机械论文
五年级 记叙文 9131字 525人浏览 陌风千羽

超精密加工技术在未来机械领域的发展前景

班级:数控专121

姓名:王正华

学号:2012548135

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【摘要】

超精密加工技术发展方向是:向高精度、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。本世纪的精密加工发展到超精密加工历程比较复杂且难度大,目前超精密加工日趋成熟,已形成系列,它包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨、超精密特种加工等。尽管超精密加工迄今尚无确切的定义,但是它仍然在向更高的层次发展。超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。在不久的将来,精密加工也必将实现精密化、智能化、自动化、高效信息化、柔性化、集成化。创新思想及先进制造模式的提出也必将为精密与超精密技术发展提供策略。环保也是机械制造业发展的必然趋势。

【关键词】超精密加工 发展趋势 发展策略 后续研发

2 超精密加工技术在未来机械领域的发展前景

【引言】往往我们一提到超精密这个词,就会觉得它很神秘,但同任何复杂的高新技术一样,经过一段时间的熟悉和掌握,都会被大众所了解,也就不再是所谓的高科技了,超精密加工也是这样。实际上,如果拥有超精密的加工设备,并且在其它相关技术和工艺上能匹配,经过一段时间的实践之后,就能很好地掌握它,但这需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT 、机械以及电气控制方面的技术,设备方面的操作和使用也非常复杂,所以,只有在对它有很深的理解之后才能把它用好

到目前为止,世界上比较小的超高速用铣刀已经可以做到直径(30~50um )的程度,而且这样的刀具已经得到了很普遍的使用。高转速是指每分钟8万、10万、15万转这样的数量级。

【正文】 超精密加工当前是指被加工零件的尺寸和形状精度高于0.1μm ,表面粗糙度Ra 小于0.025μm ,以及机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm 的加工技术,亦称之为亚微米级加工技术,目前正在向纳米级加工技术发展。 超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家,也是迄今处于领先地位的国家。英国的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE )享有较高声誉,是当今世界上精密工程的研究中心之一。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚,但它是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、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,甚至超过了美国。

我国在80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说,与国外产品比还有相当大的差距。

超精密加工的发展前景

超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。

㈠高精度、高效率

随着科学技术的不断进步,对精度、效率、质量的要求愈来愈高, 高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题。超精密切削、磨削技术能有效提高加工效率,CMP 、EEM 技术能够保证加工精度,而半固着磨粒加工方法及电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加工方法,成为超精密加工的趋势。

㈡大型化、微型化

由于航天航空等技术的发展,大型光电子器件要求大型超精密加工设备,如美国研制的加工直径为2.4~4m 的大型光学器件超精密加工机床。同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展,超精密加工技术向微型化发展,如微型传感器,微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工设备。

㈢智能化

3 以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率,这一点在超精密加工中体现更为明显。

㈣工艺整合化

当今企业间的竞争趋于白热化,高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下,出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面,使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整) 的趋势越来越明显。

㈤在线加工检测一体化

由于超精密加工的精度很高,必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率。同时由于加工设备本身的精度有时很难满足要求,采用在线检测、工况监控和误差补偿的方法可以提高精度,保证加工质量的要求。

㈥绿色化

磨料加工是超精密加工的主要手段,磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国,大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及我国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制,为此,各国研究人员对CMP 加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时,提高了自身的生命力。

精密加工技术未来在机械加工领域的发展趋势

㈠精密化

精密加工的核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。当前精密电火花加工的精度已有全面提高,尺寸加工要求可达±2-3μm、底面拐角R 值可小于0.03mm ,最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3μm。通过采用一系列先进加工技术和工艺方法,可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、IC 塑封、手机、CD 盒等高精密模具部位的电火花加工。

