研究中心，1996年其無(wú)心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達(dá)250m/s,。
  近年來(lái)，我國(guó)在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī),、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國(guó)外尚有較大差距,，必須急起直追。
  2．超精密加工
  超精密加工技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美國(guó),、英國(guó)和日本。這些國(guó)家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高,，而且商品化的程度也非常高。
  美國(guó)是開(kāi)展超精密加工技術(shù)研究最早的國(guó)家,，也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國(guó)家,。早在50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要,，美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù),，稱(chēng)為“SPDT技術(shù)”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸＝0.025μ m），并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床,。用于加工激光核聚變反射鏡,、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面非球面大型零件等等。如美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室和Y－12工廠在美國(guó)能源部支持下,，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車(chē)床DTM－3型,，該機(jī)床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡,、紅外裝置用零件,、大型天體望遠(yuǎn)鏡（包括X光天體望遠(yuǎn)鏡）等。該機(jī)床的加工精度可達(dá)到形狀誤差為28nm（半徑）,，圓度和平面度為12.5nm,，加工表面粗糙度為Ra4.2nm,。該機(jī)床與該實(shí)驗(yàn)室1984年研制的LODTM大型超精密車(chē)床一起仍是現(xiàn)在世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車(chē)床,。
  在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，英國(guó)克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)CUPE）享有較高聲譽(yù),，它是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一,，是英國(guó)超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進(jìn)行超精密車(chē)削,，又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削,，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1μ m ,，表面粗糙度Ra<10nm。
  日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美,、英來(lái)說(shuō)起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國(guó),，前者是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象,，后者則是以發(fā)展國(guó)防尖端技術(shù)為主要目標(biāo)。所以日本在用于聲,、光、圖象,、辦公設(shè)備中的小型,、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面,，是更加先進(jìn)和具有優(yōu)勢(shì)的,，甚至超過(guò)了美國(guó)。
  我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步,，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件,。北京機(jī)床研究所是國(guó)內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類(lèi)型的超精密機(jī)床,、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等,，如精度達(dá)0.025μ m的精密軸承、JCS－027超精密車(chē)床,、JCS－031超精密銑床,、JCS－035超精密車(chē)床,、超精密車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床,、紅外大功率激光反射鏡,、超精密振動(dòng)－位移測(cè)微儀等，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,、國(guó)際先進(jìn)水平,。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方面進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn),。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削,、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究,。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備,、磁盤(pán)加工及檢測(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái),、超精密砂帶磨削和研拋,、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究,，并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世,。此外中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中理工大學(xué),、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠,、成都工具研究所、國(guó)防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究,，成績(jī)顯著,。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在超精密加工的效率,、精度可靠性,，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術(shù)配套性方面與國(guó)外比，與生產(chǎn)實(shí)際要求比,，還有相當(dāng)大的差距,。
  超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展,；向大型化,、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展,；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展,；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法,、新材料,。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到和完成納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年,。
  三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容
  1．目標(biāo)
  超高速加工到2005年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min,，進(jìn)給速度達(dá)40~60m/min，砂輪磨削速度達(dá)100~150m/s,；超精密加工基本實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工,，加強(qiáng)納米級(jí)加工技術(shù)應(yīng)用研究,，達(dá)到國(guó)際九十年代初期水平,。
  2．主要研究?jī)?nèi)容
  （1）超高速切削、磨削機(jī)理研究,。對(duì)超高速切削和磨削加工過(guò)程,、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行系統(tǒng)研究,。
  （2）超高速主軸單元制造技術(shù)研究,。主軸材料、結(jié)構(gòu),、軸承的研究與開(kāi)發(fā),；主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究,；主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)研究,；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究,；主軸換刀技術(shù)研究,。
  （3）超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)研究。高速位置芯片環(huán)的研制,；精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究,；系統(tǒng)慣量與伺服電機(jī)參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機(jī)械傳動(dòng)鏈靜,、動(dòng)剛度研究,；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等,。
  （4）超高速加工用刀具磨具及材料研究,。研究開(kāi)發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術(shù)，使刀具的切削速度達(dá)到國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家90年代末的水平,，磨具的磨削速度達(dá)到150m/s以上,。
  （5）超高速加工測(cè)試技術(shù)研究。對(duì)超高速加工機(jī)床主軸單元,、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部位和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù),，對(duì)超高速加工用刀具磨具的磨損和破損,、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過(guò)程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究,。
  （6）超精密加工的加工機(jī)理研究,。“進(jìn)化加工”及“超越性加工”機(jī)理研究,；微觀表面完整性研究,；在超精密范疇內(nèi)的對(duì)各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過(guò)程、現(xiàn)象,、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究,。
  （7）超精密加工設(shè)備制造技術(shù)研究。納米級(jí)超精密車(chē)床工程化研究,；超精密磨床研究,；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系,、導(dǎo)軌副,、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究,；超精密機(jī)床總成制造技術(shù)研究,。
  （8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)研究,。金剛石刀具及刃磨技術(shù),、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。
  （9）精密測(cè)量技術(shù)及誤差補(bǔ)償技術(shù)研究,。納米級(jí)基準(zhǔn)與傳遞系統(tǒng)建立,；納米級(jí)測(cè)量?jī)x器研究；空間誤差補(bǔ)償技術(shù)研究,；測(cè)量集成技術(shù)研究,。
  （10）超精密加工工作環(huán)境條件研究。超精密測(cè)量,、控溫系統(tǒng),、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備,，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究,。

rgy0716

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