2000超精密加工技术的发展及对策2000超精密加工技术的发展及对策.pdf

文章编号: 1004- 132Ⅹ( 2000) 08- 0841- 04 超精密加工技术的发展及对策 李圣怡　教授 李圣怡　戴一帆 　　　　摘要:介绍超精密加工技术及其应用背景、发展动向,以及超精密加工关 键技术的一些必威体育精装版成果。从超精密加工技术推广应用的角度阐述其模块化、 廉价化发展趋势, 同时就如何发展诸如模块化部件、执行系统、测量控制和环 境控制等超精密加工关键技术提出一些新的观点和方法。 关键词: 超精密加工;机床; 超精密数控;误差检测 中图分类号: T H161　　　文献标识码: A 收稿日期: 2000—05—26 1　超精密加工技术的特点及其应用 超精密加工目前尚没有统一的定义, 在不同 的历史时期, 不同的科学技术发展水平情况下, 有 不同的理解。通常我们把被加工零件的尺寸精度 和形位精度达到零点几微米,表面粗糙度优于百 分之几微米的加工技术称为超精密加工技术。 超精密加工的重要手段包括 超精密切削, 如超精密金刚石刀具镜面车削、镗削和铣削等; 超精密磨削、研磨和抛光; 超精密微细加工(电 子束、离子束、激光束加工以及微硅器件的加工、 LIGA 技术等)。 超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的 市场, 它既是高代价、高投入的工艺技术,又是高 增值、高回报的工艺技术,世界工业先进国家都把 它放在国家技术和经济振兴的重要位置。试举几 例。 ( 1)超精密偶件加工　例如,惯性导航仪器系 统中的气浮陀螺的浮子及支架、气浮陀螺马达轴 承等零件的尺寸精度、圆度和圆柱度都要求达到 亚微米级精度; 人造卫星仪器轴承是真空无润滑 轴承,其孔和轴的表面粗糙度Ra达到 1 nm ,圆度 和圆柱度均为纳米级精度, 这些零件都是用超精 密金刚石刀具镜面车削加工的。精密液压控制系 统中的精密伺服阀的阀芯与阀套的配合精度也常 在亚微米等级,它是用超精密磨削方法加工的。 ( 2)超精密异形零件加工　例如,航空高速多 瓣防滑轴承的内滚道/激光陀螺微晶玻璃腔体, 都 是用超精密数控磨削加工而成的。陀螺仪框架与 平台是形状复杂的高精度零件,是用超精密数控 铣床加工的。 ( 3)超精密光学零件加工　例如,激光陀螺的 反射镜的平面度达 0. 05 m, 表面粗糙度 Ra 达 0. 001 m, 它是由超精密抛研加工、再进行镀膜 而成,最终要求反射率达 99. 99%。一些高精度瞄 准系统要求小型化,所以用少量非球面镜来代替 复杂的光学系统。这些非球镜是用超精密车、磨、 研、抛加工而成的。最近,二元光学器件的理论研 究进展很大, 二元光学器件的制造设备是专用的 超精密加工设备。 在民用方面,隐形眼镜就是用超精密数控车 床加工而成的。计算机的硬盘、光盘、复印机等高 技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段 制成的。 ( 4)微机电系统器件加工　微机电系统( M E- M S)是从集成电路制造技术发展起来的新兴机电 产品,如微小型传感器、执行器等。硅光刻技术、 LIGA 技术和其它微细加工技术的生产设备、检 测设备都是超精密加工的产品。 2　超精密加工技术的发展及分析 超精密加工技术是以高精度为目标的技术, 它必须综合应用各种新技术,在各个方面精益求 精的条件下, 才有可能突破常规技术达不到的精 度界限,达到新的高精度指标。近 20年来超精密 加工技术在以下几个方面有很大的进展: 超精 密加工机床技术; 超精密加工刀具及加工工艺 技术; 超精密加工的测量与控制技术; 超精密 加工环境控制(包括恒温、隔热、洁净控制等)。 2. 1　超精密加工机床的设计与制造技术 2. 1. 1　世界超精密机床的现状与特点[ 1] 纵观 40年超精密机床发展史,可以总结为两 大特点: ( 1)大学和研究所保持着对超精密机床研究 的持续热情,对高技术进行超前研究,对超精密机 ·841· 超精密加工技术的发展及对策——李圣怡　戴一帆 床产业化和商品化起着推动的作用　例如, 20世 纪 80 年代, 美国 Union Carbide 公司、Moore 公 司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状精度 为 0. 1 m、直径为 800 mm 的大型球面光学零件 超精密加工为目标的超精密机床研究计划—— POMA ( po int one micrometer accuracy )计划 [ 1] , 这是一个里程碑式的研究计划。 1984年,美国加州大学伯克利分校 LLNL 实 验室成功研制的大型光学金刚石车床 LODT M , 是迄今为止精度最高的大型超精密机床[ 2]。该机 床可加工直径为 2. 1 m ,重为 4. 5 t 的工件。采用 高压液体静压导轨, 在 1. 07 m×1. 12 m 范围内 直线度误差小于 0. 025 m (在每个溜板上装有标 准平尺,通过测量和修正来