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发展我国超精密加工的对策
2008/7/10/09:55  来源:中国航空精密机械研究所  作者:吴明根 杨辉

    海湾战争充分展示了高技术在现代战争中的作用。这些高技术武器是以先进制造技术为基础的,而超精密加工则是先进制造技术的重要组成部分。因为侦察卫星、超视距攻击、精确制导、夜战、电子战等高技术武器都是依靠超精密加工技术生产出来的。美国早在60年代就开始进行超精密加工技术的研究,投入了大量的人力、物力,取得了很大成绩。我国发展超精密加工则应根据我国国情,采取相应措施,依靠现代科技,发展给我们带来的有利时机,争取在不太长的时间内,掌握制造上述先进武器装备所需的超精密加工技术,制造出相应的高技术武器,为国防现代化作出努力。

1研究超精密加工技术的方向与目标

根据国情,我国发展超精密加工工技术,可以从以下几方面进行研究:

    ①提高超精密加工的精度;

    ②根据新产品及新型号的需求牵引:

    ③超精密加工技术实用化和廉价化。

    以上三个方面应有机结合起来,在某个时期可偏重某一方面。刚开始起步时,应以提高精度为主。但是一定要避免盲目追求精度。我们不必像国外那样,一提提高精度就要达到纳米级,说粗糙度就要达到十分之几埃。

    这样的标准(或水平)就学术研究而言是有进步意义的,但以我国现状、投资强度、人力物力情况而言,目前很难达到。所以要有所为而又有所不为,才能在最急需的方面赶上国外。如国外研究超精密切削加工技术中利用金刚石薄切削技术能得到1nm的切屑厚度,金刚石刀具刃口半径达到了3—4nm;而就我国现有技术,金刚石刀具刃口的半径还很少能达到50nm,但这些对武器系统中绝大多数精密零件的制造已经足够,因而没有必要再去研究如何得到更薄的切削厚度了。

    纳米技术是一项热门技术,国内一些学者都在积极探索。纳米卫星、纳米陀螺以及纳米医疗技术等无疑具有诱人的前景。但纳米技术是制造技术中的尖端技术,即使在发达国家也是将来的事,我们当务之急是迅速发展能制造出与国外相应的先进武器的实用技术。现在我们迫切需要解决的不是纳米卫星,而是高精度控制与遥感卫星,不是纳米陀螺,而是激光陀螺、光纤陀螺或挠性陀螺之类所需的制造技术。

    根据新产品及新型号的需求牵引来研究超精密加工,更容易达到实用化,这对提高高技术产品的性能、质量、水平都有很大好处。这种预先研究的项目一定要看准方向,投入的人力、物力、财力应该有一定强度。实现超精密加工实用化和商品化是使科研成果转化为生产力,提高现有产品性能、质量与效率的重要措施。经过“七五”及“八五”的努力,我国目前已有一定的基础,因此,应该大力开展,以便超精密加工技术在我国更快地转化为生产力,成为制造先进武器的实用技术。

    今后十年,应着重开展超精密加工技术实用化、商品化的研究,适当重视提高精度的研究。从提高精度角度看,应达到国际80年代末期水平,满足我国高技术领域的需要。从实用化与商品化角度来看,达到国际80年代中期的水平就不容易,一定要在人力、物力、投资强度及政策方面都予以保证。

2重视超精密磨削及研磨技术的研究

目前国内对超精密切削加工的有关技术研究较多,这对提高超精密加工技术的水平无疑是很有用的。但超精加工的范围很广,除了车削以外,超精密磨削、研磨、抛光均有其广泛的应用前景,应该把超精密切削加工中的技术应用到超精密磨削与研磨中来,发展超精密磨削与研磨技术,并将其应用到黑色金属、半导体材料Si、InP、HgCdTe、GaAs以及新型陶瓷材料等各种材料上。这对提高我国光电及微电子工业水平都有重要的意义。

3超精密元部件标准化、系列化和商品化

超精密元部件的主轴、导轨、微量进给机构以及相应的检测、隔振元件等都是超精密加工的基础元部件。这些元件的标准化、系列化、商品化对超精密加工的广泛应用有很大的作用。国外,特别是美国、日本发展迅速的原因之一,就是其超精密元部件作为系列化的商品,可在市场上买到。所以应该重视和发展超精密元部件的标准化、系列化与商品化。

4发展模块化超精密加工设备

4.1模块超精密加工设备

现有的超精密加工设备有两种类型:一种是通用性很强的机床,如美国MOORE公司的M—18AGCNC超精密车床、PNEUMO—PRECISlN超精密车床。这类机床可加工各种不同的零件,如非球面透镜、各种形状的铝、铜零件、激光反射镜、印刷照相凹板、磁盘基片、配油盘等,这类机床功能齐全,精度高,但价格昂贵,每台约100—160万美元。另一类是专用超精密加工机床,如磁盘车床、多面体超精密铣床等。这种机床结构简单,价格也相对便宜,每台约20一40万美元,对于高技术工业的精密零件来说,不可能在一种机床上加工上述所有的零件,但是如果每种零件使用一台机床,势必造成生产成本高,不能快速响应用户变化的要求。鉴于此,笔者认为应发展一种廉价、可靠的模块化超精密组件,根据用户需要组成所需的超精密加工与检测设备,或改装精化现有的一般精密机床,使之满足高技术领域精密元件的加工需要。

    根据模块组合的基本构想,上述精密元件可采用不同模块组成的机床加工。关键模块元件有以下一些:

    基准元件一一轴承、导轨、微量进给机构;

    检测元件一一长光栅、激光测量、电容和电感传感器;

