超精密加工技术的发展现状与趋势

行业综述超精密加工技术的发展现状与趋势

北京机床研究所精密机电有限公司(100102)　贺大兴　盛伯浩

在全球技术竞争日益激烈的今天,超精密加工作为机械制造业中极具竞争力的技术之一,目前已受到许多国家的关注。超精密加工技术是尖端技术产品发展不可缺少的关键手段,它不仅适于国防应用,而且可以大量应用于高端民用产品中,例如惯导仪表的关键部件、核聚变用的透镜与反射镜、大型天文望远镜透镜、大规模集成电路的基片、计算机磁盘基底及复印机磁鼓、现代光学仪器设备的非球面器件、高清晰液晶及背投显示产品等。超精密加工技术促进了机械、计算机、电子、光学等技术的发展,从某种意义上来说,超精密加工技术担负着支持最新科学技术进步的重要使命,也是衡量一个国家制造技术水平的重要标志[1]。

超精密加工是一个相对的概念,它是相对于精密加工而言的。当前普遍认为超精密加工是指加工精度高于0.1μm,加工表面粗糙度小于R a0.02μm 的加工方法。超精密加工通常包括超精密切削(车削、铣削、刻划等)、超精密磨削、超精密研磨和抛光等,另外广义的超微细加工、纳米级以及原子级的加工等也属于超精密加工的范畴。

1　超精密加工技术的发展现状

商业化的超精密加工技术应用可以追溯到上一世纪60年代美国,由于军事领域精密元件的需求,促使这一技术迅速发展。到80～90年代,由于激光在各领域的广泛应用,各种类型的金刚石车床和镜面铣削机床不断出现,超精密加工技术在许多国家相继发展,除美国以外,英国、德国、前苏联、法国、日本、荷兰等许多国家都发展了这一技术,它的应用领域也不局限于军事领域,扩展到大量需求的民用领域。

到90年代中后期,超精密加工技术的多种配套技术包括工艺技术进入成熟期,定型的超精密设备逐渐增加,开始出现专业化制造的特点。国际上从事超精密开发应用的公司以及机构经历了市场筛选和优势重组的阶段(例如新的Precitech公司合并了Pneumo超精密公司、Moore Nanotechnology Sys2 tem的形成等),众多分散的小的超精密单位逐步淡出,具有优势的典型企业和机构的进一步突显。超精密加工技术由以D TM-3,LOD TM(Large Opti2 cal Diamond Turning Machine),OA GM2500等设备为标志的阶段步入以定型产品如:Freeform系列、Nanotech系列等为特征的产品生产阶段。

111　几种典型产品的技术性能及指标

1)Nanotech350FG超精密加工机床。它是Moore Nanotechnology System公司推出的新机型,机床可以控制5个坐标轴,实现非球回转表面、自由曲面、飞切表面等多种加工。机床床身采用带内冷却的铸铁树脂混凝土结构,直线坐标采用分辨率小于1 nm的激光全息尺,无刷直线电机驱动,控制分辨率可以达到1nm。铝合金工件的加工精度P-V值小于0.15μm(Φ75mm),车削表面粗糙度Ra4nm。

2)Freeform700A超精密加工机床。它是Precitech公司的一种机型,5轴控制,机床通过多种选择功能可以实现车削、铣削、磨削、快速伺服、在线检测等功能,机床采用自调整双腔隔振结构,可以实现纳米级的运动控制。值得一提的是机床的快速刀具伺服系统,它可以实现自由表面构造的车削加工,如微棱镜、复合曲面、离轴非球曲面、透镜阵列等传统加工无法实现的功能。

3)ROBONANOαoiB超精密加工机床。它是日本FANUC公司推出的机型,五轴联动,机床的主轴及回转工作台的旋转精度可以达到0.05μm,回转工作台的运动控制分辨率可以达到0.00001°。3个垂直坐标轴的直线度最好可以达到0.2μm/ 280mm,直线坐标轴的分辨率可以达到1nm。

4)AsphericLine生产线。它是设于瑞士总部SATISLOH公司提供给用户全面的非球面磨削、抛光和检测的解决方案,包括工艺技术、软件和技术Know -how,其中AⅡ型7轴自动抛光设备,可以在20min内将Φ50mm的光学玻璃非球面工件精度由1μm光整提高到0.2μm,表面粗糙度Ra小于0.5nm。

从这些产品的结构来看,纳米级制造精度、多运动轴控制、高技术集成度、适于商品化应用等特点十分突出。通过这些典型的产品可以看出:超精密加工技术在经历80～90年代的发展已经进入了新的成熟期。

除此之外,超精密加工领域的其它技术如超微细加工、L IGA技术、扫描隧道加工技术等也在发展,与超精密加工相关的理论学术研究十分活跃,由于篇幅有限,这里不做进一步说明。

112　推动超精密加工技术发展的原因

上述这些具有代表性的超精密加工设备的形成和发展,从技术上来讲可以归因于以下几个方面。

1)测试技术及产品的快速进展,使超精密加工设备的发展成为可能。超精密加工发展到一定阶段,必然遇到设备的运动反馈检测、设备的精度检测以及加工零件的精度检测等问题,进入90年代中后期,涉及与超精密加工的许多检测类产品、器件与技