㈡智能化

智能化是而向21世纪制造技术的发展趋势之一。智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟人类专家的智能活动,取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动,在制造过程中系统能自动监测其运行状态,在受到外界干扰或内部激励能自动调整其参数,以达到最佳状态和具备自组织能力。新型数控电火花机床采用了模糊控制技术和专家系统智能控制技术。模糊控制技术是由计算机监测来判定电火花加工间隙的状态,在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件;自动监控加工过程,实现最稳定的加工过程的控制技术。采用人机对话方式的专家系统,根据加工的条件、要求,合理输入

4 设定值后便能自动创建加工程序,选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程,实现加工过程的最优化控制。专家系统在检测加工条件时,只要输入加工形状、电极与工件材质、加工位置、目标粗糙度值、电极缩放量、摇动方式、锥度值等指标,就可自动推算并配置最佳加工条件。专家系统智能技术的应用使机床操作更容易,对操作人员的技术水平要求更低。

㈢自动化

自动化技术的成功应用,不但提高了效率,保证了产品质量,还可以代替人去完成危险场合的工作。对于批量较大的生产自动化,可通过机床自动化改装、应用自动机床、专用组合机床、自动生产线来完成。小批量生产自动化可通过N C ,MC ,CAM ,FMS ,CIM ,IMS 等来完成。在末来的自动化技术实施过程中,将更加重视人在自动化系统中的作用。同时自动化开始面向中小型企业,以经济实用为出发点,满足不断发展的产品多样化和个性化需要。数控电火花机床具备的自动测量找正、自动定位、多工件的连续加工等功能已较好地发挥了它的自动化性能。自动操作过程不需人工干预,可以提高加工精度、效率。目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下,只要在加工前将电极装入刀库,编制好加工程序,整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转,几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高生产效率。

㈣高效化

现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式,即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手机外壳、家电制品、电器用品、电子仪表等领域,都要求减少辅助时间(如编程时间、电极与工件定位时间等), 同时又要降低粗糙度, 从原来的Ra0.8μm 改进到Ra0.25μm ,使放电后不必再进行手工抛光处理。这不但缩短了加工时间且省却后处理的麻烦,同时提升了模具品质,使用粉末加工设备可达到要求。这就需要增强机床的自动编程功能,配置电极与工件定位的夹具、装置。若在大工件的粗加工中选用石墨电极材料也是提高加工效率的好方法。

㈤信息化

信息、物质和能源是制造系统的三要素。随着计算机、自动化与通讯网络技术红制造系统中的应用,信息的作用越来越重要。产品制造过程中的信息投入,己成为决定产品成本的主要因素。制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、加工和处理过程,最终形成的产品可看作是信息的物质表现,因此可以把信息看作是一种产业,包括在制造之中。为此一些企业开始利用网络技术、计算机联网、信息高速公路、卫星传递数据等实现异地生产。使生产分散网络化,以适应21世纪高柔性生产的需要。

㈥柔性化

随着科学技术的飞速发展和人民生活水平不断提高,促使产品更新换代的速度不断加快,这就要求现代企业必须具备一定的生产柔性来满足市场多变的需要。所谓柔性,是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力,它与系统方案、人员和设备有关。系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人员柔性是指操作人员能保证加工任务,完成数量和时间要求的适应能力。设备柔性是指机床能

5 在短期内适应新零件的加工能力。柔性制造自动化的形式很多,如美国提出的敏捷制造(AM)其主线就是高柔性生产。上海同济大学张曙教授提出的独立制造岛(AMI)也是高柔性生产模式。

㈦集成化

集成的作用是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强的新系统。集成不是简单的连接,是经过统一规划设计,分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。集成化的目的是实现制造企业的功能集成,功能集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现技术集成,同时还要强调人的集成,由于系统中不可能没有人,系统运行的效果与企业经营思想、运行机制、管理模式都与人有关,在技术上集成的同时,还应强调管理与人的集成。集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式。

精密和超精密加工技术的发展策略

精密和超精密加工经过数十年的努力,日趋成熟,不论是超精密机床、金刚石工具,还是超精密加工工艺已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。随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈,越来越多的制造业开始将大量的人力、财力和物力投入先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。

