精密加工技术的发展现状与应用(共16页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 题 目：精密加工技术的发展现状与应用专心-专注-专业内容摘要通过砂带研磨、精密切削、 超精密磨削、珩磨、精密研磨、抛光等几种传统精密加工方法的论述对比，论述现有的传统精密加工方法；再通过对孔加工技术等技术的最新精密加工发展来论述目前国内精密加工发展趋势及前景；同时通过对美日欧等发达国家最新的精密加工技术发展情况来论述目前国外精密加工技术的发展方向及前景。关键词：精加工；发展；应用目 录引 言为了满足现代先进制造与加工技术的需要，提高生产效率和改善零件的加工质量，精密加工技术和超精密加工技术已成为目前高科技技术领域的基础，超精密加工技术已成为社会生产发展的一个重大趋势。1 精密加工技术的发展现状1.1 砂带研磨砂带研磨是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具削加工的范畴，有生产率高、表面质量好，使用范围广等特点。国外在砂带材料及制作工艺上取得了很大的成就，有了适应于不同场合的砂带系列，生产出通用和专用的砂带磨床，而且自动化程度不断提高（己有全自动和自适应控制的砂带磨床），但国内砂带品种少，质量也有待提高，对机床还处于改造阶段。砂带研磨的特点及应用如以下：（1、CBN的硬度比普通磨料高很多。特别是适合加工硬度高，韧性大，高温，强度高，热导性率低的材料，其金属磨除率也是金刚石的10倍。(2、CBN磨具的磨削性能十分优异，不仅能够胜任难磨材料的加工，提高生产效率，而且有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效提高磨削质量，显著提高磨削后工具的表面完整性，因而提高了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性。(3、CBN磨具磨损少，使用周期长，磨削比较高，使用合理可获得良好的经济效果。(4、CBN磨具使用时，形状和尺寸变化极为缓慢，更适用于CBN数控加工中心高精度零件。(5、能长时间保持锋利的切削力，故磨削力较小，有利于零件的精度和光洁度的提高，还可以减少机床的动力消耗。(6、磨削温度较低，可以大大提高工件的表面质量，避免零件出现裂纹、烧伤、组织变化等弊病，改善加工表面应力状况，有利于零件使用寿命的延长。(7、普通磨料砂带在人工使用过程中产生大量粉尘，对人体健康有害，长期使用会引发矽肺病1.2 精密切削也称金刚石刀具切削（SPDT），是用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般加工精密要高1-2个等级。例如用精密车削加工的液压马达转子柱塞孔圆柱度为0.51m，红外反光镜的表面粗糙度Ra0.010.02m，还具有较好的光学性质1。从成本上看，用精密切削加工的光学反射镜，与过去用镀铬经磨削加工的产品相比，成本大约是后者的一半或几分之一。但许多因素对精密切削的效果有影响，所以要达到预期的效果很不容易。同时，金刚石刀具切削较硬的材料时磨损较快，如切削黑色时磨损速度比切削铜104倍，而且加工出的工件的表面粗糙度和几何形状精度均不理想。1.3 超精密磨削用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工，金属的去除量可在亚微米级甚至更小，可以达到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。尺寸精度0.10.3µm,表面粗糙度Ra0.20.05µm,效率高，应用范围广泛，从软金属到淬火钢、不锈钢、高速钢等难切削材料，及半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，几乎所有的材料都可以利用磨削进行加工。但磨削加工后，被加工的表面在磨削力及磨削热的作用下金相组织要发生变化，易产生加工硬化、淬火硬化、热应力层、残余应力层和磨削裂纹等缺陷，需要合理管控。超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。 目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成35nm的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技术。 此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除 物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。 当前的超精密磨削技术能加工出00 1m圆度， O1m尺寸精度和Ra0005m粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出003m100mm的平面。1.4 珩磨珩磨是用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后表面粗糙度可达Ra0.40.1µm，最好可到Ra0.025µm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小韧性好的有色金属。