精密加工和超精密加工提出以后,首先受到了日本等国的重视,在以“技术立国”和“新 技术立国”的方针下,领导日本精密加工的学术力量当首推精密加工学会,该学会拥有专家、 学者、教授、以及研究生、大学生等众多会员,力量强大,每年分春、秋两季有两次学术交流 盛会,参加会议宜读论文十分踊跃,是日本很有影响的学术团体。日本在工科大学里,大多设 置了精密工学科,十分注重培养精密加工方面的高级技术人材。日本有众多的生产和研究超精 密技术的公司,如东芝、精工、三菱电气、住友、冈本、西铁城、三井精机等,研究了超糟密 非球面镜车床、精密激光干涉反馈测量系统、超精密平面磨床等。图010是日本一台比较理 想的盒式超精密立式车床,其结构设计有以下特点。 F■D 图010日本盒式超精密立式车床 用低热变形复合材料制成的消板2-冷却液萍溶3澌瓷腹珠丝杠4-对称热源袭置5冷却液喷射装置 6、9-切胴回收装置7—热变形补偿微位移工作台8一卡盘附竹10油温控制装置--隔振功能 和水平调整功能装置12空气静压主轴3冷却散热片|4—热对称尧体纳构15·恒温循环 装置16-两个热对称圆导轨1热源隔高装置8热流控制功能和衰减能调整功能装置 19滚竹崛动用电子冷却轴20热对称二点支揮结构 l)整个机床采用了盒式结构,加工区域形成封闭空间、自成系统,不受外界影响。 2)采用热对称结构、石材等低热变形复合材料,从结构上使热变形得到抑制。 3)采用冷却液淋浴、恒温冷却液循环、热源隔离等措施,以保证整个机床处于恒温状态 形成局部恒温环境,再将机床安装在恒温室内,可达到更好的恒温效果 4)整个机床本身有隔振结构,放在防振地基上,可获更好的防振效果。 这台机床反映了现代超精密技术的水平 美国在精密加工和超精密加工方面有良好的基础和雄厚的力量,著名的加利福尼亚大学 lawrence Livemore实验室、 Union Carbide公司、 Moore公司、 Pneuman precision公司等均研究和制 造出高水平的超精密机床和装置,可举 Lawrence livemore实验室和美倒空军合作研制出的大型 光学金刚石车床( Large Optics Diamond Tuming Machine-LODTM)为例,该机床是为镜面加工大直 径光学镜头面开发的,采用双立柱立式车床结构,六角刀盘驱动,多重光路激光干涉测长进给 反馈,分辨力为07m,定位误差为00025m;为了减少热变形影响,采用低热膨胀材料组合
在0℃,0.08℃,如孩01所 舅外,美国HP、Y公司前光干 涉辨打谂0.6,精度滋劐 isb Lth? 英援密和精方 主獗以e大学的密程新 所CRPE)为代表,探8代开燃 研割出小型金刚石耀精密车珠和大 立念石戆密机;立游 学窦验室(剂 girne phoria lakk N}发躔体結糊立酈精密酒 綵阕2所,豳令柱接4 支持球稗成…个体,粳 卜禚獎力,从丽静潮站j0 },闈太光学潮泰 擦12月种据翻库 总脚括途H瓣转线能球
、缆达t,为尜的新嶽鐺构湃了灬条途径。受世各圓的襖 此,出现了豁舯殊圈3b示了箦國嶺wⅸ会爵发鹩ⅤAA穴条 斜工中心的结构示意图,图0.12为德国斯图雛特大学研制的三条腿就床柔意圈。此外,英 有 TaNtor Hoie公生产彩貌仪等精密测量仪器。 在欧洲,除英外,德圈的)公生产精量机,比i会司生产光,分辨力 为3m,荷兰的B公、麦的公司等都是就界著名的生产厂家 脫韉的趯巒離宋甃了长廳邊。年代中期出现了有歡罌水平觳 辮密钥洣獺鎯,辫专嶽铑批蠶生产變屦。北寫袱竤獗究蠱釅內进眢嬪巒觚工术究 蔤晝之一,掰岀了寥忝翾类酸的趨锴密褀、。酈件和相关鼢高鞲度测试仪等、精 度达0025m的精密轴承、JC027超精密军床,Cs026高糖度度仪、Js4031超精密 3糖密车沫、朝精蜜车数控系统。复印机感光嶽工机、红外大功率激光射镜 超振-移测徽仪等,达到了菌内领先。际先进水。空工业总公司三零二薪在超 精密主轴、花岩加x及应用三坐标测量积等方进行了深入研究及产品案产。晗尔滨工太 孿寡金躑離辮密:石羽親钵定翊磨、魚刚石黴氅解縷戆整鸞嚀方 随行了绵有成效的研究。