超精密加工領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分析比較

1、超精密加工領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分析比較摘要:超精密加工技術(shù)的發(fā)展程度決定了我國(guó)綜合國(guó)力的發(fā)展步速，因此正確、直觀、深入的了解超精密加工的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r并進(jìn)行分析比較，對(duì)于加快我國(guó)工業(yè)發(fā)展是十分必要和重要的。關(guān)鍵詞:超精密加工；國(guó)內(nèi)外；分析比較前言：超精密加工的技術(shù)范疇 由于加工技術(shù)水平的發(fā)展，超精密加工劃分的界限逐漸向前推移，但在具體數(shù)值上沒有固定的界定。根據(jù)目前技術(shù)水平及國(guó)內(nèi)外專家的看法，對(duì)中小型零件的加工形狀誤差和表面粗糙度Ra的數(shù)量級(jí)可分為以下檔次。精密加工:=1。00。1 m，Ra=0。10。03 m；超精密加工：=0。10。01 m，Ra=0。030。005 m；納微米加工：0。01

2、m，Ra0。005 m。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工技術(shù)日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微細(xì)加工、超精密計(jì)量等，并向更高層次發(fā)展。超精密加工的影響因素很多，只有廣泛研究和綜合采用各種新技術(shù)，并在各方面精益求精，才能突破目前常規(guī)加工技術(shù)不能達(dá)到的精度界限。實(shí)現(xiàn)超精密切削加工的條件主要包括超精密加工機(jī)床、超精密切削刀具、超精密加工環(huán)境、超精密加工的工件材質(zhì)、超精密加工用夾具和超精密測(cè)控技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。超精密加工技術(shù)實(shí)際上就是這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，所需試驗(yàn)儀器和設(shè)備幾乎無一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。主體：1. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及比較分析1

3、.1 國(guó)際上本領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r 超精密加工發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，超精密加工已不再是一種孤立的加工方法和單純的工藝問題，而成為一項(xiàng)包含內(nèi)容極其廣泛的系統(tǒng)工程。影響超精密加工精度的主要因素包括：超精密機(jī)床、超精密加工工具（刀具、磨具、磨料等）、超精密加工工藝、被加工材料、夾具、在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境（包括恒溫、隔振、潔凈控制等）。只有將各個(gè)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就集成起來，才有可能實(shí)現(xiàn)超精密加工。1.1.1 國(guó)際上本領(lǐng)域基礎(chǔ)研究發(fā)展?fàn)顩r超精密加工是以每個(gè)加工點(diǎn)局部的材料微觀變形或去除作用的總和所體現(xiàn)的。其加工機(jī)理隨著加工單位（加工應(yīng)力作用的范圍）和工件材料的不均質(zhì)程度（材料缺陷或因加工

4、產(chǎn)生缺陷）不同而異，若在硬脆材料（如陶瓷、硅單晶等）表面用金剛石刃頭劃個(gè)刻痕，硬脆材料則發(fā)生脆性破壞，在材料表面殘留無數(shù)微裂紋。由壓入所引起的變形破壞范圍的模型為壓痕半徑，Rs 為表面上裂紋長(zhǎng)度，c 為彈性變形范圍的邊界。根據(jù)這一模型，就可以解釋為什么脆性材料磨削過程中不僅有帶裂紋的磨痕，同時(shí)還摻雜一些由塑性變形而引起的磨痕。但若在磨削及拋光時(shí)將加工單位減小，那么就成了因滑移而產(chǎn)生塑性變形的破壞方式來進(jìn)行加工。雖然，塑性域加工可獲得與拋光相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?，但亞表面損傷（如位錯(cuò)、滑移等）較大。若將加工單位進(jìn)一步減小至分子或原子級(jí)單位，在材料彈性域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)加工，這時(shí)材料的化學(xué)性能將支配著加工，就

5、可能進(jìn)行無損傷加工。當(dāng)加工尺度達(dá)到納米級(jí)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列介觀物理現(xiàn)象，如：小尺度效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，此時(shí)再用宏觀的切削原理來描述加工過程和各種介觀現(xiàn)象，解釋表面形成機(jī)理已力不從心，必須用分子動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、原子物理等近代基礎(chǔ)理論來研究這一加工過程，進(jìn)而建立納米級(jí)加工過程的理論，指導(dǎo)納米級(jí)超精密切削加工實(shí)踐。分子動(dòng)力學(xué)仿真不受加工設(shè)備、加工條件的限制，可以根據(jù)需要改變加工條件、材料特性及刀具幾何形狀的設(shè)定。因此，基于分子動(dòng)力學(xué)的納米切削機(jī)理的研究受到研究人員的廣泛重視。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾（Lawrence livermore, L L）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與日本大阪大學(xué)合作于 1986 年在世界上成功

6、實(shí)現(xiàn)了切削厚度為1nm 的穩(wěn)定切削試驗(yàn)，并于 20 世紀(jì) 80 年代末首先由美國(guó) LL的學(xué)者開始應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)來模擬納米切削過程，之后日本等其他國(guó)家學(xué)者也開展了這方面的研究，我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究。但是目前的納米切削機(jī)理的分子動(dòng)力學(xué)研究由于計(jì)算尺度的限制，存在著被分析的原子數(shù)量少、對(duì)象材料單一（大多是理想的無缺陷的單晶材料，對(duì)多晶材料的研究很少）、僅局限在加工表面的幾何特性、機(jī)械特性等問題，還無法廣泛地對(duì)實(shí)際的納米切削加工機(jī)理進(jìn)行合理解釋，無法與實(shí)際切削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。因此，還需要從微觀力學(xué)角度研究材料去除機(jī)理，創(chuàng)立新的納米級(jí)切削加工及切削表面形成機(jī)理等理論體系，