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・《新技术新工艺》・行业综述　2006年　第5期

术走向成熟并进入应用领域,例如与机床制造相关的产品有:HP,SIOS等公司的激光检测仪器、Hei2 denhain公司的高分辨率直线与角度编码器、Sony 公司的激光尺、PI公司的纳米电容式振动-位移测量仪等,与零件检测相关产品有:Zygo,Wyko,Tay2 lor Ho bson等公司的测量仪器等等。

2)单元技术的不断进步,推动了超精密设备的升级。适应于超精密机床发展的单元部件产品如数控系统,伺服电机、刀具技术、减振器件、精密温控器件等,大大提升了原有的技术并保证了技术的可靠性,促使超精密技术向产品迈进。

3)新工艺技术的发展,使新的超精密加工技术快速走向应用。以工艺为特征的超精密加工技术如EL ID技术、特殊金刚石刀具的刃磨技术、工件的固定夹持技术、超精密数控磨削与抛光技术等,不仅使超精密加工的范围大为扩展,而且极大地提高了加工效率,降低了加工成本,使有大量需求的光学非球面零件的规模化应用成为可能。

我国的超精密加工技术也取得了很大的进步,一些单位在80年代发展起来的很好的技术基础上,继续发展。经历“九五”、“十五”科技攻关,超精密加工技术不断在基础单元技术、设备制造、工艺技术、应用集成、理论研究等方面探索实践并取得进展。比较典型的开发研究单位有北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、西安交通大学、国防科技大学等单位。我国超精密加工的一些基础关键技术已经具备,机床的部分精度指标已经达到国际先进水平。这一时期,北京机床研究所研制开发的NAM800、SQUARE系列、SPHERE系列产品已经走向市场并取得认可,该单位“十五”攻关项目“超精密数控系统开发及伺服平台应用与示范”所研发的驱动系统,使超精密机床部件运动的控制精度达到1nm。

但总的来讲,我国的超精密加工技术与国外先进技术相比还有明显差距,主要表现在理论与应用结合的不够紧密、技术集成的开发能力相对较弱以及超精密加工机床产业化程度不高等方面,随着国家在自主创新体系方面的重视与加强,超精密加工技术的发展会面临新的机遇。

2　超精密加工技术的发展趋势

从超精密加工技术的发展状况特别是近十多年的发展经历来看,表现为如下的发展趋势。

211　加工精度不断提高

加工精度持续提高,精度指标在深亚微米级、纳米级、亚纳米级方向不断迈进。日本Taniguchi教授在关于精度趋势描述的报告中做过比较准确的预测[2],他认为在2000年前后,超精密加工精度将是跨越纳米界限的时期。从各国的发展状况来看也的确如此,如今表述超精密加工的许多技术指标都已经以纳米为单位,而且在继续朝着突破纳米界限的方向发展。

212　加工应用范围不断扩展

加工工件的材料及种类在不断延伸扩展,加工工件的尺寸规格在向大型与小型的极限方向挺进。超精密加工工件的材料已经由80年代及90年代初以有色金属为主扩展到了不同的金属和非金属,硬脆材料的比例增加。由于设备的性能提高以及功能的增加,加工工件的种类由回转对称结构扩展到自由曲面,特别是快速刀具伺服系统技术的开发,使现代的超精密加工与传统的加工产生了明显的变化。纳米运动步距控制机床的出现,使微小型复杂形状零件的机械切削加工成为可能,FANUC公司已经可以在1mm直径的有色金属表面加工佛的立体头像。另外,由于天文观察方面的需求,在加工大型工件方面,传统超精密磨削、抛光技术与现代的数控、软件和测试分析等技术紧密结合,不仅提高了生产效率,而且在尺寸规格上不断加大,例如法国REOSC利用超精密研磨抛光技术可以制造直径8 m的Gemini和直径11m的Gran望远镜。

213　技术集成化程度不断提升

加工技术在朝着与相关专业技术高集成度的方向发展。虽然超精密加工的单元部件的技术仍在发展,但最基础的静压技术、控制技术、测试技术等已经发展到一定阶段,只有从新的材料、新的工艺、新的理论突破入手才能有比较大的进展。与此相对的是综合应用各种单元技术并结合工艺技术的集成技术已经成为一种新的发展趋势。超精密加工的技术集成不是一个简单的技术堆砌,而是一个系统工程,对系统中各因素的兼容性、协调性、互补性等的分析与判定,是发展应用这项技术的关键。

3　结语

超精密加工已经成为制造业中技术竞争的关键领域,不少国家和地区将其列为发展纳米技术的重要组成部分。虽然国际上超精密加工技术在过去的十多年里取得了很大的发展,但超精密加工的许多设备和技术至今仍对我国禁运,在建设制造强国的今天,我们只有依靠自己的力量,通过技术的创新、发展方式的创新,才能使我们的超精密技术取得较快、较大的发展和突破。

[参考文献]

[1]王润孝.先进制造技术导论.北京:科学出版社,2004.

[2]Norio Taniguchi.The state of the art of nanotechnology for processing of ultraprecision and ultrafine products.Preci2 sion Engineering,1994,16(1).

责任编辑　刘　滨

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《新技术新工艺》・高端访谈　2006年　第5期