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1、超精密加工的动向和思考内容摘要:超精密加工经过数十年的努力，口趋成熟，不论是超精密机床、金刚石工具，还 是超精密加工工艺己形成了一整套完整的超精密制造技术系统，为推动机械制造向更高层次 发展奠定了基础，现在正在向纳米级精度或亳微米精度迈超精密加工经过数十年的努力，廿趋成熟，不论是超精密机床、金刚石工具，还是超精密加 工工艺己形成了一整套完整的超精密制造技术系统，为推动机械制造向更高层次发展奠定了 基础，现在正在向纳米级精度或毫微米精度迈进，其前景十分令人鼓舞。但是从另一个角度 来分析，随着科技的发展，对它的要求越来越高，而现实的情况又受到技术水平的制约，依 然存在许多困难。1综述超精密加工技术
2、是一门综合性的系统工程，它的发展综合地利用了机床、工具、计量、环境 技术、微电子技术、计算机技术、数控技术等的进步。II木的津和秀夫教授形象地将超精密 加工比作富士山的山顶，所以在某种意义上说，已到达了精密加工的顶峰。口木的文献上, 经常出现向极限靠拢的提法。虽然从技术的角度来说，有些模糊，但是很形象化。实际上, 加工精度在现有的水平上再提高一少己是相当困难。以现在的产品而言，凡是要求高的尺寸, 大部分是超越现有标准的，这从另一个侧而反映了超精密的实际情况，相当多的要求，均以 技术条件的形式来表示，或标明具体的特殊公差，而今天除了精度以外，对表面还提出了新 的要求表面完整性。廿木谷口纪男教授往
3、往将超精密加工技术与微细加工综合在一起来 加以介绍，客观上反映了两种技术的交叉，也体现了时代的特征。木文想就超精密加工发展 的趋势，说明一些个人的看法。超精密加工技术随着时间的推延，精度、难度、殳杂性等都在向更高层次发展，使加工技术 也随之需要不断加以更新，来与之相适应。以金刚石切削为例，其刃曰圆弧半径一直在1何更小的方IE发展，因为它的大小直接影响到被 加-匚表而的粗糙度，与光学镜面的反射率直接有关，而今反射率要求越来越高，如激光陀螺 反射镜的反射率已提出了 99.99%,必然要求金刚石刀具更加锋利，根据口本大阪大学岛田 尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度1nm,其刃口圆弧
4、半径趋近2 4nm。直至今廿，这个水平仍为世界最高的。为了达到这个高度，促使金刚石研磨机也改变 了传统的结构，而采用了空气轴承作为支承，研磨盘的端面跳动能在机床上自行修正，使其 端面跳动控制在0.5pm以下，我国航空系统303所研制的刃磨机就是一例。刃口锋利了， 接着其检测又成为一个难题，起先L木横滨大学的中山一雄教授用金色幺压痕的方法；后来发 展到采用扫描电了显微镜(SEM),其测量精度可达到50nm；随着精度的再提高，廿木的刀 尖评价委员会又在SEM上增加了二次电子的发射装置，这时也只能测定到2040nm； 19 93年，该小组再提出采用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)来进
5、行检测，但以后 就未见报道。直到1996年，我国的华中理工大学发表了用AFM检测的报道o 1998年，哈 工大乂再次作了报道。用AFM成功地检测了刃口圆弧半径。检测技术的突破，的进为微量 切削机理一步探索创造了前提。硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法，后来廿本足利大学的宫下政和教授发表了采用金刚 石砂轮，控制切削深度和走刀量，在超精密磨床上，时以进行延性方式磨削，即使是玻璃的 表面也可以获得光学镜面。这在技术上是一次很大的突破。接着，又发展到了直接采用大负 前角度的金刚石车刀在上述的类似条件下，也可以获得同样的结果，但车削的效率则明显的 提高。今天又提出如果将超声波技术与金刚石切削结合，更有利
