超精密切削技术应用及发展.docx

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超精密切削技术应用及发展

《现代制造技术》考查

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超精密切削技术应用及发展

摘要:

本文首先介绍了有关超精密切削制造技术的基本概念、特点、作用和主要设备，然后依次简述了超精密切削制造技术在汽车生产中、木工机械行业以及在内燃机制造方面的运用，最后简要的分析了其发展的支撑条件及新发展。

关键词：

超精密切削制造技术；汽车生产；土木机械；内燃机制造；新发展

1.概述：

超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度发展。

超精密加工技术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，是先进制造技术的基础和关键。

当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础。

目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1μm。

2.超精密切削制造技术

60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。

为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。

（经SPDT加工的光学元件成品示意图）

超精密加工主要包括三个领域：

（1）超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。

它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。

（2）超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。

（3）超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1μm。

如用扫描隧道电子显微镜（STM）加工，线宽可达2～5nm。

2.1在汽车生产中的应用

<1>高速切削技术在轮胎模具加工中的应用

　　轮胎影响着汽车诸多方面的性能，高精密的轮胎模具对于生产优质的轮胎尤为重要。

高速切削加工技术应用于轮胎模具的生产中，不仅突显出其切削效率高、加工精度高、表面质量好的特点，而且也体现出其大大缩短了机械后加工、人工后加工和取样检验辅助工时的优势。

　　目前，随着技术性能要求的提升，汽车轮胎胎面的花纹图案变得愈加复杂和精致，原有的铸造模具和电火花加工模具已不能满足各种高精度轮胎制造的要求，取而代之的便是采用高速切削加工技术制造的高速直接雕刻模具。

这种模具不仅精度高而且外观质量出色，完全消除了传统铸造和电加工过程中容易产生的潜在弊端。

　　高速切削（HSC）是近几年发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。

高速切削是指采用超硬材料刀具和能实现高速运动的高精度、高自动化、柔性的设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造技术。

高速加工技术用于制造模具，具有切削效率高、加工精度高和表面质量好等显著优势，还可以大大缩短机械后加工、人工后加工和取样检验辅助工时。

　　高速加工技术是一项先进的、不断发展的综合技术。

要充分发挥高速加工技术的优势，除必须具备高速加工机床外，还必须综合应用高速加工刀具技术、高速加工工艺技术、高速加工CAD/CAM技术以及冷却润滑技术。

随着高速加工技术的不断发展，高速加工的优势和作用将越来越明显。

　　轮胎模具行业的特点是单件小批量生产，因此，高速加工技术在轮胎模具行业的推广使用，有着非常巨大的发展潜力和发展空间。

高速雕刻技术的问题点主要是设备和刀具的成本高昂，一般企业不敢轻易投入。

另外，对于花纹钢片比较多的、花纹锐角较尖的花纹图案，采用这种工艺技术也不大适合，理由是加工难度很大，且再小的刀具也不能加工出内尖角，还是必须结合电火花加工来完成最后成形。

<2>高速切削技术在轮胎模具加工中的要求

　　高速切削技术作为高效加工的重要手段之一应用于轮胎模具花纹的加工中，其技术含量相当高，涉及到多方面的内容，包括快速的规范的编程、多轴联动加工、细微刀具应用、标准化操作、并行加工等方面，可以减少了以往电火花加工和人工修整的工作量，还可以保证模具制造的高度一致性，确保模具精度，缩短加工周期，从而提高生产效率，实现高效加工。

　　随着汽车轮胎胎面的花纹图案变得愈加复杂和其技术要求变得越来越严格，高速切削加工已经被逐渐应用到轮胎模具花纹的雕刻加工中。

而由于轮胎模具花纹具有明显不同于常规模具结构的特殊性，因此高速切削技术在轮胎模具加工中具有一定的技术要求。

　　1.对机床的要求

　　为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度（重复定位精度±0.005mm），性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。

（1）拥有高速主轴既然是高速切削加工，机床的主轴能否达到真正的高速是满足高速切削加工的必备条件。

因为轮胎模具的花纹加工中所使用的刀具比较细小，为了保刀具的切削效果以及对刀具给予最有效的保护，因此对主轴的要求很高，转速一般要求达到20000～40000r/min，甚至更高；进给速度达到40～80m/min；主轴功率一般为10～40kW。

（2）高速移动高速切削加工并不仅仅是指机床的主轴拥有高速转动的功能，而且也应该包含高速移动功能，包括高速移动横梁、高速移动工作台等。

　　（3）良好的精度稳定性和抗振性能为了减少模具在开粗时重切削所产生的振动以及在高速切过程各高速运动零部件产生的高热量等不利于保护机床使用及精度控制的因素，高速切削机床的床身等支持部件应具有很好的动刚度、静刚度、热刚度以及阻尼系数。

