精密加工的专业导论

科目：专业导论方向：精密加工1精密制造一、技术概述：精密制造技术是指零件毛坯成形后余量小或无余量、零件毛坯加工后精度达亚微米级的生产技术总称。它是近净成形与近无缺陷成形技术、超精密加工技术与超高速加工技术的综合集成。近净成形与近无缺陷成形技术改造了传统的毛坯成形技术，使机械产品毛坯成形实现由粗放到精化的转变，使外部质量作到无余量或接近无余量，内部质量作到无缺陷或接近无缺陷，实现优质、高效、轻量化、低成本的成形。该项技术涉及到铸造成形、塑性成形、精确连接、热处理改性、表面改性、高精度模具等专业领域。超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0．1µm，表面粗糙度Ra小于0．025µm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0．01µm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境条件。超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150～1000m/min，纤维增强塑料为2000～9000m/min。各种切削工艺的切削速度范围为：车削700～7000m/min，铣削300～6000m/min，钻削200～1100m/min，磨削250m/s以上等等。超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。2二、现状及国内外发展趋势：1．技术发展趋势：近净成形与近无缺陷成形技术在下世纪初有以下发展趋势：近净成形技术生产的成形件精度会进一步提高，可以做出形状更加复杂的成形件，更加接近于净成形。（2）近净成形技术会不断有新发展，一方面原来的工艺方法会得到不断改进提高，另一方面综合利用各种成形手段会出现新的复合成形新工艺。（3）随着新材料的出现，不少材料用传统加工方法很难加工，从而推动了新材料近净成形技术的发展。（4）计算机的发展、非线性问题计算方法的发展，推动了非线性有限元等技术发展，使数值模拟技术由学校、研究单位走向工厂，将广泛用于成形工艺分析，并且将由宏观模拟进一步向微观的组织模拟和质量预测方向发展。（5）解决自动化大批量生产与用户对产品个性化要求的矛盾，生产过程的柔性化将会得到发展。（6）由于高效、节能、节材带来的材料和资源的节约和有效利用、成形技术和装备的进步、无污染工艺材料的采用，使成形技术由污染大户转变为清洁生产技术。超精密加工技术的发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。在超高速加工技术中，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经历高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）；切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。32、国外现状：工业发达国家的近净成形技术在近20多年来有很大发展，已经成为机械制造业主要的制造技术，在铸造、锻压、焊接、热处理和表面改性方面都已占据了总产量的主要地位。在我国近净成形技术在整个成形生产中比重还比较低，成形件精度总体平均要比国外低1～2个等级，一些先进的近净成形技术在我国只有少数企业采用，一些复杂难成形件我国还不能生产，部分先进成形设备、机械手和机器人、很大一部分高水平自动化生产线建线技术，我国还不能全部立足国内，因而总体水平上要比先进国家落后15～25年。每一个专业方向上，国外近20年来都出现了一批新技术，有一些我们还没有掌握，有一些虽然做了试验研究，还没有用于生产。过去人们往往侧重于单项技术的发展和应用研究，今天市场竞争激烈，人们为了更好更经济成形零部件，越来越多地注意到多项先进技术的综合运用，可以获得更好的效果。例如利用材料超塑特性进行焊接在航空件成形中的应用，利用低合金成份的非调质钢通过控锻控冷可以取代调质热处理，把铸造和锻压结合起来的半固态成形，粉未烧结的坯料再经过锻造获更好性能近净形零件，都是国外发展较快应用效果好的技术。我国专家把成形辊锻和精锻相结合，用于汽车前梁生产比国外通用技术建设生产线，一条线就可节约上亿投资。传统的成形技术是建立在经验和实验数据基础上的技术，制定一个新零件成形工艺在生产时还要进行大量修改调试。计算机和计算技术发展，特别是非线性有限元的发展，使得难度很大的成形过程有可能进行模拟分析和数值计算。发达国家在这方面已经开展了大量研究工作，并形成一些商业软件用于成形工艺分析。我国在这方面已经进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业软件的很少。进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业软件的很少。近净成形与近无缺陷成形技术通常用于大批量生产，要求企业建设不同技术水平的生产线，需要有相应的机械手和机器人。由于工作的条件、环境比较恶劣，对这些机器人的需要数量相对较少、品种较多，所以需要由本专业人员参与研制。当今，人们对产品需求逐步提出了一些个性化要求，所以在建设自动生产线时，提出了建设柔性生产线的要求，国外在近净成形生产方面已经出现了少量柔性生产线，我国必须注意这一动向，应该根据用户需求和投资强度，建设不同自动化程度和满足柔性化需求的生产线。国外企业为了保证产品质量，一方面加强质量管理，做好生产全过程的质量控制，另一方面通过生产过程中的自动化和智能控制，以保证近净成形生产质量稳定，能作到无缺陷或近无缺陷。在超高速加工技术方面，1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了20000rpm。特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作。自80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000～40000r/min，工作台快速移动速度为36～40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域，如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚4动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，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，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。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Φ2100mm、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12．5nm，加工表面粗糙度为Ra4．2nm。该机床及该实验室1984年研制的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、精度最高的大型金刚石超精密车床。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。3、国内现状：我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0．025µm的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。5三、国内研究基础：在行业需要的关键技术方面我国已经开展了较多单项研究，其中一部分已经实现产业化，但总的说难度高的复杂技术还未能掌握。在未来的发展中，我国必能赶超世界一流水平！