6、于发挥出功效。我国吉林工 大等也作了这种尝试，并取得成果。砂轮采用金属结合剂，一般指的是铜，而为了提高砂轮的寿命，II木东京T业大学的中川威 雄教授采用了铸铁结合剂，使砂轮的寿命明显提高，这是很大的突破，随之，引起了各种结 含剂的研究热潮。后来LI木理化学研究所的大森整就在这个基础上，发展了砂轮的在线电解 修整(ELID)技术，又使超精密加工技术的途径得到了拓宽，在镜面加工方面取得了进少。金刚石技术的发展，近几卜年来，给了科技人员很大的激励，从天然金刚石到人造金刚石, 从超硬金刚石薄膜到厚膜的形成，逐渐为在超精密制造技术方面广泛采用金刚石工具创造了 美好的前景。为了金刚石应用领域的拓宽，为突破
7、金刚石切削黑色金属，-直在进行大量的 实践，如深冷切削、富碳大气中的切削等，都先后取得一些效果，也有在金刚石的成份中掺 入硼，使之与黑色金属的亲和力明显改善。而今金刚石的刃磨已在探索其他的途径，如热化 学研磨即为一例。微量切削的机理一直是技术人员所关切的一个大问题，但是要直接对切削点观察是异常困难 的，现在有提议将切削装置小型化，放置于SEM的镜头下进行切削并观察；口本大阪大学 井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步在向揭开微景切削的奥秘迫近。超精密机床的发展，已经相当成熟。它是最重要的硬件，它集大量成果于一体，如高精度主 轴、微量进给装置、高精度定位系统、气浮导轨技术、热稳定性技术、NC系统
8、等。特别是 美国的LLNL实验室、日本的不二越、东芝机械等公司、英国的Cranfield. Pneumo Preci sion等的产品都已商品化，在市场上很有声望。总之，超精密制造技术是综合的、系统的技术组合,而且随着时间的推延，其内涵始终在演 变，因此必须及时跟踪、分析，综合地将其各方面的进步，以新颖的构思巧妙地加以重组, 来不断地提高超精密加工技术水平，适应时代的要求。2展望与对策时代对超精密加工技术仍在不断地提出更新的需求，从大到天体望远镜的透镜，小到微机械 的微纳米尺寸零件。不论体积大小，其最高尺寸精度都趋近于亳微米；形状也口益复杂化, 各种非球面已是当前非常典型的几何形状；70年代，
9、始于口本的产品短薄轻小的战略思想, 引发了仪表的小型化、轻便化，从而导致仪表零件的薄壁、低刚度、易变形的特点，也造成 超精密加工的更大难度。在当前必然也会谈到的是微机械技术的诞生，为超精密制造技术引来一种崭新的态势，它的 微细程度使传统的制造技术面临一种新的挑战。尽管它的诞生时间只是近期的事。人们已公 认为它是21世纪的前沿技术。它的发展极为神速，受到全世界的关注，我国也不例外，仅 儿年时间，许多单位已生产出各种产品，甚至完成了将原了迁移，构成图形或字体等的各种 创举。1996年，上海交通大学展示了直径为2mm的微电机，而今天瑞士 TECHSTAR G mbH己经将直径3mm电机，转速为100
10、,000r/min的产品作为商品销偿，其最小的滚珠轴 承外径只有3mm。微机械的发展如此迅速，确实惊人！面临即将到来的21世纪，我国从事超精密加工的广大科技人员如何努力才能缩短与国外的 差距，作为这条战线的一名工作者，确是日有所思，下面提出一些个人的具体想法。跟踪世界先进科技的发展，大量掌握和利用信息超精密加工技术是发展科技的重要手段，所以受到此界各国的广泛重视，因此也就不断地获 得新的成果，但是因为它的要求都处在精度的极限，传统的、单一的技术往往很难突破，必 须综合地利用当前取得的各种成果，通过综合、分析，加以整合、重组，才能进一步满足更 高的要求。因此当务之急是如何及时地取得各种有关的信息
11、。自从进入信息时代，获得信息 的手段也随之而得到发展，特别是计算机联网的实现，加速了信息传递。因此为信息的及时 获得创造了前提，同时己成为竞争的重要手段。前面己提到的金刚石切削刃曰圆弧半径的测 量，一直是超精密加工技术领域中的一个难题，自从1982年，STM和AFM的发明，应当 说为其测量创造了前提，但是当时并未受到应有的重视，直到1993年才从Precision En gineering看到美国学者J.Drescher提出这种设想，但并未实现。到了 1996年和1998年, 才看到我国的华中理工大学和哈工大在这方面相继作出了的有关的报道。表明这些信息的传 递，有利于加速技术的发展。但为什么实
