精密和超精密加工机床的现状及发展

精密和超精密加工机床的现状及发展摘要：精密和超精密加工技术的发展直接影响尖端技术和国防工业的发展。精密和超精密加工机床是精密和超精密加工技术的基础，本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并通过对比说明提出了我国应重视超精密加工机床的研究、加大投入的观点，对精密和超精密加工机床的发展对策给出了几条建议。关键词：精密；超精密；机床；发展精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。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。制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。随着高技术的蓬勃发展和应用，发达国家提出了“先进制造技术”（AMT）新概念。所谓先进制造技术，就是将机械工程技术、电子信息技术（包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术）和自动化技术，以及材料技术、现代管理技术综合应用于产品的计划、设计、制造、检测、管理、供销和售后服务全过程的综合集成生产技术。先进制造技术追求的目标就是实现优质、精确、省料、节能、清洁、高效、灵活生产，满足社会需求。从先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品量的有效举措。两者有密切关系，许多精密和超精密加工要依靠自动化技术得以达到预期指标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的、决定性的作用，是先进制造技术的支柱。最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。从表1中我国机床生产、消费和进口情况的数字可以看出，我国还没有根本扭大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，因此，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机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。精密和超精密加工机床的现状及发展趋势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。目前，工业发达国家的一般工厂已能稳定掌握3μm的加工精度（我国为5μm）。因此，通常称低于此值的加工为普通精度加工，而高于此值的加工则称之为高精度加工。在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同，分为3个档次：精度为0.3～3μm，粗糙度为0.03～0.3μm的为精密加工；精度为0.03～0.3μm，粗糙度为0.005~0.03μm的称作超精密加工，或亚微米加工；精度为0.03μm（30nm），粗糙度优于0.005μm以上的则称为纳米（nm）加工。1、国外精密和超精密加工机床技术现状发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内容，各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。美国生产的超精密加工机床美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪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，称为“SPDT技术”（Singlepointdiamondturning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），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等。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。该机床的加工精度形状误差可达到28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该实验室1984年研制的LODTM大型金刚石可加工直径为2.1m，重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨，在1.07m×1.12m范围内直线度误差＜0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉仪来量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆＜0.057″(通过两路激光干涉仪测量、压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统，不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在(20±0.0025)℃。采用摩擦驱动，推力可达1360N，运动分辨率达0.005μm。美国Moore公司2000年生产的五轴联动500FG超精密机床（见图1）不仅可以加工精密回转体非球曲面，还可加工精密自由曲面。该机床空气轴承主轴转速20～2000r/min，主轴回转误差≤0.025μm。液体静压导轨由无刷直线电机驱动，直线度误差≤0.025μm/300mm，定位精度0.3μm。2、国内精密和超精密加工机床技术现状我国的超精密加工技术在上世纪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光机电信息仪器等，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303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与物理研究所、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，我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外相比，与生产实际要求相比，还有相当大的差距。NAM-800型纳米数控车床是北京机床研究所最新一代的纳米级加工机床。它是当今数控技术、伺服技术、机械制造技术完美的统一。该机床为我国最前沿的科技发展提供了良好的加工手段。如右图所示为NAM-800型纳米数控车床。下图为哈尔滨工业大学研制的超精密车床，其具有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球面回转曲面。图6为哈尔滨工业大学研制的加工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。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、新材料是研制和制造超精密加工机床的关键。3、提高国家整体制造业水平进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。然而，目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的，要想成为经济强国，完成工业化的建设，必须在装备制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术。20世纪70-80年代，美国制造业发展的衰落和竞争力减弱的例子很好地说明了这一点。20世纪70年代前，美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及，但到了80年代，美国人发现日本、德国等国家后来居上，逐步取代了他们在国际市场的霸主地位。经过认真深入地分析，他们发现其原因是美国失去了在装备制造业方面的优势，而日、德等国，特别是日本，对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。于是，从20世纪80年代后期开始，美国开展了一系列旨在振兴美国装备制造业的庞大计划，加大了对制造业技术与装备研究的投人，使美国的制造业重振雄风，也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头。4、大力提高基础加工设备的生产能力我国超精密机床的研制进行了数十年，北京机床研究所、航空部303所、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等单位都研究了自己的超精密机床，但力量分散，不能形成产品系列和产业化气候。尽管单项技术指标很高，但总体技术水平落后，不足以满足我国超精密加工行业的需要，大部分还只是停留在研究型机床的状态。因此，工业界只能花大价钱购买国外产品。在世界经济全球化的今天，虽说绝大多数基础制造装备与成套装备都可以购买到，但对我国这样的发展中大国来说，必须掌握关键的基础制造装备与成套装备制造的核心技术，大力提高基础加工设备的生产能力，才能牢固占有国内市场，并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地。为了提高超精密加工机床的功能和性能，必须加强相关领域的研究、如加强超精密切削机理和金刚石刀具等方面的研究、金属和非金属材料的精密磨削和研磨的研究等结论通过对几篇精密与超精密加工技术相关文献的阅读，让我对这方面有了初步的了解。随着德国工业4.0和中国工业2025的推进和人类生活的追求对其的需求，精密与超紧密技术已成当今社会工业发展的必然趋势，对于我国工业而言，在这方面还有很大的欠缺和巨大的发展空间，我们要大力学习先进国家像美国、德国、日本等先进发达工业国家的技术、引进和大力储备相关人才、大力创新，为我国从工业大国走向工业强国做好充分准备。随着航空、航天、生物化学、地球物理等学科技术的迅猛发展，对精密和超精密加工技术的发展提出了更高的要求，精密和超精密加工机床的需求也越来越高。相关领域研发人员应充分将人、组织、技术有机结合起来，研制并生产出各个领域所需的精密和超精密加工机床，提高我国整体工业水平，为国防与尖端技术的发展打下坚实的基础。参考文献[1]袁哲俊.纳米科学与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：150-156.[2]伍娜.世界机床生产及消费情况[J].数控机床市场，2006(1)：110-113.[3]秦树国.2007年的中国机床市场[J].数控机床市场，2007(2)：44-47.[4]袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2007：180-200.[5]王立鼎，凌四营，马勇，等.精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工方法[J].光学精密工程，2009，17(2)：321-325.[6]北京机床研究所.主要产品[EB/OL].[2008-11-15].[7]北京航空精密机械研究所.主要产品[EB/OL].[2008-11-10].[8]MooreNanotechn