精密和超精密加工技术论文

概述

精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

    由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实习封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密个超精密加工技术水平提升到世界先进水平。

现状及发展趋势

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。

    美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μ m），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等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。

    在超精密加工技术领域，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）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，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0.1μ m ，表面粗糙度Ra<10nm。

    日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。

    我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025μ m的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。

超精密加工技术发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键十年。

精密加工技术目前面临的研究任务

超精密加工设备及工艺的研究

经过多年的努力，国内超精密加工设备的研制已经初具规模，包括非球面曲面复合加工系统在内的许多设备的指标已经达到或接近世界先进水平，但是从设备的可靠性、可操作性等方面来看还有一定的差距，如何更好地发挥设备的作用，需要进一步的人力、物力投入。例如，本实验室的nanosys-300非球面曲面复合加工设备2003 年5 月交付用户后，一直在生产一线服务，已经加工了多批型号任务零件，从加工精度等方面来说完全能满足用户要求，但是从其他方面，例如可操作性、可靠性等方面还有许多改善余地。所以应加强超精密加工技术可靠性、实用性技术的研究。

复杂曲面超精密加工及检测技术研究

　  非球面零件的应用十分广泛，它可以减轻光学系统重量，提高成像质量，提高系统的可靠性。特别是非轴对成非球面曲面的应用，更是将整个系统的性能大大提升，目前国内还不能加工此类曲面。

大中型非球面曲面超精密加工设备及工艺研究

目前国外对于非球面的加工设备已经部分解禁，如Nanoform250 国内已经进口了几台，但是对于加工口径在300mm 以上的非球面加工设备严格禁运，但是这部分零件数量在某些行业占有相当大的比例，所以尽快研制中大型非球面曲面超精密加工设备已经成为当务之急。包括实验室在内的国内几家单位对非球面曲面超精密加工设备及加工工艺的研究已经有了一定的技术积累，应在此基础上联合力量集中攻关。

非轴对称光学曲面加工设备的研制(五轴CNC超精密加工中心)

非轴对称光学曲面的性能比轴对称非球面曲面更加优越，目前只有美国、俄罗斯能够加工此类产品。国内虽有不少大专院校进行了非轴对称光学曲面各种加工工艺的研究，如用数控抛光、超精密车削等方法，但是还不能真正加工出产品。所以国内应加紧研制五轴CNC 超精密加工中心，并在此基础上进行非轴对称光学曲面加工工艺的研究。