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2012/07/18

精密加工技術的現狀及發展前景

1 精密加工技術簡介

目前,精密加工是指加工精度為1~0.1µm,表麵粗糙度為Ra0.1~0.01µm的加工技術,但這個界限是隨著加工技術的進步不斷變化的,今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解決的問題,一是加工精度,包括形位公差、尺寸精度及表麵狀況,有時有無表麵缺陷也是這一問題的核心;二是加工效率,有些加工可以取得較好的加工精度,卻難以取得高的加工效率。精密加工應該包括微細加工和超微細加工、光整加工等加工技術。

2 幾種常用的精密加工方法及特點

傳統的精密加工方法有布輪拋光、砂帶磨削、超精細切削、精細磨削、珩磨、研磨、超精研拋技術、磁粒光整等。
砂帶磨削 是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工,屬於塗附磨具磨削加工的範疇,有生產率高、表麵質量好、使用範圍廣等特點。國外在砂帶材料及製作工藝上取得了很大的成就,有了適應於不同場合的砂帶係列,生產出通用和專用的砂帶磨床,而且自動化程度不斷提高(已有全自動和自適應控製的砂帶磨床),但國內砂帶品種少,質量也有待提高,對機床還處於改造階段。


精密切削 也稱金剛石刀具切削(SPDT),用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工,主要用於銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工,如計算機用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等,比一般切削加工精度要高1~2個等級。例如用精密車削加工的液壓馬達轉子柱塞孔圓柱度為0.5~1µm,尺寸精度1~2µm;紅外反光鏡的表麵粗糙度 Ra0.01~0.02µm,還具有較好的光學性質。從成本上 看,用精密切削加工的光學反射鏡,與過去用鍍鉻經磨削加工的產品相比,成本大約是後者的一半或幾分之一。



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但許多因素對精密切削的效果有影響,所以要達到預期的效果很不容易。同時,金剛石刀具切削較硬的材料時磨損較快,如切削黑色金屬時磨損速度比切削銅快104倍,而且加工出的工件的表麵粗糙度和 幾何形狀精度均不理想。

超精密磨削 用精確修整過的砂輪在精密磨床上進行的微量磨削加工,金屬的去除量可在亞微米級甚至更小,可以達到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表麵粗糙度值。尺寸精度0.1~0.3µm,表麵粗糙度Ra0.2~0.05µm,效率高。應用範圍廣泛,從軟金屬到淬火鋼、不鏽鋼、高速鋼等難切削材料,及半導體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料,幾乎所有的材料都可利用磨削進行加工。

但磨削加工後,被加工的表麵在磨削力及磨削熱的作用下金相組織要發生變化,易產生加工硬化、淬火硬化、熱應力層、殘餘應力層和磨削裂紋等缺陷。

珩磨 用油石砂條組成的珩磨頭,在一定壓力下沿工件表麵往複運動,加工後的表麵粗糙度可達Ra0.4~0.1µm,最好可到Ra0.025µm,主要用來 加工鑄鐵及鋼,不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。

精密研磨與拋光 通過介於工件和工具間的磨料及加工液,工件及研具作相互機械摩擦,使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對於金屬和非金屬工件都可以達到其他加工方法所不能達到的精度和表麵粗糙度,被研磨表麵的粗糙度Ra≤0.025µm加工變質層很小,表麵質量高,精密研磨的設備簡單,主要用於平麵、圓柱麵、齒輪齒麵及有密封要求的配偶件的加工,也可用於量規、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。

但精密研磨的效率較低,如幹研速度一般為10~30m/min,濕研速度為20~120m/min。對加工環境要求嚴格,如有大磨料或異物混入時,將使表麵產生很難去除的劃傷。

拋光 是利用機械、化學、電化學的方法對工件表麵進行的一種微細加工,主要用來降低工件表麵粗糙度,常用的方法有:手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械複合加工等。

手工或機械拋光是用塗有磨膏的拋光器,在一定的壓力下,與工件表麵做相對運動,以實現對工件表麵的光整加工。加工後工件表麵粗糙度Ra≤0.05µm,可用於平麵、柱麵、曲麵及模具型腔的拋光加工。手工拋光的加工效果與操作者的熟練程度有關。

超聲波拋光是利用工具端麵做超聲振動,通過磨料懸浮液對硬脆材料進行光整加工,加工精度 0.01~0.02µm,表麵粗糙度Ra0.1µm。超聲拋光 設備簡單,操作、維修方便,工具可用較軟的材料製作,而且不需作複雜的運動,主要用來加工硬脆材料,如不導電的非金屬材料,當加工導電的硬質金屬材料時,生產率較低。

化學拋光是通過硝酸和磷酸等氧化劑,在一定的條件下,使被加工的金屬表麵氧化,使表麵平整化和光澤化。化學拋光設備簡單,可以加工各種形狀的工件,效率較高,加工的表麵粗糙度一般為Ra≤0.2µm,但腐蝕液對人體和設備有損傷,汙染環境,需妥善處理。主要用來對不鏽鋼、銅、鋁及其合金的光亮修飾加工。