㈠整合、创新思想的运用

精密、超精密加工技术是发展科技的重要手段,所以受到世界各国的广泛重视,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,必须综合地运用信息化技术,通过综合、分析,加以整合、重组,进一步满足更高的要求。

精密加工技术是一项系统工程,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。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。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。

㈡先进的制造模式应用

制造模式是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作模式。

⑴敏捷制造

美国通用汽车公司与里海大学于1988年提出了敏捷制造(AM),AM 是在不可预测的持续变化的竞争环境中取得繁荣成长,并具有能对客户需求的产品和服务驱动市场作出迅速响应的生产模式。AM 的特征是:

①企业间联作集成。充分发挥各企业的长处,针对限定市场的目标要求共同合作完成任务。②具有高度的制造柔性。制造柔性是指制造企业对市场要求迅速转产和能实现产品多品种变批量的快速制造。③充分发挥人的作用,不断提高企业职工素质和教育水平,优化人机功能分配。

⑵虚拟制造

虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM 与AM 联系密切。VM 的特征是:当市场新的机遇出现时,组织几个有关公司联作,把不同的公司,不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优,能否协调运行,以及投产后的效益和风险进行评估,这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司

6 通过虚拟制造系统运行。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大,美国称AM 为2l 世纪制造业发展战略。

⑶集成制造

美国哈林顿博士在《计算机和集成制造》一书中提出计算机和集成制造(CIM)的概念。集成制造的核心内容是:制造企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理克至售后服务是一个不可分割的整体,需要统筹考虑。整个制造过程的实质是信息采集、传递和加工过程,最终生产的产品可看作是信息的物质表现。集成是CIM 的核心,这种集成不仅是物的集成,更主要的是以信息集成为特征的技术集成和功能集成,计算机是集成的工具,计算机和辅助各单元技术是集成的基础,信息交换是桥梁,信息共享是关键。集成的目的在于制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化,以提高今业对市场变化的动态响应速度,并追求最高整体效益和长期效益。

⑷智能制造

智能制造(IM)是美国出版研究IM 和IMS 书籍中首先提出的。它的特征是:在制造工业的各个环节的高度柔性与高度集成的方式,通过计算机和模拟人类专家的智能活动,进行分析、判断、推理、构思和决策,旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动,并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。制造智能的目的是:通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制对制造工人的技能与人类专家知识进行建模,以使智能机器能够在没有人干预的情况下进行小批量生产。

⑸绿色制造

绿色制造又称环境意识制造和面向环境的制造等。即综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式。其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的全生命周期中,废弃物和有害排放物最小,对环境的负面影响最小,对健康无害,资源利用率最高,使企业经济效益和社会效益更高。

超精密加工设备的特点。

超精密加工设备主要用来制造超精密镜头模具。由于要加工的模具比较小,因此首先从机床的小型化开始着手。机床小型化可以带来很多好处,一方面是加工精度得到提高,因为机床的热变形与机床本体尺寸相关,尺寸小,精度相对来说就会提高;另一方面,保持加工精度需要很严格的恒温环境(正负0.1度),机床小,所需要的恒温室空间就小,这方面可以省去很多的机床运行成本。 其次,在机械加工领域没法测量就没法加工,因为加工出的东西,不经过测量,就不知道它是否满足要求。超精密加工的精度是目前机械加工的极限状态,同时也是测量能达到的极限状态,目前在这方面还面临着很多难题。对于超精密加工,相应的测量设备必须跟上,才能保证加工精度达到设计的要求,因此,将测量设备集成到了超精密加工设备中,将机床的驱动轴作为测量仪的驱动轴,开发出具在线测量功能的超精密加工机床,使之很好地适应超精密加工的需求。 机床的驱动系统采用线性马达,以纳米为单位进行控制。再精密的加工都存在加工误差的问题,因此誤差的补偿就很重要,在加工过程中通过测量获得误差信息,并通过补偿控制的方法来抑制误差,就可以达到所要求的加工精度。 目前,我国超精密加工设备已经达到了纳米级的加工精度,这同时也是测量设备的极限。这个设备已经开发出来,经过大量的实践验证,与市面上已有同类设备相比,完全达到了同样的加工水平,并具有我们自己的独特优势。现在,这种机床已经开始上市销售,同时未来将继续不断完善相关的技术,使它的功能更

