超精密切削加工技术的现状与发展

哈尔滨工业大学金属工艺学课程论文题目：超精密切削加工技术的现状与发展院系：能源学院专业：能源与动力工程专业班级：1402405学号：1140240532姓名：任海杰超精密切削加工技术的现状与发展任海杰哈尔滨工业大学能源学院1402405班1140240532摘要：随着航空、航天、仪表和微电子技术的的发展，对零件的尺寸精度和形位精度及表面粗糙度的要求越来越严格，本世纪六十年代产生了超精密加工技术。超精密切削加工是在传统切削加工的基础上，汇集了大量的新技术所形成的近年来发展较快的一项重要技术，是超精加工技术的一个重要分支。到目前为止，超精密切削加工的尺寸精度已达到1微米以内，表面粗糙度为Ra0.001~0.002。加工平面度低于波长的1/2以下。具有超高精度、高刚度的机床，超精密级的切削刀具，超稳定的切削加工条件是实现超精密切削加工的先决条件。在这里，就结合课上所学知识，对超精密切削加工技术进行详细介绍。关键词：超精密切削加工技术；液体静压导轨；金刚石刀具；1超精密切削加工概况超精密切削以SPDT技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小，可以加工出光洁度极高的镜面。金刚石刀具的优点在于其与有色金属亲和力小，硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利，其刃口圆弧半径可小于0.01微米，实际应用的一般为0.05微米，可加工出优于0.01微米的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件（如空气轴承、气浮导轨等）、高精度的定位检测元件（如光栅、激光检测系统等）以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达0.05微米。加工直径800mm的非球面透镜，形状精度可达0.2微米。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工，随后，加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品（如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等）、陶瓷及复合材料等。2超精密切削加工技术现状超高精度、高刚度的机床是实现超精密切削加工的必备设备.近年来，超精密切削加工机床发展趋势是大型化和超精密化.具有代表性的超精密切削机床有：2.1美国伦斯实验室的DTM-3机床该机床的主轴部件首次采用了高压液体静压轴承，并采用了液体静压导轨。大幅度地提高了机床的动态精度.利用恒温油浴系统来消除机床工作时产生的变形误差，其加工精度可达到0.025μm，运动平直度0.025μm/1000mm.位移误差可以控制在0.013μm/1000mm以内。机床加工最大直径2100mm，工件允重4500kg，从而导致了重型精密机床的新潮流.2.2英国Cranfield大学生产工程研究所研制的大型超精密车床该机床采用立式空气主轴.用于加工大型X射线天体望远境的非球面反射镜，机床回转精度为0.05μm，重复精度达0.1μm，加工零件表面粗糙度为0.05μm，是目前世界上较大的超精密机床之一。2.3日本丰田等公司联合研制的超精密车床该车床主轴，工作台及导轨均采用陶瓷制造，以减轻重量、减少热变形。而床身则采用铁氧体树脂混凝土制造，以提高抗振性和增加重量。并还将液压油温度控制在士0.1℃以内，用以冷却机床的内部结构.试验表明:工作台的运动精度在130mm行程上最大误差为0.03μm。此外，美国劳伦斯国家实验室的BODTM超精密车床。中国北京机床所研制的JCS-027.0.31车床、铣床。沈阳第一机床厂开发的SI-222,235.255型机床的加工精度，加工表面粗糙等指标也达到微米或亚微米级超精加工水平。3影响超精密切削加工质量因素分析超精密切削加工的质量取决于机床的刚度和精度、切削用刀具的精密等级、被加工工件的物理机械性能及其形状和精度的要求，切削加工条件等。根据其加工过程可以列出如图1所示的影响超精密切加工质量因素控制图.由图1可以看出：影响超精密切削加工质量的因素有很多.它们互相影响，相互制约，其切削加工质量的高低则取决于各因素的综合作用效应。图1：影响超精密切削加工质量因果控制图4超精密切削用金刚石刀具的特性及使用条件超精密切削加工最关键的间题是切除极微薄的金属层，也就是超微量切除技术。最小切削量与刀具刀刃钝圆半径有关。其大小主要取决于刀具材料的微观结构。由于金刚石刀具具有硬度高、耐磨性好、刀刃直线度极微小、导热率高、与工件粘合力低等特点，故单晶体金刚石刀具是目前超精密切削中最常用的切削刀具。4.1天然金刚石晶体的激光定向法切削加工实践表明:金刚石刀具前刀面发生破损的概率因其结晶方位不同有108数量级的差异。而金刚石晶体定向的常用方法有目测法和X射线定向法.