超精密加工技术浅析

优胜编程龚老师

超精密加工技术浅析：



1、概述
　　目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是lμm，与此相应，通常将加工精度在0.1—1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02—0.1μm之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01pm的加工方法称为超精密加工。
　　现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要的原因在于:提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性;促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
　　超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要地位。例如:对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备【1】。例如:美国民兵m型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.03°一0.05°/h，其命中精度的圆概误差为500m，而MX战略导弹(可装载10个核弹头)制导系统陀螺仪比民兵m型导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有50~150m。如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。惯性仪表中有许多零件的制造精度都要求达到小于微米级。例如:激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03一0.06μm，表面粗糙度为0.012pm以下，反射率为99.8%。人造卫星的仪表轴承是真空无润滑的轴承，其孔和轴的表面粗糙度达到Rmax=1nm(0.001协m)，其圆度和圆柱度均以nm为单位。雷达的关键元件波导管，其品质因数与内表面的粗糙度有很大关系。内腔表面粗糙度值越小越好。其端面要求有很小的粗糙度、垂直度、平面度值。采用超精密车削，波导管内腔表面粗糙度可达到Ra0.01一0.02μm或0.01μm，端面粗糙度可达华0.01pm，平面度小于0.1μm，垂直度小于0.1μm，可使波导管的品质因数值达到6000，而用一般方法生产的只能达到2000一4000。红外探测器中接收红外线的反射镜是红外导弹的关键性零件，其加工质量的好坏决定了导弹的命中率。只有采用超精密车削，方能满足上述要求【2】。
　　又如，己被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制亿万公里远星球图像的哈勃望远镜(HST)，其一次镜要求使用直径2.4m，重达900kg的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了超精密加工(形状精度为0.01μ m)光学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机。由于HST计划的实施，大大促进了硬脆材料的超精密加工技术，发展了能反馈加工精度信号的CNC研磨加工技术【3】。从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才能制造精密陀螺仪、精密雷达、超小型电子计算机及其它尖端产品。
　　2、发展现状
　　在过去相当的一段时期，精密加工，特别是超精密加工的应用范围很狭窄。近几年来，随着科学技术和人们生活水平的提高，精密和超精密加工不仅进入了国民经济和人民生活的各个领域，而且从单件小批生产方式走向大批量的产品生产。例如:磁带录像机的磁鼓加工精度要求很高，是超精密加工的典型零件，而录像机的产量在1985年已达到3300万台。在机械制造行业，己经改变了过去那种将精密机床放在后方车间，仅用于加工工具，卡具，量具的陈规。现在，工业发达国家已经将精密机床搬到前方车间，直接用于产品零件的加工。
　　超精密加工走向大批量产品生产的事实使人们不得不正视长期以来一直被忽视的问题:成本和效率，现代超精密加工不仅需要达到极高的加工精度和表面质量，同时应该保证成本低，效率高，成品率高。这对精密和超精密加工提出了更加严格的要求。
　　我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人手艺，因而废品率极高。例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达23亿多美元(主要是精密机床和数控机床)，相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机床机械和仪器国外还对我们禁运。
　　3、展望
　　这些都说明我国必须大力发展精密和超精密加工技术。精密和超精密加工目前包含三个领域:
　　1)精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面，它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。
　　2)精密和超精密磨削研磨，例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。
　　3)精密特种加工，如电子束，离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。
　　根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，我国应开发超精密技术基础的研究，其主要内容包括以下五个方面：:
　　1）超精密切削、磨削、研抛的基本理论和工艺;
　　2）超精密设备的精度，动特性和热稳定性;
　　3）超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿;