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1、16Defense Manufacturing Technology | 2009. 06. 第3期COVER STORY封 面 故 事李圣怡 1946年生，现任国防科技大学机 电工程与自动化学院教授、博士生导师，总装先进制造技术专业组成员，国家自然科学基金第12届学科评审组成员，国家重大基础研究（973）技术首席专家。专业方向为超精密加工，光学加工与微系统制造技术。超精密加工技术成就现代国防 超精密加工技术的诞生源自于美国20世纪60年初代为核弹制造和研发开发的单点金刚石刀具镜面切削工艺。1962年美国Union Carbide公司研制出第一台超精密半球面金刚石车床，80年代美国Union
2、Carbide公司，Moore公司和美国空军兵器研究所为加工直径为800mm、形状精度为0.1m的大型球面光学零件，制定了一个著名的超精密加工的规划POMA（Point One Micrometer Accuracy） 。1983年，美国LLNL和Union Carbide公司Y-12工厂联合研制成功DTM-3型84“大型超精密机床，1984年又研制成功的大型64“超精密金刚石车床LODTM，都是超精密加工技术发展过程中的里程碑事件。现在，超精密加工技术己成为武器装备精密化发展的关键核心技术。现代高技术立体信息战中核心是精确打击，无论是侦察卫星、通讯卫星、各类导弹、智能炸弹、强激光武器、激光核
3、聚变、精密雷达、超小型计算机，还是夜视仪、单兵通讯系统等新型武器装备，无一不是需要精密和超精密加工技术才能制造出来的。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。超精密加工的内涵精密和超精密加工技术在精密等级的划分是随着科学技术的发展水平动态变化的，其中超精密加工技术是以高精度为目标的技国防科技大学机电工程与自动化学院 李圣怡COVER STORY封 面 故 事超精加工技术具有单项技术的极限、常规技术的突破和新技术综合 三个方面永无止尽的追求的特点。作为武器装备精密化发展的关键核心技 术，超精密加工技术对国防制造意味着什么？世界超
4、精密加工目前又有了 哪些最新发展成果和产业化动态？172009. 06. 第3期| Defense Manufacturing Technology术，在不同的历史时期和不同的技术水平下，超精密加工在有不同的定义。一般认为，加工精度亚微米，粗糙度优于百分之几微米的为超精密加工，更严格的说，尺寸精度为IT-1（在100左右时为0.25m，粗糙度为Ra0.025m）或更高的为超精加工技术。例如，上世纪末日本精机学会精密机床研究专业委员会对机床的加工精度标准提出了补充IT-1和IT-2两个等级。表1是该补充后标准的具体内容，可看到比原来的最高精度等级IT0提高了很多。从表1可以看出以亚微米为单位的加
5、工精度是0级以上精度，表1数据表明，主轴的回转误差仅为工件尺寸精度的四分之一左右，走刀运动的直线度与工件的圆柱度和平面度处于同一数量级，主轴的跳动量与工件的圆度处于同一数量级，表面粗糙度比尺寸精度高一个数量级。进入21世纪， “纳米精度”成为了超精密加工技术发展的趋势，正如美国诺贝尔奖获得者罗勒（H.Rohrer）说 ： “微米成为新的精度标准并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样地，未来的技术将属于那些以纳米作为精度标准、并首先学习和使用它的国家” 。 150年前，微米成为新的精度标准，推动了欧洲工业大革命，而当时我们中国仍处于“长木