7 加强大和成熟。

特种加工发展方向及研究

(1)不断改进、提高高能束源品质,并向大功率、高可靠性方向发展。

(2)高能束流加工设备向多功能、精密化和智能化方向发展,力求达到标准化、系列化和模块化的目的。扩大应用范围,向复合加工方向发展。

(3)不断推进高能束流加工新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。

为实现以上发展目标,必须开展下列加工工艺的技术研究:

(1)激光加工技术

无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究;

铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究;

三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究; 提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究; 激光快速成型技术研究;

大功率激光熔覆陶瓷涂层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。

(2)电子束加工技术

150kV、15kW 高压电子枪及高压电源的技术研究;

电子束物理气相沉积技术的研究;

大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定;

典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究;

多功能电子束加工技术研究。

(3)离子束和等离子体加工技术

复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究,获得高密度等离子体方法研究;

空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究,以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究;

等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究;

层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究;

层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。

(4)电加工技术

高品质深小孔电液束加工技术研究;

高效、优质照相电解加工群孔技术研究;

多轴、多通道电火花加工群孔、异形孔技术研究;

大容量(5000A及以上) 精密电解加工技术研究;

电解—电火花复合加工技术研究。

研究上述技术的关键在于:提高高能束流的品质;开展特种加工过程的自动控制及计算机建模、仿真技术的研究;新材料加工特性研究;特种加工设备的研究等

8 现状及国内外发展趋势

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。

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。

我国的研究,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。

“十五”目标及主要研究内容

1.目标

超高速加工到2005年基本实现工业应用,主轴最高转速达15000r/min,进给速度达40-60m/min,砂轮磨削速度达100-150m/s;超精密加工基本实现亚微米级加工,加强纳米级加工技术应用研究,达到国际九十年代初期水平。

2.主要研究内容

(1)超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

(2)超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发;主轴系统动态特性及热态性研究;柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究;主轴系统的润滑与冷却技术研究;主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究;主轴换刀技术研究。

(3)超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制;精密交流伺服系统及电机的研究;系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究;机械传动链静、动刚度研究;加减速控制技术研究;精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。

(4)超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工(包括难加工材料)用刀具磨具材料及制备技术,使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平,磨具的磨削速度达到150m/s以上。

(5)超高速加工测试技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。

(6)超精密加工的加工机理研究。“进化加工”及“超越性加工”机理研究;微观表面完整性研究;在超精密范畴内的对各种材料(包括被加工材料和刀具磨具材料)的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。

9 (7)超精密加工设备制造技术研究。纳米级超精密车床工程化研究;超精密磨床研究;关键基础件,如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究;超精密机床总成制造技术研究。

(8)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。

(9)精密测量技术及误差补偿技术研究。纳米级基准与传递系统建立;纳米级测量仪器研究;空间误差补偿技术研究;测量集成技术研究。

(10)超精密加工工作环境条件研究。超精密测量、控温系统、消振技术研究;超精密净化设备,新型特种排屑装置及相关技术的研究

10 【结论】

精密和超精密加工,是现代机械制造业最主要的发展方向之一, 在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用,并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。我国的制造业发展已进入了高速发展阶段,中国民营企业已具备足够的经济实力来使企业迈向现代化,先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入,相信我国的制造业会更快速、更健康地发展。

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【参考文献】:

[1] 王先逵. 精密及超精密加工. 机械加工手册第2卷第14章[M] . 北京:机械工业出版社,1991

[2] 袁哲俊,周明. 加速发展我国的精密和超精密加工技术[J] . 工具技术,1994(2).

[3] 刘贺云,柳世传. 精密加工技术[M] . 武汉:华中理工大学出版社,1991.

[4] 袁哲俊. 精密和超精密加工技术的新进展[J] . 工具技术,2006(3).