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中國未來在精密和超精密加工技術上應該有發展

  國目前已是一個“製造大國”,製造業規模名列世界第四位,僅次於美國、日本和德國,近年來在精密加工技術和精密機床設備製造方麵也取得了不小進展。但我國還不是一個“製造強國”,與發達國外相比仍有較大差距。目前國外已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備,發展了新的精密加工和精密測量技術。為了使我國的國防和科技發展不受製於人,AG官网平台必須投入必要的人力物力,自主發展精密和超精密加工技術,爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下麵對國內外精密和超精密加工技術的最新發展情況介紹如下。

  精密機床技術的發展

  精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發展方向是:在繼續提高精度的基礎上,采用高速切削以提高加工效率,同時采用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名於世,該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控係統,成為一台加工中心;同時為實現高速切削,已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min,定位精度達 5μm,已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩台機床的性能可以看出,現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。

  使用金剛石刀具的超精密切削技術

  超精密切削技術的進展

  金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份,不少國防尖端產品零件(如陀螺儀、各種平麵及曲麵反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光係統中的多種零件等)都需要利用金剛石超精密切削來加工。

  使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削,可以加工出光潔度極高的鏡麵。超精密切削的切削厚度可極小,最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳,刃口半徑在0.5~0.01μm。因刃口半徑甚小,過去對刃口的測量極為困難,現在已可用原子力顯微鏡(AFM)方便地進行測量。

  超精密切削機理的研究

  對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如,超精密切削脆性材料時,加工表麵可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡麵,這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題,最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見,開始時切削厚度甚小,切除機理為塑性去除,加工表麵無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大,塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除,加工表麵可見到明顯的脆性破損痕跡。

  目前,使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果,一方麵深化了對極薄層材料切削去除機理的認識,同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表麵的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶麵時的切削力可以看到,由於晶體的各向異性,導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬,可以對超精密切削極薄層材料的動態切除過程進行觀察和分析,並能對切除過程進行動畫演示。

  新的金剛石刀具晶體定向方法

  由於金剛石硬度極高,且晶體各向異性,因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。製造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向,過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀,儀器昂貴,且定向操作相當繁瑣。哈爾濱工業大學成功開發了一種新的激光晶體定向方法,所用設備較簡單,且定向操作方便,可使金剛石晶體定向大大簡化。

  超精密加工機床的進展

  國外超精密機床的發展情況

  研發超精密機床是發展超精密加工的重要前提條件。近年來發達國家已成功開發了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發展方向是:進一步提高超精密機床的精度,發展大型超精密機床,發展多功能和高效專用超精密機床。

  美、英、德等國在上世紀七十年代(日本在八十年代)即開始生產超精密機床產品,並可批量供貨。在大型超精密機床方麵,美國的LLL國家實驗室於1986年研製成功兩台大型超精金剛石車床:一台為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床,另一台為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床。其中,LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國後來又研製出大型6軸數控精密研磨機,用於大型光學反射鏡的精密研磨加工。

  英國的Cranfield精密加工中心於1991年研製成功OAGM-2500多功能三坐標聯動數控磨床(工作台麵積2500mm×2500mm),可加工(磨削、車削)和測量精密自由曲麵。該機床采用加工件拚合方法,還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

  日本的多功能和高效專用超精密機床發展較快,對日本微電子和家電工業的發展起到了很好的促進作用。

  我國超精密機床的發展情況

  在過去相當長一段時期,由於受到西方國家的禁運限製,我國進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製成功後,西方國家馬上對我國開禁,我國現在已經進口了多台超精密機床。

  我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學等單位現在已能生產若幹種超精密數控金剛石機床,如北京機床研究所研製的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業大學研製的超精密車床,這兩台機床均有兩坐標精密數控係統和兩坐標激光在線測量係統,可以加工非球回轉曲麵;還有哈爾濱工業大學研製了加工KDP晶體大平麵的超精密銑床。KDP晶體可用於光學倍頻,是大功率激光係統中的重要元件。必須承認,在超?密機床技術方麵,AG官网平台與國外先進水平相比還有相當大的差距,國產超精密機床的質量水平尚待進一步提高。

  在大型超精密機床方麵,目前美、英、俄等國都擁有自行開發的大型超精密機床,而我國由於沒有大型超精密機床,因此無法加工大直徑曲麵反射鏡等大型超精密零件,國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限製,從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發展。現在我國正在加緊研製加工直徑1m以上的立式超精密機床。

  在多功能和高效專用超精密機床方麵,目前我國基本上仍是空白。