6、匠，短铁匠”的无工业标准的手工作坊阶段，其结果是英国人的坚船利炮打开中国闭关锁国的大门，使中国沦为半殖民地的地位。这一历史的教训我们不可忘记。我们通常把0.1100m称之为微米量级，0.11m称之为亚微米量级，0.1100nm称之为纳米量级。所谓纳米精度制造，是指工件的尺寸或面形精度进入纳米量级，表面粗糙度优于几纳米甚至亚纳米。另一个特征是:在极大尺度和极小尺度范围内达到纳米精度制造。例如， 大型光学镜面， 其直径可达数米，但面形精度要求达到16nm（rms）左右，表面粗糙度1nm，其尺度精度比高达10-9，其难度是很大的。对于小尺度部件， 本身是厘米、毫米甚至微米级尺度，尽管尺度精度比并不高
7、，但加工的难度也很高。超精密加工技术的分类超精密加工技术有很多分类方法，如果以是否遵循误差复印（error copy）的原则来划分，可简单地分为两大类。以金刚石单点超精密车削（Single Point Diamond Turning， SPDT）加工技术为代表的超精密切削加工技术为遵循误差复印原则的一大类。所谓遵循误差复印原则，即机床运动与振动误差将复印在工件上，刀具形状误差也会以切削残留的方式复印在工件表面。金刚石单点超精密车削是典型的例子。在这一大类中还有超精密镗、铣和超精密磨削技术，它们可能是多点、多刃加工技术，它们都遵哈挺RS 超精密多任务CNC车床哈挺的RS超精密型特殊的设计和结构特
8、性，超级精度和表面光洁度。超精密RS车床特别适合淬硬车削，经常能够达到所需的加工精度和表面光洁度，减少磨削工序。 特性包含 ： 特殊精度主轴， 保证0.00038mm以内的圆度 X轴和Z轴配备线性光栅尺，保证长时间大批量的高性能加工 提供实际加工零件作为加工精度的证书 编程分辨率和补偿分辨率为0.0001mm 表1 日本精机学会精密机床分会提出的精加工等级(m)精度等级IT2IT1IT0IT-1IT-2零件 (基本尺寸1030mm)尺寸精度2.51.250.750.30.25圆度0.70.30.20.120.06圆柱度1.250.630.380.250.13平面度1.250.630.380.2
9、50.13表面粗糙度0.20.070.050.030.01机床主轴跳动0.70.30.20.120.06运动直线度1.250.630.380.250.1318Defense Manufacturing Technology | 2009. 06. 第3期COVER STORY封 面 故 事循误差复印原则，都必须用超精密机床来完成。正因为有这一特征，国外许多公司已将超精密车削、磨削、研磨及抛光加工集成一体，成为复合超精密加工机床。Rank Pneumo公司生产的Nanofrom600、CUPE研制的Nanocenter以及Precitech公司的Nanofrom600G五轴超精密加工中心都具有以
10、上加工功能，这样可以使非球面零件的加工更加灵活。非误差复印原则类的超精密加工技术，如研磨、衍磨类超精密研磨、研抛加工技术，其去除原理与切削加工不同。如光学研抛采用附有沥清、研抛布、树脂等柔性的机械研磨盘和游离磨料对零件表面进行加工，实现材料去除量很小的超精密形面误差修整、表面光滑及表面、亚表面缺陷去除。由于研磨、研抛加工的机床运动用埃马克机床进行小型盘类零件的精密加工零部件体积越来越小，而精密性要求却越来越高。为顺应这种趋势的发展要求，埃马克公司（EMAG）研发了模块化结构的机床系列VG 110。VG系列倒立式机床是EMAG公司专为加工小型和特小型工件而设计的。VG 110是一台生产用磨床，用
11、于批量加工高精密零件，可以实现内圆磨、外圆磨、非圆磨以及硬车 + 磨削的组合加工工艺。机床占地面积只有5.3m2，可加工工件直径为260mm， 可 夹紧的工件长度为125mm，最大加工长度为60mm。机床的结构特点VG系列机床的床身由高级聚合物浇铸而成，具有热稳定性好、抗震性强的特点。X轴和Z轴分开，所以加工小型工件时，加工精度很高。垂直的Z轴由直线电机驱动，因此磨削主轴的串动幅度快而短。在立式机床布置中，对加工精度起着决定性作用的X轴脱离出加工区。测量系统分辨率极高，而且安装在距加工区只有100mm的位置处，机床的加工精度能达到0.51mm 。变频交流电主轴作为工件主轴，具有重量轻、扭矩大的
