超精密加工技术的发展现状

  发布时间: 2020年11月22日 18:13:05   作者: 广丰能源网

自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后,中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展,很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平,甚至成为世界的顶级水平,但中国制造业总体还是落后的,其落后就在于精密制造的落后。

超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向。

超精密加工技术的发展现状

现代科学技术的发展以试验为基础,所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一,当前超精密加工已进入纳米尺度,纳米制造是超精密加工前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。

超精密加工的发展阶段

目前的超精密加工,以不改变工件材料物理特性为前提,以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗 糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤,包括微裂 纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。

超精密加工的研究内容,即影响超精密加工精度的各种因素包括:超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来,国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。

1)20世纪50年代至80年代,美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术,用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。

2)20世纪80年代至90年代,进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司,日本的东芝和日立,以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下,将超精密加工设备的商品化,开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵,主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床,但其加工效率无法和金刚石车床相比。

3)20世纪90年代后,民用超精密加工技术逐渐成熟。在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下,超精密加工技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。随着超精密加工设备的相关技术,例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟,超精密加工设备成为工业界常见的生产设备。此外,设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工工件的尺寸范围也变得更大,应用越来越广泛。随着数控技术的发展,还出现了超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。

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国外超精密加工的发展情况

超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高,而且商品化的程度也非常高。

美国50年代未发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为“SPDT技术”(Single Point Dia-mond Turning)或“微英寸技术”(1微英寸=0.025μm),并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床,用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。

超精密加工技术的发展现状

金刚石刀具的超精密切削加工

在大型超精密机床方面,美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床:一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床,另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中,LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削,又带有磨头,也可进行超精密磨削,加工工件的形状精度可达0.1μm,表面粗糙度Ra<10 nm。

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