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        超精密加工的動向和思考
        作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:87
        超精密加工的動向和思考 1 綜述超精密加工技術是一門綜合性的系統工程,它的發展綜合地利用了機床、工具、計量、 環境技術、微電子技術、計算機技術、數控技術等的進步。日本的津和秀夫教授形象地將 超精密加工比作富士山的山頂,所以在某種意義上說,已到達了精密加工的頂峰。日本的 文獻上,經常出現向極限靠攏的提法。雖然從技術的角度來說,有些模糊,但是很形象化。 實際上,加工精度在現有的水平上再提高一步已是相當困難。以現在的產品而言,凡是要 求高的尺寸,大部分是超越現有標準的,這從另一個側面反映了超精密的實際情況,相當 多的要求,均以技術條件的形式來表示,或標明具體的特殊公差,而今天除了精度以外, 對表面還提出了新的要求——表面完整性。日本谷口紀男教授往往將超精密加工技術與微 細加工綜合在一起來加以介紹,客觀上反映了兩種技術的交叉,也體現了時代的特征。本 文想就超精密加工發展的趨勢,說明一些個人的看法。 超精密加工技術隨著時間的推延,精度、難度、復雜性等都在向更高層次發展,使加工技 術也隨之需要不斷加以更新,來與之相適應。 以金剛石切削為例,其刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發展,因為它的大小直接影響到 被加工表面的粗糙度,與光學鏡面的反射率直接有關,而今反射率要求越來越高,如激光 陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%,必然要求金剛石刀具更加鋒利,根據日本大阪大學 島田尚一博士介紹,為了進行切薄試驗,目標是達到切屑的厚度1nm,其刃口圓弧半徑趨近 2~4nm。直至今日,這個水平仍為世界最高的。為了達到這個高度,促使金剛石研磨機也改 變了傳統的結構,而采用了空氣軸承作為支承,研磨盤的端面跳動能在機床上自行修正,使 其端面跳動控制在0.5μm以下,我國航空系統303所研制的刃磨機就是一例。刃口鋒利了, 接著其檢測又成為一個難題,起先日本橫濱大學的中山一雄教授用金絲壓痕的方法;后來發 展到采用掃描電子顯微鏡(SEM),其測量精度可達到50nm;隨著精度的再提高,日本的刀尖 評價委員會又在SEM上增加了二次電子的發射裝置,這時也只能測定到20~40nm;1993年, 該小組再提出采用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)來進行檢測,但以后就未見報 道。直到1996年,我國的華中理工大學發表了用AFM檢測的報道。1998年,哈工大又再次 作了報道。用AFM成功地檢測了刃口圓弧半徑。檢測技術的突破,的進為微量切削機理一 步探索創造了前提。 硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法,后來日本足利大學的宮下政和教授發表了采用金剛 石砂輪,控制切削深度和走刀量,在超精密磨床上,可以進行延性方式磨削,即使是玻璃的 表面也可以獲得光學鏡面。這在技術上是一次很大的突破。接著,又發展到了直接采用大負 前角度的金剛石車刀在上述的類似條件下,也可以獲得同樣的結果,但車削的效率則明顯的 提高。今天又提出如果將超聲波技術與金剛石切削結合,更有利于發揮出功效。我國吉林工 大等也作了這種嘗試,并取得成果。 砂輪采用金屬結合劑,一般指的是銅,而為了提高砂輪的壽命,日本東京工業大學的中川威 雄教授采用了鑄鐵結合劑,使砂輪的壽命明顯提高,這是很大的突破,隨之,引起了各種結 合劑的研究熱潮。后來日本理化學研究所的大森整就在這個基礎上,發展了砂輪的在線電解 修整(ELID)技術,又使超精密加工技術的途徑得到了拓寬,在鏡面加工方面取得了進步。 金剛石技術的發展,近幾十年來,給了科技人員很大的激勵,從天然金剛石到人造金剛石, 從超硬金剛石薄膜到厚膜的形成,逐漸為在超精密制造技術方面廣泛采用金剛石工具創造了 美好的前景。為了金剛石應用領域的拓寬,為突破金剛石切削黑色金屬,一直在進行大量的 實踐,如深冷切削、富碳大氣中的切削等,都先后取得一些效果,也有在金剛石的成份中摻 入硼,使之與黑色金屬的親和力明顯改善。而今金剛石的刃磨已在探索其他的途徑,如熱化 學研磨即為一例。 微量切削的機理一直是技術人員所關切的一個大問題,但是要直接對切削點觀察是異常困難 的,現在有提議將切削裝置小型化,放置于SEM的鏡頭下進行切削并觀察;日本大阪大學井 川直哉教授等開始采用計算機仿真,逐步在向揭開微量切削的奧秘迫近。 