7、建立準(zhǔn)確的納米級(jí)加工理論模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際納米級(jí)超精密切削加工技術(shù)的理論指導(dǎo)。2. 我國(guó)與國(guó)際本領(lǐng)域發(fā)展水平的差距（1）機(jī)床的總體性能：對(duì)于一些復(fù)雜形狀的零件加工，需要兩軸以上的超精密機(jī)床才能完成，例如Precitech公司和Moore公司已商品化生產(chǎn)五軸超精密切削機(jī)床，而國(guó)內(nèi)的金剛石切削機(jī)床目前只做到了兩軸。（2）綜合精度指標(biāo)及穩(wěn)定性：國(guó)內(nèi)研制的超精密切削加工設(shè)備無論從主軸還是導(dǎo)軌的單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外商品相比已經(jīng)接近，但是從設(shè)備的總體技術(shù)指標(biāo)來看還有一定的差距。Precitech 公司的Nanoform200 加工工件的精度 P-V0。15 m/75mm，表 面 粗 糙 度 Ra2 nm

8、；Moore 公 司 的Nanotech200 加工工件面型精度 P-V0。05 m/15mm，表面粗糙度 Ra1。0 nm。國(guó)內(nèi)加工機(jī)床的面型精度雖然也可以達(dá)到亞微米級(jí)，但是對(duì)加工條件要求苛刻，更重要的是不能穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)的面型精度。（3）控制系統(tǒng)方面，與國(guó)外成熟先進(jìn)的控制系統(tǒng)等存在著較大的差距。摩爾公司的自行開發(fā)的Delta Tau 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，Precitech 公司自行開發(fā)的Control System 等，都已經(jīng)在本公司生產(chǎn)的機(jī)床上得到了很好的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研制的超精密機(jī)床中的控制系統(tǒng)有的是自行開發(fā)的，也有的是直接采用引進(jìn)的通用型數(shù)控系統(tǒng)，無論是從控制系統(tǒng)的性能還是軟件等方面都存在

9、著較大的差距。（4）超精密加工設(shè)備的可靠性：國(guó)外超精密加工設(shè)備的商品化已經(jīng)二十多年，產(chǎn)品的成熟度和可靠性非常高。而國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)研究單位只是進(jìn)行了一輪樣機(jī)的研制，還有很多基礎(chǔ)技術(shù)不成熟，設(shè)備可靠性差。（5）外觀造型設(shè)計(jì)、人性化設(shè)計(jì)：這方面國(guó)產(chǎn)設(shè)備與國(guó)際先進(jìn)設(shè)備相比差距較大。（6）機(jī)床附屬功能：國(guó)外超精密加工設(shè)備上都有一些配帶有必須的附件和功能可使普通操作者就能夠方便地實(shí)現(xiàn)零件的加工，如刀具測(cè)量和刀具調(diào)整系統(tǒng)、工件誤差在位測(cè)量補(bǔ)償系統(tǒng)等。而國(guó)內(nèi)研制的這些超精密加工設(shè)備大多只能依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能實(shí)現(xiàn)基本的加工功能。國(guó)外商品化機(jī)床都配有精度補(bǔ)償軟件。我國(guó)因超精密加工工藝研究和有關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究還不

10、夠，尚無相應(yīng)精度補(bǔ)償軟件。（7）基礎(chǔ)元部件：國(guó)外超精密基礎(chǔ)元部件都有專業(yè)的生產(chǎn)廠商，如 Loadpoint 專業(yè)生產(chǎn)超精密主軸、超精密導(dǎo)軌等，已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、光柵等元部件國(guó)內(nèi)還無法解決，只能依賴于進(jìn)口，但又受到種種限制。（8）機(jī)床的集成技術(shù)：從高精度零件的加工，主軸導(dǎo)軌等部件的裝配，乃至到整臺(tái)設(shè)備的裝配及系統(tǒng)調(diào)試，都存在著較大的差距。還沒有擺脫高端裝備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口或重大專用設(shè)備因遭受外國(guó)禁運(yùn)而受制于人的局面。雖然國(guó)內(nèi)的超精密拋光技術(shù)取得了一些成績(jī)，但是與國(guó)外相比差距還很大。國(guó)內(nèi)主要以大學(xué)的研究為主，真正的商品化應(yīng)用實(shí)例還不多。而國(guó)外的超精密拋光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化比較好，多數(shù)為

11、大學(xué)與公司合作的形式，能夠迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力?？梢?，當(dāng)前我國(guó)超精密加工機(jī)床存在的突出問題是：自主開發(fā)能力薄弱，專業(yè)化的配套體系尚未形成，功能部件發(fā)展滯后，產(chǎn)品自動(dòng)化水平低，可靠性、精度保持性差?？偨Y(jié)：本領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)和預(yù)測(cè)隨著超精密加工技術(shù)在民品中的廣泛應(yīng)用，加工的高精度、高質(zhì)量、高效率、低成本以及批量加工的一致性顯得越來越重要。今后，超精密切削和磨削將追隨著超精密拋光的高精度、高質(zhì)量，同時(shí)，超精密拋光在追隨切削和磨削高效率的同時(shí)，向切削磨削加工難以達(dá)到的更高精度和質(zhì)量發(fā)展。當(dāng)前超精密加工技術(shù)如 CMP、EEM 等雖能獲得極高的表面質(zhì)量和表面完整性，但加工效率不高。超精密切削、磨削技術(shù)雖然加工效率高，但無法獲得如 CMP、EEM 的加工精度和表面質(zhì)量。探索能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工領(lǐng)域研究人員追求的目標(biāo)。CMG、SFAM 方法的出現(xiàn)即體現(xiàn)了這一趨勢(shì)，另一方面表現(xiàn)為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法的誕生。超精密加工技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是： 大型化、微小型化、