珩磨是磨削加工的特殊形式，它的实质是低速磨削，也是一种高效率的光整加工方法。珩磨头外周镶有118根长度约为孔长 1/33/4的珩磨条，在珩孔时既旋转运动又往返运动，同时通过珩磨头中的弹簧或液压控制而均匀外涨，所以与孔表面的接触面积较大，加工效率较高。它具有以下加工特点： （1）珩磨的表面质量好，珩磨后表面粗糙度可达Ra0.80.2 （2）交叉网纹有利于贮油润滑，实现平顶珩磨，去除网纹的顶尖，可获得较好的相对运动摩擦，获得较理想的表面质量。 （3）加工精度高，圆度、圆柱度可达0.5m；轴线直线度可达1m 。1.5 精密研磨精密研磨是与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械磨擦，使工件达到要求尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra0.025µm,加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。但精密研磨的效率低，如干研速度一般为10-30m/min，湿研速度为20-120 m/min。对加工环境要求严格，防止有大磨料或异物混入时，将使表面产生很难去除的划伤。1.6 抛光抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。 手工或机械抛光是用涂有磨膏的抛光器，在一定的压力下，与工件表面做相对运动，以实现对工件表面的光整加工。加工后工件表面粗糙度Ra0.05µm，可用于平面、柱面、曲面及型腔的抛光加工。手工抛光的加工效果与操作者的熟练程度有关。 超声波抛光是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液对硬脆材料进行光整加工，加工精度 0.010.02µm，表面粗糙度Ra0.1µm。超声抛光 设备简单，操作、维修方便，工具可用较软的材料制作，而且不需作复杂的运动，主要用来加工硬脆材料，如不导电的非金属材料，当加工导电的硬质金属材料时，生产率较低。 化学抛光是通过硝酸和磷酸等氧化剂，在一定的条件下，使被加工的金属表面氧化，使表面平整化和光泽化。化学抛光设备简单，可以加工各种形状的工件，效率较高，加工的表面粗糙度一般为Ra0.2µm，但腐蚀液对人体和设备有损伤，污染环境，需妥善处理。主要用来对不锈钢、铜、铝及其合金的光亮修饰加工。电化学抛光是利用电化学反应去除切削加工所残留的微观不平度，以提高零件表面光亮度的方法。它比机械抛光具有较高的生产率和小的表面粗糙度：一般可达Ra0.2µm，若原始表面为Ra0.40.2µm，则 抛光后可提高到Ra0.10.08µm，加工后工件具有较好的物理机械性能，使用寿命长，但电化学抛光只能加工导电的材料。随着电化学加工技术的发展，还产生了多种新型的复合加工方法，例如超精密电解磨削、电化学机械复合光整加工、电化学超精加工等。它们主要以降低工件的表面粗糙度值为目的，加工去除量很小，一般在0.010.1mm，对于表面粗糙度达到Ra0.81.6µm的外圆，平面、内孔及自由曲面均可一道工序加工到镜面，表面粗糙度Ra0.05µm，甚至更低。电化学机械加工属于一种加工单位极小的精密加工方法，从原理上讲加工精度可以达到原子级，所以加工精度具有大的潜力，但由于左右其加工精度的因素目前还不是很清楚，所以在实际应用中，其加工表现出一定的不稳定性，这在很大程度上限制了它在工业生产中的应用。2 国内精密加工技术发展现状2.1 精密成型加工的发展现状与应用 精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工艺实现现代化，更多地使用CADCAM，使新锻件的制造周期减少75%。1992年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等压成型工艺、数控计算机控制旋压、塑变和剪切成形机械、超塑成型扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的“大型模锻件的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进材料(如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等)成形工艺”等。我国的超塑成形技术在航天航空及机械行业也有应用，如航天工业中的卫星部件、导弹和火箭气瓶等，采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。与此同时，还基本上掌握了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工艺，最小成形厚度可达03mm，形状也较复杂。此外，国外已广泛应用精密模压成形技术制造武器。常用的精密模压成形技术，如闭塞式锻造、采用分流原理的精密成形及等温成形等国外已用于军工生产。目前，精密模压技术在我国应用还较少，精度也较差，国外精度为±0.050.10mm，我国为±0.10.25mm。 