超精密加工技術(shù)的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢的怎么樣的？

自從中國將“裝備制造業(yè)”列為國家發(fā)展戰略后，中國的裝備制造業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，很多大型裝備的制造能力都已經(jīng)躍居世界先進(jìn)水平，甚至成為世界的頂級水平，但中國制造業(yè)總體還是落后的，其落后就在于精密制造的落后。

超精密加工技術(shù)是現代高技術(shù)戰爭的重要支撐技術(shù)，是現代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎，是現代制造科學(xué)的發(fā)展方向。

現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗為基礎，所需試驗儀器和設備幾乎無(wú)一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。由宏觀(guān)制造進(jìn)入微觀(guān)制造是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展趨勢之一，當前超精密加工已進(jìn)入納米尺度，納米制造是超精密加工前沿的課題。世界發(fā)達國家均予以高度重視。

超精密加工的發(fā)展階段

目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗 糙度、表面完整性(無(wú)或極少的表面損傷，包括微裂 紋等缺陷、殘余應力、組織變化)為目標。

超精密加工的研究?jì)热�，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機理、被加工材料、超精密加工設備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測與誤差補償、超精密加工環(huán)境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等)和超精密加工工藝等。一直以來(lái)，國內外學(xué)者圍繞這些內容展開(kāi)了系統的研究。超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。

1）20世紀50年代至80年代，美國率先發(fā)展了以單點(diǎn)金剛石切削為代表的超精密加工技術(shù)，用于航天、國防、天文等領(lǐng)域激光核聚變反射鏡、球面、非球面大型零件的加工。

2）20世紀80年代至90年代，進(jìn)入民間工業(yè)的應用初期。美國的摩爾公司、普瑞泰克公司，日本的東芝和日立，以及歐洲的克蘭菲爾德等公司在政府的支持下，將超精密加工設備的商品化，開(kāi)始用于民用精密光學(xué)鏡頭的制造。單超精密加工設備依然稀少而昂貴，主要以專(zhuān)用機的形式訂制。在這一時(shí)期還出現了可加工硬質(zhì)金屬和硬脆材料的超精密金剛石磨削技術(shù)及磨床，但其加工效率無(wú)法和金剛石車(chē)床相比。

3）20世紀90年代后，民用超精密加工技術(shù)逐漸成熟。在汽車(chē)、能源、醫療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，超精密加工技術(shù)廣泛應用于非球面光學(xué)鏡片、超精密模具、磁盤(pán)驅動(dòng)器磁頭、磁盤(pán)基板、半導體基片等零件的加工。隨著(zhù)超精密加工設備的相關(guān)技術(shù)，例如精密主軸部件、滾動(dòng)導軌、靜壓導軌、微量進(jìn)給驅動(dòng)裝置、精密數控系統、激光精密檢測系統等逐漸成熟，超精密加工設備成為工業(yè)界常見(jiàn)的生產(chǎn)設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平、可加工工件的尺寸范圍也變得更大，應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)數控技術(shù)的發(fā)展，還出現了超精密五軸銑削和飛切技術(shù)。已經(jīng)可以加工非軸對稱(chēng)非球面等復雜零件。

國外超精密加工的發(fā)展情況

超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國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50年代未發(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 Dia-mond Turning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸＝0.025μm），并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰術(shù)導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。

金剛石刀具的超精密切削加工

在大型超精密機床方面，美國的LLL國家實(shí)驗室于1986年研制成功兩臺大型超精金剛石車(chē)床：一臺為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車(chē)床，另一臺為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學(xué)金剛石車(chē)床。其中，LODTM立式大型光學(xué)金剛石車(chē)床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來(lái)又研制出大型6軸數控精密研磨機，用于大型光學(xué)反射鏡的精密研磨加工。

英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)CUPE）是英國超精密加工技術(shù)水平的獨特代表。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0.1μm，表面粗糙度Ra<10 nm。

Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯(lián)動(dòng)數控磨床（工作臺面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車(chē)削）和測量精密自由曲面。該機床采用加工件拼合方法，還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

OAGM-2500大型cnc超精密磨床

日本對超精密加工技術(shù)的研究相對于美、英來(lái)說(shuō)起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。

我國超精密加工的發(fā)展情況

在過(guò)去相當長(cháng)一段時(shí)期，由于受到西方國家的禁運限制，我國進(jìn)口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數控超精密機床研制成功后，西方國家馬上對我國開(kāi)禁，我國現在已經(jīng)進(jìn)口了多臺超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所（航空303）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位現在已能生產(chǎn)若干種超精密數控金剛石機床。

北京機床研究所是國內進(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)型的超精密機床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達0.025μm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)床數控系統、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動(dòng)－位移測微儀等，達到了國內領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

NAM-800 型納米數控車(chē)床是北京機床研究所最新一代的納米級加工機床。它是當今數控技術(shù)、伺服技術(shù)、機械制造技術(shù)完美的統一。該機床為我國最前沿的科技發(fā)展提供了良好的加工手段。

NAM-800 型納米數控車(chē)床

航空航天工業(yè)部303 所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進(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(xiàn)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備、磁盤(pán)加工及檢測設備、微位移工作臺、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，并有相應產(chǎn)品問(wèn)世。

此外， 中科院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所、華中理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一機床廠(chǎng)、成都工具研究所、國防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究， 成績(jì)顯著(zhù)。

但總的來(lái)說(shuō)， 我國在超精密加工機床的效率、精度、可靠性， 特別是規格（大尺寸） 和技術(shù)配套性方面與國外相比， 與生產(chǎn)實(shí)際要求相比， 還有相當大的差距。 另外，復雜曲面的精密加工也一直是我國制造業(yè)發(fā)展的壁壘，而制造業(yè)的發(fā)展關(guān)系著(zhù)國家經(jīng)濟的長(cháng)遠發(fā)展問(wèn)題，仍需投入大量的研究。

精密加工的發(fā)展趨勢

1、高精度、高效率。

高精度與高效率是超精密加工永恒的主題�？偟膩�(lái)說(shuō)，固著(zhù)磨粒加工不斷追求著(zhù)游離磨粒的加工精度，而游離磨粒加工不斷追求的是固著(zhù)磨粒加工的效率。當前超精密加技術(shù)如CMP、EEM等雖能獲得極高的表面質(zhì)量和表面完整性，但以犧牲加工效率為保證。超精密切削、磨削技術(shù)雖然加工效率高，但無(wú)法獲得如CMP、EEM的加工精度。探索能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工領(lǐng)域研究人員的目標。半固著(zhù)磨粒加工方法的出現即體現了這一趨勢。另一方面表現為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法的誕生。

2、工藝整合化。

當今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來(lái)越成為企業(yè)賴(lài)以生存的條件。在這樣的背景下，出現了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設備完成多種加工(如車(chē)削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來(lái)越明顯。

3、大型化、微型化。

為加工航空、航天、宇航等領(lǐng)域需要的大型光電子器件(如大型天體望遠鏡上的反射鏡)，需要建立大型超精密加工設備。為加工微型電子機械、光電信息等領(lǐng)域需要的微型器件(如微型傳感器、微型驅動(dòng)元件等)，需要微型超精密加工設備(但這并不是說(shuō)加工微小型工件一定需要微小型加工設備)。

超精密加工技術(shù)正迎來(lái)一個(gè)繁榮的時(shí)代。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨與拋光技術(shù)已取得長(cháng)足的進(jìn)展，加工后工件表面精度可達納米級或亞納米級，并且加工方法目趨多樣化。在流量計傳感器的生產(chǎn)制造中，為了達到產(chǎn)品的高精度測量，精密加工技術(shù)保證了產(chǎn)品的加工精度。