12、践如此滞后。也许可以说，信息虽然是有了，但并 没有很快得到应用，当时它的出现并非直接为超精密加工领域应用的。不过今天看来这项研 究，所以能获得进展，也是因为应用了这个信息。这充分说明信息只是一种素材，有了信息 还得进一步经过加工，才能成为真正的手段。超精密加工技术一直是制造技术的前沿技术，每前进一步，都需付出很大的代价，而且对其 要求也是随肴时间的推延而不断提高，这就必须广泛的收集信息，虽然工艺信息往往是被视 作Know-How而加以保密，所以更增加了它的收集难度，但是信息的渠道是多方面的，另 外，得到的信息，大部分仍然需要经过大量筛选，择其有用的为我所用。而信息的收集必须 先行，并且需要及时
13、。比如，当前硬脆材料的加工已是当务之急，历来采用磨削的途径，但是在技术上存在比较难 克服的问题，往往满足不了光学等方面的要求，有的还将附加采用难度不小的抛光。为了突 破这个难题，世界务国都开始摸索新的途径，后来出现在超精密机床上加工硬脆材料，控制 极小切深和走刀量，首先从磨削突破了硬脆材料延性方式的技术，紧接着也很快采用大负前 角的金刚石车刀获得成功。当然在掌握上，仍然存在难度。近期又有建议在金刚石的切削上 如果复合振动切削，便能更易实现硬脆材料延性方式的切削。这表明技术是在不断推陈出新 的。必须时时跟踪，这样才有可能缩短研制的周期，突破难题。整合、重组思想的运用超精密加工技术是一项系统工程，
14、它集机床、工具、计量、数控、材料、环境控制等成果于 一体，针对不同的加工对象，不同的设计要求，综合地加以利用。这里想以当前的超精密机 床为例，可以发现大部分这类机床也是反映出这些特点，它是根据11己所需的产品来设计、 制造的。从这类机床的主轴、直到床身，几乎均被认为到了精度的极限，因此何种型号特色 都比较明显。而商品化的也有一些，但从已发表的文献中来看，只是少数。前者如美国的L LNL国家实验室的大型光学金刚石车床LODTM等。后者如Pneumo Precision公司的SM G325超精密机床。即使是大量生产磁盘的车床其需要量也是很有限的，以廿本东芝机械公 司为例，据其公司的介绍，每年在口本
15、的补充景也仅三十多台，或者更少。这是超精密机床的特点。超精密机床的特点扩大到整个超精密加工技术来看，有类似的情况，超精密加工技术也都是 在其有关的各项技术支撑的条件下，逐步发展起来的，同时又往往取各项技术的崭新成果来 加以充实、提高。例如金刚石车刀的刃口圆弧半径达到24nm,就可切削下小于1nm厚 度的切屑，这为更高精度的加工创造了前提；摩擦驱动的出现，完全解决了滚珠丝杆的发热、 振动、振摆和噪音等的不足，使获得更佳的质量具有可能性；冷却液的温度能控制到200. 0005C,在喷淋下切削口.以保证高精度；静压轴承的高精度为主轴的高精度回转提供了条 件；双频激光干涉仪达到了当前的最高定位精度；喻
16、为零膨胀系数的微晶玻璃为超精密机床 向更高层次的发展提供了可能。这许多崭新的技术成就为整个超精密加工技术向纵深发展创 造了依据。今口的超精密加工技术就是以这许多先进技术作为支撑的。但是如何运用好这些 技术，还有待更高超的整含和重组的技巧。这是超精密加工技术方面的重要课题。创新是推动超精密加工技术发展的动力超精密加工技术每前进一步，都离不开创新，这是由超精密加工技术所处的位置决定的，因 为这门技术始终处在发展的前沿。面对飞速发展的需求就决定了它必须创新。美国的LLNL国家实验室是最典型的一个科研单位.在超精密加工技术方面作出的贡献一直 为世人所公认。以摩擦驱动为例，它替代滚珠丝杆被应用在LODTM型的超精密机床上，是 一个创举，其优点已在前面介绍过，Jim B.Bryan教授因而被喻为“摩擦驱动之父”。这个实 验室，还研制了一台BODTM小型的超精密机床，它完全是用市场购买的部件组装而成的, 我们称为模块方式的结构。这体现了超精密机床的单件或小批量的
