超精密加工与超高速加工技术现状及国内外发展趋势

超精密加工与超高速加工技术现状及国内外发展趋势
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1.超高速加工
工业发达国家对超高速加工的研究起步早,水平高。在此项技术中,处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。
在超高速加工技术中,超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件,超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法,精密塑胶模具而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前,刀具材料已从碳素钢和合金工具钢,经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料,发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼(CBN)。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等,美国G.E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功,60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s,有的可达150m/s,而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为,随着新刀具(磨具)材料的不断发展,每隔十年切削速度要提高一倍,亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。
在超高速切削技术方面,1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床,最高转速达到了20000rpm。特别引人注目的是,联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究,对各种金属和非金属材料进行高速切削试验,联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作,自八十年代中后期以来,商品化的超高速切削机床不断出现,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000~40000r/min,工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。
在高速和超高速磨削技术方面,人们开发了高速、超高速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削(即HEDG)、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削,这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床,Vs达到140~160m/s。德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果,并积极在铝合金、钛合金、因康镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。德国Bosch公司应用CBN砂轮高速磨削加工齿轮齿形,采用电镀CBN砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺,加工16MnCr5材料的齿轮齿形,Vs=155m/s,其Q'达到811mm3/mm.s,德国Kapp公司应用高速深磨加工泵类零件深槽,工件材料为100Cr6轴承钢,采用电镀CBN砂轮,Vs达到300m/s,其Q`=140mm3/mm.s,磨削加工中,可将淬火后的叶片泵转子10个一次装夹,一次磨出转子槽,磨削时工件进给速度为1.2m/min,平均每个转子加工工时只需10秒钟,槽宽精度可保证在2µ m,一个砂轮可加工1300个工件。目前日本工业实用磨削速度已达200m/s,美国Conneticut大学磨削研究中心,1996年其无心外圆高速磨床上,最高砂轮磨削速度达250m/s。
近年来,我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究,但总体水平同国外尚有较大差距,必须急起直追。
2.超精密加工
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Ø2100mm、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。