精密切削加工技術(shù)論文(2)
精密切削加工技術(shù)論文
精密切削加工技術(shù)論文篇二
超精密加工技術(shù)概述
摘要：隨著社會的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品精細化程度逐步提高 ，傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求，機械加工向著更高精度的方向發(fā)展。本文主要介紹超精密加工技術(shù)的產(chǎn)生背景、概念、國內(nèi)外的發(fā)展狀況、幾種超精密加工技術(shù)和對未來超精密加工技術(shù)發(fā)展的展望。
關(guān)鍵詞：超精密加工技術(shù)背景概念發(fā)展狀況發(fā)展趨勢
中圖分類號： U270.6+4文獻標識碼： A 文章編號：
一.產(chǎn)生的背景
制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷史，石器時代、銅器時代、鐵器時代都有著制造技術(shù)發(fā)展的足跡。直至近代，隨著第一次工業(yè)革命的完成，傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)出現(xiàn)了，傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)主要包括車削、銑削、鉆削和磨削。
隨著人類社會的進一步發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等，尤其是國防工業(yè)部門，要求尖端科學(xué)技術(shù)產(chǎn)品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展，以及在高溫、高壓、重載荷或腐蝕環(huán)境下長期可靠地工作。為了適應(yīng)這些要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)雜形狀的精密零件大量出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，材料的性能越來越強韌，對精度要求越來越高，對加工表面粗糙度和完整性要求越來越嚴格，使機械制造面臨著一系列嚴峻的任務(wù)：(1)解決各種難切削材料的加工問題。如硬質(zhì)合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼、金剛石、石英以及鍺、硅等各種高硬度，高強度、高韌性、高脆性的金屬及非加工。(2)解決各種特殊復(fù)雜型面的加工問題。如噴氣渦輪機葉片、整體渦輪、發(fā)動機機匣、鍛壓模等的立體成型表面，各種沖模、冷拔模等特殊斷面的型孔，炮管內(nèi)膛線、噴油嘴，噴絲頭上的小孔、窄縫等的加工。(3)解決各種超精密、光整零件的加工問題。如對表面質(zhì)量和精度要求很高的航天航空陀螺儀、精密光學(xué)透鏡、激光核聚變用的曲面鏡、高靈敏度的紅外傳感器等零件的精細表面加工，形狀和尺寸精度要求在0.1皮米以上，表面粗糙度尺寸要求在0.01微米以上。(4)特殊零件的加工問題。如大規(guī)模集成電路、光盤基片、復(fù)印機和打印機的感光鼓、微型機械和機器人零件、細長軸、薄壁零件、彈性元件等低剛度零件的加工。;要解決上述一系列問題，僅僅依靠傳統(tǒng)的切削加工方法很難實現(xiàn)，有些根本無法實現(xiàn)。在生產(chǎn)的迫切需求下，人們通過各種渠道，借助于多種能量形式，不斷研究和探索新的加工方法。超精密和特種加工技術(shù)就是在這種環(huán)境和條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。
二. 基本概念和范圍
制造是用物理或化學(xué)的方法改變原材料的幾何形狀、性質(zhì)和外觀，制成零件以及將零件裝配成產(chǎn)品的操作過程，通過這樣的過程將原材料轉(zhuǎn)變成具有使用價值和更大經(jīng)濟價值的產(chǎn)品。產(chǎn)品在機械制造的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，主要有(1)的加工機床的運動誤差，如導(dǎo)軌誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差等等;(2)刀具制造誤差與磨損;(3)工藝系統(tǒng)受力變形和受熱變形。傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)的誤差范圍較大，而超精密加工技術(shù)由于應(yīng)用了新的加工介質(zhì)，改變了原有的加工機理，使加工誤差大大降低。
超精密加工技術(shù)是一種先進的制造技術(shù)。超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03微米，表面粗糙度為Ra0.03～0.005微米)和納米級(精度誤差為0.03微米，表面粗糙度小于 Ra0.005微米)精度的加工。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精密加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機理，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)，超精密加工工具及刀磨技術(shù)，超精密測量技術(shù)和誤差補償技術(shù)，超精密加工工作環(huán)境條件。
人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領(lǐng)域：(1)超精密切削加工，如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。 (2)超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 (3)超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1微米。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。
三. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
目前，先進制造技術(shù)已經(jīng)是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要手段之一，許多發(fā)達國家都十分重視先進制造技術(shù)的水平和發(fā)展，利用它進行產(chǎn)品革新、擴大生產(chǎn)和提高國際經(jīng)濟競爭能力。
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、日本和英國等。
美國是開展超精密加工技術(shù)最早的國家。早在上世紀五十年代末，由于航天等尖端技術(shù)的需要，美國首先發(fā)展了結(jié)果是刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)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(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用的球面和非球面的大型零件等等。如美國的LLL實驗室和Y-12工廠在美國能源部的支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM-3型，該機床可加工各種大型光學(xué)設(shè)備，加工精度可達到形狀誤差為28nm(半徑)，圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機床與該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。
在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，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(CUPE)享有較高的聲譽，他是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一，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既可以進行超精密車削，又帶有磨頭，也可以進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1微米，表面粗糙度Ra小于10nm。
日本對超精密加工技術(shù)的研究相對于美國和英國來說起步較晚，但日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本通產(chǎn)省于1986年制訂了一個“超尖端加工系統(tǒng)研究開發(fā)”的大型計劃,該計劃1987年1月開始執(zhí)行,約需8年時間完成，計劃總經(jīng)費為150 到200億日元。大型計劃由二部份組成：高密度、高能量受激射束技術(shù)和三維曲面超高性能機械加工技術(shù)。為了保證超精密加工技術(shù)成為可能,還有二項輔助技術(shù)：超精密測量技術(shù)和加工環(huán)境的控制技術(shù)。高密度、高能量射束技術(shù)的研究內(nèi)容,主要有大輸出功率長壽命的準分子激器和高能量離子束技術(shù)。當(dāng)準分子激光照射氮、氯等氣體時,其分子分解,蒸發(fā)到金屬、陶瓷、高分子材料等基礎(chǔ)材料表面,形成高性能的薄膜。高密度高能量離子束技術(shù)是利用非熱平衡過程對材料進行選擇性極高的處理或高速處理,以達到局部處理的目的。因此, 射束技術(shù)的研究, 主要為解決難合成材料和高性能材料的合成, 高品位薄膜的形成,材料表面質(zhì)量改進等方面的應(yīng)用。三維曲面超高性能機械加工技術(shù)以超精密加工為中心,包括切削、磨削、研磨和利用射束的新型復(fù)合加工技術(shù),主要內(nèi)容是研制超精密機械加工裝置。用切削的方法不可能達到原子級的精度, 所以需進一步研究切削機理,發(fā)展特種加工技術(shù)。機械化學(xué)研磨和彈性發(fā)射切削加工等方法將從實驗室向工業(yè)應(yīng)用發(fā)展。
我國目前已是一個"制造大國"，制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位，僅次于美國、日本和德國，近年來在精密加工技術(shù)和精密機床設(shè)備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個"制造強國"，與發(fā)達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產(chǎn)品出口，但多數(shù)是技術(shù)含量較低、價格亦較便宜的中低檔產(chǎn)品;而從國外進口的則大多是技術(shù)含量高、價格昂貴的高檔產(chǎn)品。目前我國每年需進口大量國內(nèi)尚不能生產(chǎn)的精密數(shù)控機床設(shè)備和儀器。由于國外一些重要的高精度機床設(shè)備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設(shè)備儀器正是我國發(fā)展國防工業(yè)和尖端技術(shù)所迫切需要的，因此，為了使我國的國防和科技發(fā)展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術(shù)水平提升到世界先進水平。
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