滷华大学在集成电路超精密拥工设备磁盘加工及检测设备、微位移 作台精密砂指磨削和撤、金石微歡轮超载蜜霹削非圆截超精w朝等避行了源 人醑究,賴辋歡。外,中学院,光学梢密机楼研究、华申理工大学,沈第 靺珷鄒工寳蠼、隰科幔大学等都进行这灬领域的研究蹴鳞著 A、2精密加工和邂精加工的需求 42.1圈防业上的鬻求 鞲密¨术与瓣黼关系巒、齦觐仪緲及多誕轔密工,抨弹 陀螺仪质量直接影确其命申摩,1k鹉院螺转子,其质量中心偏离其对称输0.,005+,朝会时 解100mt鹅射程误差称m的轨邀 在熊珅,照的姿态鞬部件对瑾的测能影酶很太,该轴属喜室气润 猾鞬,萁靼外的瞬和闋柱度、製蟹糙廒瑚达納米缀。卫驪中的光学绕镜,高辨力 的电视像系统、高灵敏度的红外传感碧等,其光学系统的高精度非球透镜,高分辨力的电 光糰、裔驗红外熟颹像机的礴镉汞半导体元件等,都必须用辉精密工技术選行制造 大獵天的透、直遨2,4m,彩狀癃廒为0.01pm,蓍名的晗渤太空望远饞 观察14亿光年鹞天体s外线探测器反射镜,其抛物面反射镜形状楷为1am表商粗糖 魔θ鶀,蔫綪癡寘接影嗍學弹鹩引燡距澌頵中蕐。光聚变闬巒爾髖,異 形状精度小于1m,表面粗糖度小于R0,01m,其质量喜接影响激光的光源性能。队以上例 子謀爨、邂精密加r在圓防工业、航天工业、航工业中有广阔靠场 42,2意产最中的瓣求 計算机上的片、獵基片、光獻基片等都需要超密加工揸术来造。录像的磁 复即租的感、各种磁头、瀲光打印钒的多匦、喷打郎机的鷃头等都必须逖超耪密 態达要求 、2。3民牌产晶中的需求 巍杙小膛、趨型的虤鑠逡胬,搋靚、照等上的餐稗鍌镜,劉經甃鑾 镜,繳机:瀲打褫等上的各种射镜都要繼超鞲密期技术来究。于超精密加
工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。 4.3精密加工和超精密加工的技术地位和作用 先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一,许多国家都十分重视先进制造技 术的水平和发展,利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。当前,美国、日 本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之一,就是他们把先进制造技术 看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。日本在第二次世界大战后,为了迅速恢复经济 大力发展制造技术,特别是精密加工技术,使机械制造业的水平有了很大提高,有力地支持了 其他工业的发展,在汽车制造业和微电子工业上取得了显著成绩,在短短的30年中,从一个 战败国发展成为世界上的经济强国。而美国从20世纪30年代开始,在制造技术上处于世界领 先地位,但在50年代以后,对制造技术不够重视,在经济竞争上感受到巨大的威胁,经过认 真总结,认识到进入80年代后,在重要的、高速增长的技术市场上失利的一个重要原因是美 国没有把自己的技术应用到制造上。美国国家工程科学院的国家研究理事会经过反复研究,提 出要把注意力重新放在制造技术上,而不是像前些年那样,把制造放到从属于设计的地位上。 先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策,同时又是一个国家独 立自主、繁荣昌盛、经济上持续稳定发展、科技上保持先进领先的长远大计。 从先进制造技术的技术实质性而论,主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领 域,前者迫求加工上的精度和表面质量极限,后者包括了产品设计、制造和管理的自动化,它 不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段,而且是保证产品质量的有 效举措,两者有密切关系,许多精密和超精密加工要依靠自动化技术得以达到预期指标,而不 少制造自动化有赖于糈密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的、决定性的作用,是先进 制造技术的支柱 431超精密加工是国家制造工业水平的置要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术 水平的重要标志之一。例如:金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的 个关键技术参数,日本声称已达到2m,而我国尚处于亚微米水平,相差一个数量级;又如金 刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产,使制造水平有了大幅度提高,突出地解决了超精 密磨削磨料加工效率低的问题。 432精密加工和超密加工是先进制造技术的基础和关镳 当前,在制造自动化领域,进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发,如计算机辅助设 计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、计算机辅助加工 (CAM)等,统称计算机辅助工程(CAx),又如面向装配的设计(DFA)、面向制造的设计(DFM) 等,统称为面向工程的设计(DFx);又进行了计算机集成制造(CM)技术,生产模式如糟良生 产、敏捷制造、虚拟制造、以及清油生产和绿色制造等研究,这些都是十分重要和必要的,代 表了当前高新制造技术的一个重要方面。但是,作为制造技术的主战场,作为真实产品的实际 制造,必然要靠精密加工和超精密加工技术,例如,计算机工业的发展不仅要在软件上,还要 在硬件上,即在集成电路芯片上有很强的能力,应该说,当前,我国集成电路的制造水平约束 了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶 上欧、日水平,其中的举措都是实实在在的制造技术
4.4精密加工和超精密加工的发展趋势和技术前沿 44.1向高精度、高效率方向发展 随着科学技术的不断进步,对精度、效率、质量的要求愈来愈高,超精密加工技术就是要 向加工精度的极限冲刺,应该说,这种极限是无限的,当前的目标是向纳米级进军,而现状是 处于亚微米级水平。 图0-13表示了超精密加工理论基础和应用技术的发展,提出了量子技术、量子能量的利 用,并将和太空技术联系起来 量子的芽)+C的花)中C,的果实)子能的加x成用 原 材料0 1920 图013超精密加工理论基础和应用技术发最 4.4.2向大型化、微型化方向发展 由于航天航空等技术的发展,大型光电子器件要求大型超精密加工设备,如美国研制的加 工直径为24~4m的大型光学器件超精密加工机床。 由于徵型机械、集成电路的发展,超精密加工技术向微型化发展,如微型传感器,微型驱 动元件和动力装置、微型航空航天器件等。 图0-14是利用微细加工技术制作的微型机被及零件,其中图a为对带轮,直径为1mm, 图b为电机,其转子直径约为19m,图c为梳形执行元件,图d为个齿轮,直径为124ym 4.4.3向加工检测一体化发展 由于超精密加工的精度很高,必须发展相应的检测技术才能适应其要求;同时,采用加工 和检测独立进行的方法可能由于安装等误差而不能实现,因此,要采用在位检测方法,使加工 检测一体化 444在检测与误差补偿 超精密加工的精度很高,影响因素多且复杂,进行在线检测、工况监控以确保加工质量及 其稳定性是十分必要的。由于超精密加工的精度很高,加工设备本身的精度有时很难满足要 求,就要采用在线检测和误差补偿的方法来提高精度,保证加工质量的要求。 445新型超精密加工方法的机理 加工机理的研究是新技术的生长点,超精密加工机理涉及微观世界和物质内部结构,所利 用的能源包括机、光、电、声、热、化、磁、原子等,十分广泛。不仅可以采用分离去除加 工,而且可以采用分层堆积加工方法;既可采取单独加工方法,更可采用复合加丁方法。加工 机理的研究往往具有突被性