因此对于高速切削加工的机床床身及其主要支撑部件应该采取质量高、刚性好的材料，以保证机床使用过程中精度稳定并消除因切削特别是重切削引起的振动。

　　（4）优秀的进给驱动系统要满足高速切削机床的要求，除了必须拥有高速主轴之外，优秀的进给驱动系统也是关键条件。

进给驱动系统应有很高的控制精度和响应速度，目前全数字伺服系统驱动已经成为高速切削机床所广泛使用的一种方法。

　　2.对刀具的要求

　　轮胎模具的花纹相当复杂多变，随着花纹的变化，需要的刀具形状和尺寸各不相同，刀具的直径最小可以达到0.5mm，甚至有些刀具的刃部结构是无法从市场采购到的，需要自己处理。

不管如何，刀具在轮胎模具的高速切削加工中具有不可低估的作用，随着加工方式、工件材料以及刀具选择的变化，高速切削加工的速度会有很大变化。

刀具的质量直接影响到轮胎模具的加工效率和加工质量，因此为了实现高速切削，必须对刀具提出要求。

（1）刀具材料选择在加工时，必须根据工件材质来选用刀具的材料。

虽然轮胎模具花纹部分的零件材料一般采用中低碳钢或铝合金材料，但由于所使用刀具直径较小，切削过程容易折断或崩裂，因此对刀具材料也要提出较高的要求，刀具应具有高强度、高韧性等性能，一般情况下可以有以下几种材料的刀具可选：

金属陶瓷材料刀具、超细颗粒硬质合金刀具、表面涂层刀具如PVD高性能涂层刀具等。

（2）刀具结构选择加工轮胎模具花纹时，刀具的结构选择除了应结合所使用机床的接口包括系统接口外，还应根据被轮胎模具花纹结构及加工工序来优化组合刀具材料、涂层和槽型功能，选定具有最佳切削效果的刀具结构。

例如轮胎模具花纹筋条一般呈角度多变状，花纹筋根部要求无圆角且花纹筋末端经常有一些尖角需要处理，因此在选用刀具时既要考虑刀具可能如何避免或较少产生一定的R角，还要考虑选用坚韧耐磨的细微刀具，同时还要注意刀刃应利于在死角处如何排屑等问题。

　　（3）刀具装夹及防护在高速切削过程中，必须加强刀具与夹紧装置的强度、刚度和稳定性，以保证在高转速下能够正常工作且安全可靠。

注意刀具实际工作的转速，不超过刀具与刀柄夹紧装置制造厂家注明的允许最高转速。

采用短锥空心刀柄代替传统刀柄，以提高刀具轴向和径向定位精度、轴向刚度，并具有过载保护作用。

　　3.对工艺的要求

（1）为避免精密高速机床使用过于集中及精密机床过快受损，在处理加工工艺时如有可能可以考虑粗加工、半精加工和精加工分开，采用一般机床和精密机床相结合，以实现错位加工，缩短单件在机时间，同时保证机床常处于比较稳定的精加工状态。

（2）减少切削量，加大进给。

传统的轮胎模具的机加工中，例如用铣刀进行侧面切削时，采用刀具直径进行全面加工的情况较多，但这样会造成切削热的传导与散发不充分，从而加速刀具磨损。

在高速加工中，刀具在直径方向的进给量减小，而空转时间增加，从而赢得了充足的时间使切削热得到散发，由此可以减少刀具的磨损。

（3）快速清除切屑。

高速切削过程中，工件受到挤压而被切削，这个过程中产生了大量的热量，据有关研究结果，高速切削后的热量一般按以下情况分配：

约95%的热量集中在切屑上，2%的热量留在工件上，3%的热量在刀具上。

所以，高速切削后如不及时将切屑排出，这些热量就会传递给工件和刀具。

因此要对切削位置进行必要的冷却和并排屑，避免热量的传递和聚集。

快速排屑还能避免了切屑的二次切削，有效保护刀刃，从而延长刀具寿命。

2.2在木工机械中的应用

木工机械是指在木材加工工艺中，将木材加工的半成品加工成为木制品的一类机床。

家具机械是木工机械的重要组成部分。

木工机床加工的对象是木材。

木材是人类发现利用最早的一种原料，与人类的住、行、用有着密切的关系。

人类在长期实践中积累了丰富的木材加工经验。

木工机床正是通过人们长期生产实践，不断发现、不断探索、不断创造而发展起来的。

木家具是指用木制材料制成的用具。

根据其结构可分为框架式家具和板工家具两大类。

典型框架式家具的结构为榫卯结构，材料为天然实木板、方材，如红木家具、明式家具、清式家具、实木餐桌椅等。

典型的板式家具是指以人造板为材料，结构采用连接件、圆榫等方式连接的家具。

1木工锯床及跑车

2木工刨床

3木工开榫机,木工榫槽机,木工铣床

4木工车床及多用机床

5木材加工配套设备

6家具制造机械

伴随着科学技术的不断地发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现。

伴随我国加入WTO的脚步，我国木工机械装备水平与国外的差距会越来越小，国外的先进技术和设备会不断涌入，对国内木工机械而言，挑战与机会并存。

电子技术、数字控制技术、激光技术、微波技术以及高压射流技术的发展，给家具机械的自动化、柔性化、智能化和集成化带来了新的活力，使机床的品种不断增加，技术水平不断提高。