2.2 孔加工技术的发展现状及应用 近年来，汽车、模具零部件、金属加工大都采用以CNC机床为中心的生产形态，进行孔加工时，也大都采用加工中心、CNC电加工机床等先进设备，高速、高精度钻削加工已提上议事日程。无论哪个领域的孔加工，实现高精度和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。 近年来，随着高速铣削的出现，以铣削刀具为中心的切削加工正在进入高速高精度化的加工时期。在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主，如MAZAK公司和森精机制作所在加工铸铁时，即采用了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色材料时，可采用金刚石涂层硬质合金钻头、DLC涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。高速高精度孔加工除采用CNC切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。 随着IT相关产业的发展，近年来，光学和电子工业所用装置的零部件产品的需求急速增长，这种增长刺激了微细形状及高精度加工技术的迅速发展。其中，微细孔加工技术的开发应用尤其引人注目。微细孔加工早已在印刷电路板等加工中加以应用，包括钢材在内的多种被加工材料，均可用钻头进行小直径加工。目前，小直径孔加工中，利用钻头切削的直径最小可至50m左右。小于50m的孔则多采用电加工来完成。为了抑制毛刺的产生，许多研究者提出可采用超声波振动切削的方式。目前，正在探索一种应用范围广而且工艺合理的超声波振动切削模式，其中包括研究机床的适应特性等内容。随着这些问题的顺利解决，今后可望更好地实现直径更小的微小深孔加工，加工精度会更高 2.3 特种热处理的发展现状与应用 特种热处理工艺是国防工业系统关键制造技术之一。真空热处理以其特有的无污梁、无氧化、工件变形小和适用范围广等优点，广泛用于航空航天结构件处理，如齿轮结构件表面渗碳或渗氮，导弹和航天器各种合金或钢件的去应力、增强或增韧处理等。典型结构如：仪表零件、传动结构、燃料贮箱、发动机壳体等；美国热处理炉约有50%以上为真空热处理炉。真空热处理炉已广泛采用了计算机控制,目前已发展到真空化学热处理和真空气淬热处理，包括高压真空气淬、高流率真空气淬和高压高流率真空气淬技术等。另外，激光热处理技术在国外已广泛用于航空、航天、电子、仪表等领域，如各种复杂表面件、微型构件、需局部强化处理构件、微型电子器件、大规模集成电路的生产和修补、精密光学元件、精密测量元件等。2.4 数控电火花加工新工艺的应用 a.标准化夹具 数控电火花加工为保证极高的重复定位精度且不降低加工效率，采用快速装夹的标准化夹具。标准化夹具，是一种快速精密定位的工艺方法，它的使用大大减少了数控电火花加工过程中的装夹定位时间，有效地提升了企业的竞争力。目前有瑞士的EROWA和瑞典的3R装置可实现快速精密定位。 b.混粉加工方法 在放电加工液内混入粉末添加剂，以高速获得光泽面的加工方法称之为混粉加工。该方法主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工。可降低零件表面粗糙度值，省去手工抛光工序，提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）。混粉加工技术的发展，使精密型腔模具镜面加工成为现实。 c.摇动加工方法 电火花加工复杂型腔时，可根据被加工部位的摇动图形、摇动量的形状及精度的要求,选用电极不断摇动的方法,获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸,实现小间隙放电条件下的稳定加工。 d.多轴联动加工方法 近年来，随着模具工业和IT技术的发展，多轴联动电火花加工技术取得了长足的进步。模具企业采用多轴联动的方法来提高加工性能，如清角部位在加工可行的情况下采用X、Y、Z三轴联动的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象。模具潜伏式胶口的加工通过对电极斜度装夹定位的设计，也可进行斜向多轴联动加工。采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，可适应不同种类工件的加工要求，扩大数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。3 国外精密加工技术发展趋势3.1 美国美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸=0.025µm）,并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y-12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM-3型，该机床可加工最大零件2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括x光天体望远镜）等，该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5 nm，加工表面粗糙度为Ra4.2 nm.