電化學拋光是利用電化學反應去除切削加工所殘留的微觀不平度,以提高零件表麵光亮度的方法。它比機械拋光具有較高的生產率和小的表麵粗糙度:一般可達Ra0.2µm,若原始表麵為Ra0.4~0.2µm,則 拋光後可提高到Ra0.1~0.08µm,加工後工件具有較好的物理機械性能,使用壽命長,但電化學拋光隻能加工導電的材料。隨著電化學加工技術的發展,還產生了多種新型的複合加工方法,例如超精密電解磨削、電化學機械複合光整加工、電化學超精加工等。它們主要以降低工件的表麵粗糙度值為目的,加工去除量很小,一般在0.01~0.1mm,對於表麵粗糙度達到Ra0.8~1.6µm的外圓,平麵、內孔及自由曲麵均可一道工序加工到鏡麵,表麵粗糙度Ra0.05µm,甚至更低。電化學機械加工屬於一種加工單位極小的精密加工方法,從原理上講加工精度可以達到原子級,所以加工精度具有大的潛力,但由於左右其加工精度的因素目前還不是很清楚,所以在實際應用中,其加工表現出一定的不穩定性,這在很大程度上限製了它在工業生產中的應用。

3 超精密加工的發展趨勢

國外精密加工技術的發展是從上世紀70年代初期開始的,主要集中在美、日、英等國家,上世紀80年代中期取得了舉世矚目的成果,並在1977年日本精密工學會精密機床研究專業委員會對機床的加工精度標準提出補充IT-1和IT-2兩個等級。附表是補充後該標準的內容,由此可以看出比原來的IT0級精度提高了許多。

附表 日本精密學 會精密機床分會提出的精加工等級

精度
等級
零件機床
尺寸
精度
圓度圓柱度平麵度表麵
粗糙度
主軸
跳動
運動
直線度
IT22.500.71.251.25< td>0.20.71.25
IT11.250.30.630.63< td>0.070.30.63
IT00.750.20.380.38< td>0.050.20.38
IT- 10.300.120.250.250.030.120.25
IT- 20.250.060.130.130.010.060.13

 

目前精密加工所能達到的加工精度距加工的極限還有相當的距離。國外有人聲稱已開發了以原子級去除單位的加工方法,但目前還未在實際生產中得到應用。為了促進精密加工技術的發展,應深入研究和探討下列幾個問題。

1. 基於新原理的加工方法 努力開發加工單位極小的精密加工方法,必須在加工機理的本身就使其誤差分散在1nm以下的水平。目前加工單位比較小的加工方法主要有彈性破壞加工、化學加工、離子束加工、電子束加工、等離子體加工等。目前的金剛石切削和金剛石砂輪精密磨削從其加工機理上看,其加工單位就很大。

2. 開發精密的機械機構 不論是加工裝置還是測量裝置,都需要精密的機械機構,包括導軌、進給機構及軸承等,超精密空氣靜壓導軌是目前最好的導軌,其直線度可達(0.1~0.2)µm/250mm,通過補償技術還可以進一步提高直線度,但是它沒有液體靜壓導軌的剛性大。同時,由於空氣靜壓導軌的氣膜厚度隻有10µm左右,所以在使用過程中,要注意防塵。另外 ,在導軌的設計中,還可以用多根導軌並聯來均化氣膜的誤差。用高彈性合金、紅寶石製造的滾動導軌,係統誤差在0.5µm左右,隨機誤差可能超過0.1µm。

目前超精密加工中所使用的磁懸浮軸承主軸精度低於空氣靜壓軸承主軸,空氣靜壓軸承主軸的回轉精度可達0.05µm,國外的可達0.03µm,但這仍 然無法滿足納米加工對主軸的精度要求。要想提高空氣靜壓軸承主軸的回轉精度就必須提高軸承的回轉精度,而空氣靜壓軸承的回轉精度受軸承部件的圓度和供氣條件的影響,由於壓力膜的作用,軸承的回轉精度是軸承部件圓度的1/15~1/20,所以,要得到10nm的回轉精度,軸和軸套的圓度要達到0.15~0.20µm,同時為了氣體流出的均勻性,對於納米級的主軸,多采用

3. 開發高精度的測試係統 在目前的超精密加工領域中,對加工精度的測量主要有兩種方法;激光檢測和光柵檢測,而光柵的應用最為廣泛。目前光柵的測量精度可達nm級,如北京光電儀研究中心的光柵係統可達0.1µm,俄羅斯的全息光柵係統達10nm,LG100光柵係統的分辨率可達0.1µm,測量範圍為100mm。

開發係統誤差小、精度高和可靠性高的檢測儀器和控製裝置的前提是開發高性能的傳感器以及伺服從動機構。如果開發出高性能的傳感器以及伺服機構及高精度、高速度、和高可靠性的讀出裝置,就可通過使用計算機進行檢測、分析及計算,以提高檢測精度。

與超精密加工有關的技術問題還有很多方麵,如溫度控製技術、振動控製技術、環境控製技術等。比如材料的彈性變形和熱變形,就很難使材料的去除加工達到原子級的精度,長100mm 的鋼製零件,要控製其熱變形在0.01mm 以內,就必須控製溫度變化在0.01℃以內,這在加工領域還很難實現。隻要在上述的一個方麵取得發展或突破,必將導致精密加工技術的高速發展。

4. 開發適用於精密加工並能獲得高精度、高表麵質量的新型材料 例如最近開發超微粉燒結金屬、非結晶金屬、超微粉陶瓷、非結晶半導體陶瓷、複合高分子材料等。隻要在上述的一個方麵取得發展或突破,必將導致精密加工技術的高速發展。

4 總結

精密加工方法在今天顯得越來越重要,精密加工技術已成為目前高科技技術領域的基礎,提高超精密加工的精度已成為目前迫在眉睫的問題。目前,很多學者正在這方麵做著大量的研究和實驗,相信不久的將來,超精密加工會取得長足進展。


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