12、特点，所以机床动感好。由于机床的行程小、速度高、刚性大，又有内置式的冷却系统冷却电主轴、磨削主轴、线性驱动系统和电气柜，因此，生产过程中非机加工时间极短，生产效率高，精度保持性好。此外，在刀塔上配置一个可旋转的E轴后，还可补偿砂轮芯棒的挠曲。该产品具有的模块化机床结构，让用户还可以根据不同的加工需要装配不同的刀具。VG系列机床可采用以下不同的配置 ：配置1个或2个内圆磨主轴 ；配置1个内圆或外圆磨主轴及1把车刀。VG系 列 机 床 采 用 西 门 子SINUMERIK 840D控制系统，配合山崎马扎克超精密控制CNC车床 高速主轴、高速传送的亚微型控制CNC车床 采用发热较少、高效率的IPM马
13、达，另外，还通过冷却水对主轴轴承、马达部分进行冷却从而控制了主轴的热位移。 由于低惯性、低振动IPM马达的采用，实现了主轴的高速加减速。 由于采用滚珠螺丝轴心冷却，高精度滚珠螺丝、高精度线性导引，消除了高速传送、长时间运行所引起的热位移。 通过高精度卡盘导致掌握精度的提高从而消除了对于初次工程加工面的安装误差。 通 过 最 新 的CNC装 置Mazatrol NANO，由亚微型控制实现了高精度加工。在使用亚微型控制时，其快速传送速度也达到了20m/min的高速。192009. 06. 第3期| Defense Manufacturing Technology与振动误差不会复印在工件上，不再遵循
14、误差复印原则。尽管这种加工的被加工工件的形状精度和表面粗糙度都可达到很高水平，往往比超精密切削高出一至两个数量级，但是它对机床的部件精度要求不高，因此这种机床不是超精密机床。不过这种加工对在位检测，工艺水平和技师的经验要求很高，需要的知识都是超精密级的。单点金刚石刀具镜面切削与超精密车床新技术和新动态超精密切削加工技术是基于金刚刀具的车、铣、镗加工技术，用于有色金属材料，光学单晶材料超精密切削加工。加工的面型精度可达几十纳米量级，表面粗糙度可接近1nm。超精密切削加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛。目前该技术不断发展，拓宽被加工材料的范围，例如现在已研究成功并用于黑色金属、钛、
15、钨、玻璃的超声振动金刚石车削等。此外，与之配套的技术还有金刚石刀具的刃磨技术，检测技术等，多刃金刚石铣刀，成形金刚石刀具等。关于超精密机床，Precitech公司的Nanoform系列和Moore公司的Nanotech系列超精密机床代表了当今商品化超精密机床的技术水平和发展趋势。以Moore公 司 的 超 精 密 机 床Nanotech250UPL机床为例所示，其主要的特点是:（1）高精度主轴采用高精度气浮轴承，运动精度轴向、径向 50nm。直线导轨溜板副采用约束、低廓形液压静压轴承和直线电机驱动，激光全息光栅尺作反馈元件，反馈分辨率34pm （0.034nm） ，直线度误差满行程 0.2m。
16、（2）多轴化和多功能化实现标准化、模块化结构，高精度数控C轴和转台B轴，因此可方便地组合为二轴至五轴超精密机床。可以实现车削、磨削、镗削的五轴联动。（3）环境要求低主轴系统水冷或风冷循环控制，降低了对环境的热恒定要求，因此可安装在一般控温车间。花岗岩基座及空气隔振系统，允许机床在一般隔振环境工作而无需特殊隔振地基。例如，在加工口径75mm，球半EMAG公司自己研发的软件，使用简单，为编程和操作带来了方便。上下料时间短减少上下料时间对缩短加工时间来说，极为重要。VG系列机床在加工特小型零件时，工件主轴自行上料只需1.5s，速度很快。而对于主轴无法自行输送的工件，将通过一个送料机构将工件送入加工区，然后由一个升降台将其输送到夹具位置。上下料时间因夹具的不同而略有区别，一般都在4s之内。先进的加工工艺VG 110磨床可提供所有的先进磨削技术，可以满足现今用户对先进磨床提出的所有要求，如生产效率高、加工精度好、节拍时间短、单件加工成本低和采用先进的磨削工艺等。在使用VG 110磨床时，人们既可以进行“传统”意义上的磨削，
