超精密车削加工.doc

超精密加工技术结课论文摘要:主要论述对孙涛老师超精密车削加工技术及应用这门课学习后的一些情况所得，并结合网络所查资料对超精密车削加工理论、发展与运用方面有所阐述。关键字：超精密加工 车削 金刚石刀具 机床引言：之前一提到超精密这个词，会觉得它很神秘，但经过孙涛教授的讲解以及课后查找资料，同其它复杂的高新技术一样，对超精密加工有所了解。由于新材料、新技术、新产品的更新换代日益加快，航空航天、军事武器以及民用产品的发展，当今产品要求具有较高的精度。为此，一种本质上区别于普通车加工的超精密车加工便应运而生。超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，一般称为金刚石刀具具切削。通常，我们按照加工精度划分，可将机械加工分为：一般加工、精密加工、超精密加工。加工精度在0.11m，表面粗糙度在Ra0.020.1m之间的加工方法称之为精密加工；精度高于0.1m，表面粗糙度小于Ra0.01m之间的称为超精密加工。因此，如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话，以微米级的去除，才属于超精密加工。1、 需求背景航空航天、民用光学行业、军事、天文等，在制造中都会有大量精密和超精密加工的需求，隐形飞机、直升机、坦克、导弹导引头、侦察卫星等高保真共形光学曲面柱面棱、透、反射镜和菲涅尔透镜及各式导弹、航空航天器导航用陀螺仪的超精密切削加工，大口径KDP晶体元件在NIF大型激光光路中起着不可替代的作用，而大口径KDP晶体元件的加工必不可少需要用到超精密切削加工技术，在民用产品中，显示器、背光板、CCD相机、某些光学衍射元件，超精密切削加工技术也在其中扮演着不可或缺的作用。60年代，美国由于发展LLNL核聚变技术，首先使用天然金刚石刀具的超精密切削技术，其后，英国发展大型光学仪器、日本的民用工业也大量使用，使得超精密切削技术快速发展。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。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。当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。2、 加工设备与工艺目前超精密车床国外主要生产厂家有：美国 劳伦斯实验室LLNL、Moore和Precitech公司英国 克兰菲尔德(CUPE)、Taylor Hobson公司日本 FANUC、 Toshiba德国 库格勒(KUGLER)国内超精密车床主要生产厂家有：北京工研精机（北京机床研究所） 航空精密机械研究所（303所） 哈尔滨工业大学 精密工程研究所其主要设备：卧式超精密金刚石车床DTM-3、LODTM-3超精密机床、M-18AG非球面加工机床、Nanocentre250纳米加工中心、DELTA TURN 40超精密车床、NAM-800超精密数控车床、多轴数控加工机床等。3、加工机理超精密加工机理研究内容 超精密加工机理研究内容(1) 金属切削经典基础理论(2) 超精密极薄切削(3) 材料(晶体方向、晶界)(4) 脆塑转变(5) 研究分析手段(6) 理论与工艺利用经典理论研究切削过程所使用的基本理论：金属切削经典理论分析、经验公式、有限元仿真理论、分子动力学仿真、多尺度仿真等等；研究对象：切削力、切屑形成与断裂、切屑瘤、颤振、弹塑现象、刀具磨损、残余应力、切削热，通过对材料、刀具、机床的研究了解切削过程，从而获取良好的加工表面质量。超精密加工机理研究的发展：超精密切削扩展到超精密磨削与机械化学抛光、材料模拟的多样性、尺度问题：MD千万级计算量与实验对比、与工艺研究的紧密结合。4、机床技术目前我们对超精密加工所使用的加工设备有下列要求(1)高精度。这就包括较高的静精度和动精度，主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；(2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。(3)高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。(4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。多尺度、多层次、复杂系统集成的结构设计：以保证超精密指标。超精密机床的布局设计：1、机床基座；2、机床两维导轨；3、机床主轴与刀架。两轴超精密金刚石车床。带隔振系统的花岗岩基座。空气静压主轴，承载能力高达1000N。径向刚度110 N/um，轴向刚度120 N/um。轴向、径向运动误差均0.05m。X、Z轴液体静压导轨，伺服电机+滚珠丝杠驱动，进给速度最高达3000mm/min。X、Z轴行程分别为350mm、250mm，直线度0.20m，光栅分辨率8.6nm。定位精度1m。设计内容：超精密机床的静态几何力学设计；超精密机床的动态设计；超精密机床的温度特性设计；超精密机床的误差分配与补偿。主要功能部件：超精密机床的主轴部件；超精密机床的导轨部件；驱动与进给部件；检测系统部件；快刀系统部件。主轴部件：气浮/液浮轴承参数设计指标：回转精度、刚度；结构设计：宏观尺寸/微小尺度优化设计；零件制造与装配精度；冷却；驱动电机及连接形式；动态工作状态下的实际精度与测试。导轨部件：直线运动精度、刚度、载重、温升、平稳等参数要求；驱动形式：滚珠丝杠、直线电机；导轨零件的制造与装配精度：直线度、两维或三维垂直度；动态工作状态下的实际精度与测试。目前导轨部分存在的问题是：导轨材料与结构形式；运动精度、定位精度、空间位置；位置传感器与反馈控制技术。5、天然金刚石刀具制造技术目前常用金刚石刀具：大尺寸光栅的金刚石刻刀制造、钻石切片刀的制造、圆弧金刚石刀具的制造、尖刃金刚石刀具。主要产地有：英国Contour公司、日本大阪金刚石、成都工具研究所、上海、深圳。在我国“八五”、“九五”期间，国内仅有230厂、上海仪表厂，研磨直线刃天然金刚石刀具，而国外：LLNL、日本大阪大学、英国Contour、俄罗斯等可生产直线刃和圆弧刃刀具，当时的圆弧刃刀具主要购买国外，不仅价格昂贵，而且刀具磨损后不能修磨。在“十五”、“十一五”期间，我国在哈工大、上海舒伯哈特、深圳井田、303所均可可以制造及修磨直线刃、圆弧刃、尖刀刃的天然金刚石刀具，后期还可买到国外商用产品：英国Contour及日本、俄罗斯刀具。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到24nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有