    控制系统——PC、CNC和MC系统:

    防振元件一一空气隔振垫。

    其中检测元件和控制系统都己标准化和系列化,可以外购或外购改

    制。

4.2模块化结构

(1)中速高精度空气轴承一一模块A转速为3000rpm,回转精度为O.05—0.1μm,驱动为涡流马达或空气轴承马达。

(2)低速高精度液压轴承一一模块B转速为0—150rpm,回转精度为0.02—0.05μm,驱动为无刷力矩马达。

(3)高速空气轴承一一模块C转速为30000rpm、60000rpm、100000rpm,回转精度为0.5—lμm,驱动为高频马达或涡轮。

(4)“口”型静压导轨一一模块D直线度为O.05—0.21μm/200mm,驱动为力矩马达摩擦驱动、气压油缸驱动与静压丝杠驱动。

(5)燕尾型静压导轨一一模块E直线度为O.1—0.2μm/200mm,驱动为力矩马达摩擦驱动、气压油缸驱动与静压丝杠驱动。

(6)分辨率为O.01—0.0021μm微量进给驱动机构一一模块F驱动为无刷力矩马达摩撩驱动,电致伸缩驱动。

(7)一般进给驱动一一模块G气压油缸驱动。

(8)花岗石底座一一模块H

(9)空气隔振垫一一模块I

利用上述模块,再根据不同加工对象的要求,临时设计一些特殊的构件,即可组成所需要的超精密加工设备或检测设备,也可用上述模块改造精化一般精密机床。

5充分发挥超精密加工技术国防重点实验室的作用

近十几年来,超精密加工技术已将加工精度提高了1—2个数量级,能使产品性能向高档升级,极大地提高了产品的可靠性,是生产现代化武器装备和高技术产品必不可少的关键技术,也是衡量一个国家科学技术和武器发展水平的重要标志。各工业发达国家视超精密加工技术为生命线而竞相发展。美国劳伦斯·利夫摩尔国家实验室,在60年代开发起精密加工技术时,很重视超精密加工基础工艺和设备的研究。美国的许多重大国防工程项目中的关键元部件,如惯性器件、核聚变反射镜、哈勃望远镜等都出自该实验室。该实验室的建立对美国乃至全世界超精密加工技术的发展都起到了重要的推动作用,英国的CUPE实验室研究出著名的大型x射线望远镜,成为英国超精密加工中心,为英国的高新技术产品作出了突出贡献。荷兰的PHILIPS实验室,其超精密加工技术提高了荷兰的国际地位。70年代末期,日本许多公司都相继建立了一系列实验室,发展各自产品的超精密加工技术。

    实验室是将研究成果转化为生产力的桥梁,也是超精密加工这样的基

    础研究不可缺少的条件。国外的发展证明了这一点,凡是重大工程成果的关键超精密加工技术,几乎都是在实验室里突破的。我国由于超精密加工水平低,使国防工业的水平与高技术产品受到限制,比如目前新一代陀螺仪还不能问世,新的能源及原动机不能发展,不得不采用国外早己换代的产品,精度低,能耗高。

    因此,必须充分发挥现有重点实验室的作用,在配套投资及运行经费等方面予以落实,建立新的适合于技术发展和调动科研人员积极性的运行机制。实验室不仅要进行基础研究、应用研究,还要根据国防工业中的关键技术需求提供一定的技术装备。

6开展超精密加工与其它技术结合的研究

6.1计算机补偿技术

超精密机床的精度主要是依靠机床的基准元部件的精度达到的,而继续提高机床部件的精度己十分困难,而且在一些加工中发生的误差很难消除。利用计算机修正其误差,可进一步提高加工精度,这是超精密加工发展的一个方向。

    在超精密机床上采用计算机控制是较为普遍的控制方法,但是利用计算机实现其精度控制的实例很少。在一般精密加工中,用自适应控制补偿加工误差是可行的,但在超精密加工领域内(IT-1一IT-2)则难度很大,必须解决许多复杂的技术问题。

    用一般闭环反馈控制方法来实现超精密加工也有难度。因为在加工系统中,要直接测量进入系统的外扰量。根据这些外扰量,由计算机进行数据处理,在极短的时间内,预测随机进入的外扰量,使刀具位置提前进行控制。如在正圆度的控制中,由于时间的滞后,采用这种预报控制的方式是十分必要的。在超精密加工中,这种前馈控制方式将被广泛开发.此外,机床的系统误差可预先存在计算机中,在运动过程中作相应补偿。为此,必须采用运算速度快的计算机和响应频率高、精度高、可靠性好的测量元件及高精度、高分辨率、高响应频率的微量位移机构。

    应用DDS(动态数据系统)方法提高机床精度是一种有益的尝试,但

    在超精密加工领域内,还要开展许多必要的研究。从目前来看,导轨的补偿已实用化,但只有权个别的机床在应用,主轴回转精度在测量上用计算机补偿也己实用化。转速高的主轴回转运动实用化是很困难的,存在检测元件响应频率与计算机速度的问题。而用现有制造水平已制造出0.05μm回转精度的主轴。用了补偿法反而可靠性、实用性会大大下降,所以采用这种计算机补偿方案应慎重。

6.2加工检测一体化

在超精密加工中,零件精度很高,机床的精度比一般测量仪器和测量机的精度还高。若将加工机床与仪器的功能结合起来,在刀具的位置上换成相应的传感器,即可实现加工零件的测量。当然,加工状态与检测状态是不同的,必须考虑装夹变形等因素。这样机床既可作加工用,又可作测量用,扩大了超精密机床的应用范围,也解决了零件测量的难题。



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