该机床与该实验室1984年研制LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精密度最高的大型金刚石超精密车床。3.1 欧洲英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre(纳米工中心)既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1µm，表面粗糙度Ra<10nm。3.2 日本日本对超精密加工技术的研究相对于美,英来说起步较晚,但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家.日本的研究重点不同于美国,前者是以民品应用为主要对象,后者则是以发展国防尖端技术为主要目标.所以日本在用于声、光、图象、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，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。4 研究和探讨4.1 精密加工技术努力开发加工单位极小的精密加工方法，必须在加工原理的本身就使其误差分散在1 nm以下的水平。目前加工单位比较小的加工方法主要有弹性破坏加工、化工加工、离子束加工、等离子加工等。目前的金刚石切削和金刚石砂轮精密磨削从其加工原理上看，其加工单位就很大。4.2 开发精密的机械机构不论是加工装置还是测量装置，都需要精密的机械机构，包括导轨、进给机构及轴承等，超精密空气静压导轨是目前最好的导轨，其直线度可达0.10.2µm/250mm，通过补偿技术还可以进一步提高直线度，但是它没有液压静压导轨的刚性大。同时，由于空气静压导轨的气膜厚度只有10µm左右，所以在使用过程中，要注意防尘。另外，在导轨的设计中，还可以用多根导轨并联来均化气膜的误差。用高弹性合金、红宝石制造的滚动导轨，系统误差在0.5µm左右，随机误差不超过0.1µm，确保产品的可靠性。目前超精密加工所使用的磁悬浮轴承主轴精度低于空气静压轴承主轴，空气静压轴承主轴的回转精度可达0.5µm，国外可达到0.03µm，但这仍然无法满足纳米加工对主轴的精度要求。要想提高空气静压轴承的回转精度就必须提高轴承的回转精度，而空气静压轴承精度是轴承部件圆度的1/151/20，所以，要得到10nm的回转精度，轴和轴套的圆度要达到0.15-0.20µm，同时为了气体流出的均匀性，对于纳米的主轴，多采用此类加工方法。4.3 开发高精度的测试系统在目前的超精密加工领域中，对加工精度的测量主要有两种方法；激光检测和光栅的测量，而光栅的测量应用最为广泛，精度可达nm级，如北京光电仪研究中心的光栅系统可达0.1µm，俄罗斯的全息光栅系统达10nm，LG100光栅系统的分辨率可达0.1µm，测量范围为100mm5。开发系统误差小、精度高和可靠性高的检测仪器和控制装置的前提是开发高性能的传感器以及祠服从机构。如果开发出高性能的传感器以及祠服从机构及高精度、高速度和高可靠性的读出装置，就可以通过使用计算机进行检测、分析及计算，以提高检测精度。 与超精密加工有关的技术问题还有很多方面，如湿度控制技术、振动控制技术、环境控制技术等。比如材料的弹性变形和热变形，就很难使材料的去除加工达到原子级的精度，长100 mm的钢制零件，要控制其热变形在0.01mm以内，就必须控制温度变化在001以内，这在加工领域还很难实现。只要在上述的一个方面取得发展或突破，必将引导精密加工技术的高速发展。4.4 开发适用于精密加工并能取得高精度、高表面质量的新型材料例如最近开发超微粉烧结金属、非结晶金属、超微粉陶瓷、非结晶半导体陶瓷、复合、高分子材料等。只要在上述的方面一个取得发展或突破，必将导致精密加工技术的高速发展。5 结论精密加工方法在今天显得越来越重要，精密加工技术已成为目前高科技技术领域的基础，提高超精密加工的精度已成为目前迫在眉睫的问题。目前，很多学者正在这方面做着大量的研究和实验，相信不久的将来，超精密加工会取得长足进展。参考文献 1 简金辉,焦锋.  超精密加工技术研究现状及发展趋势J. 机械研究与应用. 2009(01)  2 袁哲俊.  精密和超精密加工技术的新进展J. 工具技术. 2006(03)  · 3 贺大兴,盛伯浩.  超精密加工技术的发展现状与趋势J. 新技术新工艺. 2006(05)  4 吴敏镜.  超精密加工的技术基础和创新J. 新技术新工艺. 2006(05)  · 5 张彩芬.  现代精密和超精密加工技术及发展J. 科技资讯. 2006(28)  · 6 袁巨龙,王志伟,文东辉,吕冰海,戴勇.  超精密加工现状综述J. 机械工程学报. 2007(01)  7 吴云锋,陈洁.  精密超精密加工技术综述J. 新技术新工艺. 2007(06)  · 8 张建明.  现代超精密加工技术和装备的研究与发展J. 航空精密制造技术. 2008(01)  9 王大伟,崔宇,杨坤,陈喜龙.  精密和超精密加工技术的发展J. 科技资讯. 2008(14)