超精密機床的發展,已經相當成熟。它是最重要的硬件,它集大量成果于一體,如高精度主軸、 微量進給裝置、高精度定位系統、氣浮導軌技術、熱穩定性技術、NC系統等。特別是美國的 LLNL實驗室、日本的不二越、東芝機械等公司、英國的Cranfield、Pneumo Precision等的產品 都已商品化,在市場上很有聲望。 總之,超精密制造技術是綜合的、系統的技術組合,而且隨著時間的推延,其內涵始終在演變, 因此必須及時跟蹤、分析,綜合地將其各方面的進步,以新穎的構思巧妙地加以重組,來不斷 地提高超精密加工技術水平,適應時代的要求。 2 展望與對策 時代對超精密加工技術仍在不斷地提出更新的需求,從大到天體望遠鏡的透鏡,小到微機械的 微納米尺寸零件。不論體積大小,其最高尺寸精度都趨近于毫微米;形狀也日益復雜化,各種 非球面已是當前非常典型的幾何形狀;70年代,始于日本的產品短薄輕小的戰略思想,引發了 儀表的小型化、輕便化,從而導致儀表零件的薄壁、低剛度、易變形的特點,也造成超精密加 工的更大難度。 在當前必然也會談到的是微機械技術的誕生,為超精密制造技術引來一種嶄新的態勢,它的微 細程度使傳統的制造技術面臨一種新的挑戰。盡管它的誕生時間只是近期的事。人們已公認為 它是21世紀的前沿技術。它的發展極為神速,受到全世界的關注,我國也不例外,僅幾年時間, 許多單位已生產出各種產品,甚至完成了將原子遷移,構成圖形或字體等的各種創舉。1996年, 上海交通大學展示了直徑為2mm的微電機,而今天瑞士TECHSTAR GmbH已經將直徑3mm 電機,轉速為100,000r/min的產品作為商品銷售,其最小的滾珠軸承外徑只有3mm。微機械的 發展如此迅速,確實驚人! 面臨即將到來的21世紀,我國從事超精密加工的廣大科技人員如何努力才能縮短與國外的差距, 作為這條戰線的一名工作者,確是日有所思,下面提出一些個人的具體想法。 跟蹤世界先進科技的發展,大量掌握和利用信息 超精密加工技術是發展科技的重要手段,所以受到世界各國的廣泛重視,因此也就不斷地獲得 新的成果,但是因為它的要求都處在精度的極限,傳統的、單一的技術往往很難突破,必須綜 合地利用當前取得的各種成果,通過綜合、分析,加以整合、重組,才能進一步滿足更高的要 求。因此當務之急是如何及時地取得各種有關的信息。自從進入信息時代,獲得信息的手段也 隨之而得到發展,特別是計算機聯網的實現,加速了信息傳遞。因此為信息的及時獲得創造了 前提,同時已成為競爭的重要手段。前面已提到的金剛石切削刃口圓弧半徑的測量,一直是超 精密加工技術領域中的一個難題,自從1982年,STM和AFM的發明,應當說為其測量創造了 前提,但是當時并未受到應有的重視,直到1993年才從《Precision Engineering》看到美國學者 J.Drescher提出這種設想,但并未實現。到了1996年和1998年,才看到我國的華中理工大學和 哈工大在這方面相繼作出了的有關的報道。表明這些信息的傳遞,有利于加速技術的發展。但 為什么實踐如此滯后。也許可以說,信息雖然是有了,但并沒有很快得到應用,當時它的出現 并非直接為超精密加工領域應用的。不過今天看來這項研究,所以能獲得進展,也是因為應用 了這個信息。這充分說明信息只是一種素材,有了信息還得進一步經過加工,才能成為真正的 手段。 超精密加工技術一直是制造技術的前沿技術,每前進一步,都需付出很大的代價,而且對其要 求也是隨著時間的推延而不斷提高,這就必須廣泛的收集信息,雖然工藝信息往往是被視作 Know-How而加以保密,所以更增加了它的收集難度,但是信息的渠道是多方面的,另外, 得到的信息,大部分仍然需要經過大量篩選,擇其有用的為我所用。而信息的收集必須先行, 并且需要及時。 比如,當前硬脆材料的加工已是當務之急,歷來采用磨削的途徑,但是在技術上存在比較難 克服的問題,往往滿足不了光學等方面的要求,有的還將附加采用難度不小的拋光。為了突 破這個難題,世界各國都開始摸索新的途徑,后來出現在超精密機床上加工硬脆材料,控制 極小切深和走刀量,首先從磨削突破了硬脆材料延性方式的技術,緊接著也很快采用大負前 角的金剛石車刀獲得成功。當然在掌握上,仍然存在難度。近期又有建議在金剛石的切削上 如果復合振動切削,便能更易實現硬脆材料延性方式的切削。這表明技術是在不斷推陳出新 的。必須時時跟蹤,這樣才有可能縮短研制的周期,突破難題。 寧波軸承有限公司供應微型至中型深溝球軸承、圓錐滾子軸承、短圓柱滾子軸承、平面推力軸承、英制系列軸承、帶座球面軸承、及各種特制非標軸承等。電話:0574-87220315 87220319 郵箱:web@bearing.com 地址:寧波市麗園北路1730——1736號
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