国内外的发展趋势有以下几点：

（1）高新技术介入木工机械，促进自动化、智能化无论数控加工技术在木工机械上的应用，还是计算机技术的普及化，都预示着高新科技正在向各个技术领域推进。

电子技术、纳米技术、太空技术、生物技术等在木工机械领域正在或将来一定能得到广泛的应用。

（2）更多效仿金属加工手段。

从世界范围内的木工机械发展史看，木材加工方法有与金属加工方法同化的趋势，比如数控镂铣机的出现，便是一例。

我们可否大胆预测，将来木材会被像锻造钢锭一样进行重塑定型。

更多效仿金属加工手段。

（3）以规模带动效益从国内发展格局看，木材加工企业或木工机械装备，均有大型化、规模化的趋势，否则将被淘汰。

我国现阶段落后的、简易的木工机械仍有很大的市场，很多木材加工企业还在推行劳动密集型的经营模式。

未来的木材加工企业必然走产业化、大型化、规模化的发展道路。

（4）提高木材的综合利用率。

由于国内乃至世界范围内的森林资源日趋减少，高品质原材料的短缺已成为制约木材工业发展的主要原因。

最大限度地提高目次的利用率，是木材工业的主要任务。

发展各类人造板产品，提高其品质和应用范围是高效率利用木材资源最有效的途径。

另外，发展全树利用，减少加工损失，提高加工精度均可在一定限度上提高木材的利用率。

（5）以人为本，实现绿色环保我国政府推行退耕还林、天然林保护工程、林业两大体系建设和六大工程建设，均是保护环境明智之举；2002年7月1日起，全面强制执行人造板产品标准，达不到环保要求的不准生产、销售。

木材加工行业的发展，必须遵循两条原则，首先是保护环境，最小限度地索取自然资源，最大限度地减少对环境的污染；其次是木材加工制品必须对人体无害或有害度控制在最低范围内。

因此，未来有生命力的木工机械及木材工业产品，必然是按人机工程学设计的，符合环保要求的。

（6）提高生产效率和自动化程度。

提高生产效率的途径有两个方面：

一是缩短加工时间，而是缩短辅助时间。

缩短加工时间，除了提高切削的速度，加大进给量外，其主要的措施是工序集中，因为刀具、震动和噪音方面的原因，切削速度和进给量不可能无限制地提高，因为多刀通过式联合机床和多工序集中的加工中心就成为了主要的发展方向。

如联合了锯、铣、钻、开榫、砂光等功能的双端铣床；多种加工工艺联合的封边机；集中了多种切削加工工序的数控加工中心等。

缩短辅助工作时间主要是减少非加工时间，采用附带刀库的加工中心，或采用数控流水线与柔性加工单元间自动交换工作台的方式，把辅助工作时间缩短到最低。

3.超精密切削制造技术的发展

我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。

但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。

目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。

下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。

精密机床技术的发展

精密机床是精密加工的基础。

当今精密机床技术的发展方向是：

在继续提高精度的基础上，采用高速切削以提高加工效率，同时采用先进数控技术提高其自动化水平。

瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统，成为一台加工中心；同时为实现高速切削，已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。

瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达5μm，已达到过去坐标镗床的精度。

从这两台机床的性能可以看出，现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。

使用金刚石刀具的超精密切削技术

超精密切削技术的进展

金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份，不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。

使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。

超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。

超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm。

因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM）方便地进行测量。

超精密切削机理的研究

对超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。

例如，超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而获得镜面，这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切除的脆塑转换问题，最近对此提出了不少新见解。

由超精密切削玻璃的实验结果可见，开始时切削厚度甚小，切除机理为塑性去除，加工表面无脆性破损痕迹。

随着切削厚度的增大，塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除，加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。

目前，使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识，同时可以对超精密切削效果作出比较准确的预报。

由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到，由于晶体的各向异性，导致在不同方向的切削力是不相等的。

利用对超精密切削过程的分子动力学模拟，可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析，并能对切除过程进行动画演示。

新的金刚石刀具晶体定向方法

由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。

制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。

哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。

超精密加工机床的进展

国外超精密机床的发展情况

研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。

近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。

超精密机床的发展方向是：

进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。

美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。

在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：

一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。

其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。

美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。

该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。

我国超精密机床的发展情况

在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。

但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。

KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。

必须承认，在超?

密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。

在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。

现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。

4.总结

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.

（注：

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