精密和超精密加工技術(shù)的新進(jìn)展

1．概述精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到一個(gè)國家技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對(duì)此都極為重視，投入很大力量進(jìn)行研究開發(fā)，同時(shí)實(shí)行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導(dǎo)平臺(tái)、光學(xué)和激光等技術(shù)的迅速發(fā)展和多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種高精度復(fù)雜零件、光學(xué)零件、高精度平面、曲面和復(fù)雜形狀的加工需求日益迫切。目前國外已開發(fā)了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機(jī)床設(shè)備，發(fā)展了新的精密加工和精密測(cè)量技術(shù)。我國目前已是一個(gè)“制造大國”，制造業(yè)規(guī)模名列*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(jī)床設(shè)備制造方面也取得了不小進(jìn)展。但我國還不是一個(gè)“制造強(qiáng)國”，與發(fā)達(dá)國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機(jī)電產(chǎn)品出口，但多數(shù)是技術(shù)含量較低、價(jià)格亦較便宜的中低檔產(chǎn)品；而從國外進(jìn)口的則大多是技術(shù)含量高、價(jià)格昂貴的產(chǎn)品。目前我國每年需進(jìn)口大量國內(nèi)尚不能生產(chǎn)的精密數(shù)控機(jī)床設(shè)備和儀器，例如，2003年我國進(jìn)口了價(jià)值41.6億美元的機(jī)床，而出口機(jī)床僅為3.8億美元，且主要為低精度的普通機(jī)床。 2004年我國進(jìn)口機(jī)床為57.8億美元，出口機(jī)床僅為5.2億美元。2005年我國機(jī)床總產(chǎn)值約為50億美元，出口機(jī)床為8億美元，而進(jìn)口機(jī)床則達(dá)到 67億美元。由于國外一些重要的高精度機(jī)床設(shè)備和儀器對(duì)我國實(shí)行封鎖禁運(yùn)，而這些精密設(shè)備儀器正是我國發(fā)展國防工業(yè)和技術(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(zhēng)取盡快將我國的精密和超精密加工技術(shù)水平提升到*水平。下面對(duì)國內(nèi)外精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展情況介紹如下。 2．精密機(jī)床技術(shù)的發(fā)展精密機(jī)床是精密加工的基礎(chǔ)。當(dāng)今精密機(jī)床技術(shù)的發(fā)展方向是：在繼續(xù)提高精度的基礎(chǔ)上，采用高速切削以提高加工效率，同時(shí)采用*數(shù)控技術(shù)提高其自動(dòng)化水平。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)臥式坐標(biāo)鏜床*，該公司生產(chǎn)的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數(shù)控系統(tǒng)，成為一臺(tái)加工中心；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)高速切削，已將機(jī)床主軸的zui高轉(zhuǎn)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zui高轉(zhuǎn)速為42000r/min，定位精度達(dá) 5μm，已達(dá)到過去坐標(biāo)鏜床的精度。從這兩臺(tái)機(jī)床的性能可以看出，現(xiàn)在的加工中心與高速切削機(jī)床之間已不再有嚴(yán)格的界限劃分。 3．使用金剛石刀具的超精密切削技術(shù) 3.1超精密切削技術(shù)的進(jìn)展金剛石刀具超精密切削技術(shù)是超精密加工技術(shù)的一個(gè)重要組成部份，不少國防產(chǎn)品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)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(jī)床上進(jìn)行超精密切削，可以加工出光潔度*的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小，zui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(duì)刃口的測(cè)量極為困難，現(xiàn)在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進(jìn)行測(cè)量。 3.2 超精密切削機(jī)理的研究對(duì)超精密切削機(jī)理的研究近年來有了不少進(jìn)展。例如，超精密切削脆性材料時(shí)，加工表面可以不產(chǎn)生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時(shí)脆性材料塑性切除的脆塑轉(zhuǎn)換問題，zui近對(duì)此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，開始時(shí)切削厚度甚小，切除機(jī)理為塑性去除，加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉(zhuǎn)化為脆性破裂去除，加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。目前，使用計(jì)算機(jī)仿真和分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法對(duì)超精密切削過程及機(jī)理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對(duì)極薄層材料切削去除機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以對(duì)超精密切削效果作出比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。由超精密切削所形成加工表面的計(jì)算機(jī)仿真模擬預(yù)測(cè)和計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)超精密切削單晶鋁不同晶面時(shí)的切削力可以看到，由于晶體的各向異性，導(dǎo)致在不同方向的切削力是不相等的。利用對(duì)超精密切削過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以對(duì)超精密切削極薄層材料的動(dòng)態(tài)切除過程進(jìn)行觀察和分析，并能對(duì)切除過程進(jìn)行動(dòng)畫演示。