所谓目测法（亦称为经验定向法）是根据金刚石晶体的外形生长情况确定其结晶方位，定向方法简便，不需借助辅助设备，但定向粗糙，完全依赖于操作者经验，因而很难达到理想的定位精度。而X射线定向法则是利用X射线在晶体中的衍射原理来定向的，这种方法定向精度很高，但由于投入设备费用晶贵，测定程序繁琐，直观感差等缺点，很少应用于生产实际.为提高金刚石刀具的耐用度及其刃磨工艺性，1985年中国哈尔滨工业大学袁哲俊教授在世界上首先将激光技术引入金刚石晶体的激光定向理论与方法.其原理是当激光束射在金刚石的不同晶面上时，会产生不同的两叶、三叶、四叶反衍射图形，从而可确定其面网的空间位置.这种方法简单、实用、投资少、对人体无害.尤其适合推广到实际场合使用。1990年日本大坂市立大学上神谦次郎教授将Mercator表示方法引入单晶金刚石刀具结晶方向的确定上(如图2所示)。并用该方法所测定的金刚石刀具对铜、黄铜及铝合金等进行了实际切削实验。得出了许多重要结论.该方法为金刚石刀具的广泛应用开辟了新的途径。图2：金刚石晶体参考球及Mercator图4.2金刚石刀具刀尖钝回半径r的测定随着近年来超精密切削加工技术的迅速发展，测量金刚石刀具刀尖钝圆半径r的新方法也相继出现。日本东芝机床公司用两个辅助电子检测器，分别放在射线束的两边，建立了一个用扫描电子显微镜测量刀具刀尖钝圆半径r的系统。大阪金刚石公司的也用扫描电子显微镜对金刚石刀具刀尖钝圆半径r进行测定，他们从金刚石阴极发光所显示出的不同颜色、不同发光强度的区域来判定r的数值，其测量值可在20nm以下.但应用此方法必项将刀具从小刀架上卸下来才能测定。为克服这一弊端，日本横滨国立大学中山一雄教授等提出了用银线复映法来测量金刚右刀具的刀尖钝圆半径r值的新方法。其原理见图3。应用该测定方法可直接测量出刀具的刀尖钝圆半径r的值。其测定值可以达到0.07μm左右。它的提出把自动化、高精度切削加工中刀具的测定实用化向前推进了一大步。图3银线复映法测量系统5尚待解决的问题及发展前景经过近三十年的努力，超精密切削加工技术应用领域已从航天、航空、军事工业逐渐转向民用工业。被加工材料也从铜和铜的合金、铝和铝的合金逐渐转向黑色金属及难加工材料方向扩展。切削加工精度、切削效率在逐步提高，加工范围在不断扩大。但尚有一些极待解决的难题：5.1闭环数控超精密切削机床的开发随着超精加工的领域不断扩大，现有机床的刚度、精度、微进给装置、高速响应性能等均存在着一些极待解决的间题.迫切需要开发出装有0.O1微米以下的激光干涉仪，具有纳米级分辨率的压电式微量进给机构，高速响应性能优越的高分辨率伺服电机，以及无间隙传动机构等装置的超精密自动化加工机床.5.2超光滑表面形成机理的研究尽管对被加工工件材料的晶体异向性和金刚石刀具刃口质量等因素对超光滑表面的形成机理的影响进行了一些有意义的研究，但由于种种原因.对超光滑表面机理的认识尚不够深凡如何改养披加工工件材料的切削加工性，提高金刚石刀具刃口刃磨质量等尚有待于进一步探讨。5.3黑色金属及难加工材料的超精密切削加工金刚石刀具性脆、韧性差，对铁的亲和作用大，在700}C-800℃时极易碳化.虽然有些学者曾试用甲烷等富碳气体或氮气等气体保护下进行了黑色金属的超低温精密切削加工，也取得了一定的效果，但金刚石刀具在黑色金属材料的超精密切削加工中仍未获得广泛应用.有待于创造出良好的超精加工稳定条件的切削气氛，研究用金刚石刀具切削黑色金属及难加工材料的新工艺、新技术、新方法，拓宽金刚石刀具的加工范围和应用领域。5.4金刚石刀具几何参数和切削用量的优化金刚石刀具硬度高、耐磨损性能稳定，但加工工艺性能差.目前还很难将其做成其它普通切削刀具的形状和几何参数，其切削用量亦受到机床、工艺系统的稳定性、刀具的抗振性能等的限制，切削加工效率还很低.有待于开发出制造、刃磨、检测金则石刀具质量新技术和新方法，使金刚石刀具在生产实际中得到更加广泛的应用.超精密切削加工技术是发展较快的一门新技术.可以预料，今后的发展目标必然是高效率、高质量、低成本，逐渐地实现超精密加工技术的民用化、商品化.随着科学技术的不断进步，超精密切削加毛技术必将获得新的更大的发展。参考文献：[1]TUShiOKASAI超精密加工技术一最近的话题.机械研究1989N’11’[2]A.T.CollinsTheScienceandTechnologyoftheNewDiamordIndustrialDiamordRiciew1989N’1[3]金志浩，高积强，乔冠军.工程陶瓷材料[M].西安交通大学出版社，2000.[4]袁巨龙.功能陶瓷的超精密加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2000.[5]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部学科发展战略研究报告(2006年一2010年)一一机械与制造科学[M].北京：科学出版社，2006.[6]土志标，杨辉超精密加工技术在新形势下而临的任务[J].航空精密制造技术，2004,40(3):1-5