超精密切削技術應用及發(fā)展

1、現代制造技術考查大作業(yè) 超精密切削技術應用及發(fā)展摘要:本文首先介紹了有關超精密切削制造技術的基本概念、特點、作用和主要設備，然后依次簡述了超精密切削制造技術在汽車生產中、木工機械行業(yè)以及在內燃機制造方面的運用，最后簡要的分析了其發(fā)展的支撐條件及新發(fā)展。關鍵詞：超精密切削制造技術；汽車生產；土木機械；內燃機制造； 新發(fā)展 1.概述： 超精密加工技術是適應現代技術發(fā)展的一種機械加工新工藝，綜合應用了機械技術發(fā)展的新成果及現代電子技術、測量技術和計算機技術中先進的控制、測試手段等，使機械加工的精度得到進一步提高，使加工的極限精度向納米和亞納米精度發(fā)展。超精密加工技術是衡量一個國家先進制造技術水平的重

2、要指標之一，是先進制造技術的基礎和關鍵。當代的精密工程、微細工程和納米技術是現代制造技術的前沿，也是明天技術的基礎。目前，在工業(yè)發(fā)達國家中，一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度是1m。2. 超精密切削制造技術60年代初，由于宇航用的陀螺，計算機用的磁鼓、磁盤，光學掃描用的多面棱鏡，大功率激光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各種復雜形狀的紅外光用的立體鏡等等各種反射鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、拋光等方法進行加工，不但加工成本很高，而且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此，研究、開發(fā)了使用高精度、高剛度的機床和金剛石刀具進行切削加工的方法加工。(經SPDT加工的光學元件成品示意圖)超精密

3、加工主要包括三個領域： （1）超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。 （2）超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 （3）超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1m。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達25nm。 2.1在汽車生產中的應用<1>高速切削技術在輪胎模具加工中的應用輪胎影響著汽車諸多方面的性能，高精密的輪胎模具對于生產優(yōu)質的輪胎尤為重要。高速切削加工技術應用于輪胎模具的生產中，不僅突顯出其

4、切削效率高、加工精度高、表面質量好的特點，而且也體現出其大大縮短了機械后加工、人工后加工和取樣檢驗輔助工時的優(yōu)勢。目前，隨著技術性能要求的提升，汽車輪胎胎面的花紋圖案變得愈加復雜和精致，原有的鑄造模具和電火花加工模具已不能滿足各種高精度輪胎制造的要求，取而代之的便是采用高速切削加工技術制造的高速直接雕刻模具。這種模具不僅精度高而且外觀質量出色，完全消除了傳統(tǒng)鑄造和電加工過程中容易產生的潛在弊端。高速切削（HSC）是近幾年發(fā)展起來的一種集高效、優(yōu)質和低耗于一身的先進制造工藝技術。高速切削是指采用超硬材料刀具和能實現高速運動的高精度、高自動化、柔性的設備，以極大地提高切削速度來達到提高材料切除率、

5、加工精度和加工質量的現代制造技術。高速加工技術用于制造模具，具有切削效率高、加工精度高和表面質量好等顯著優(yōu)勢，還可以大大縮短機械后加工、人工后加工和取樣檢驗輔助工時。高速加工技術是一項先進的、不斷發(fā)展的綜合技術。要充分發(fā)揮高速加工技術的優(yōu)勢，除必須具備高速加工機床外，還必須綜合應用高速加工刀具技術、高速加工工藝技術、高速加工CAD/CAM技術以及冷卻潤滑技術。隨著高速加工技術的不斷發(fā)展，高速加工的優(yōu)勢和作用將越來越明顯。輪胎模具行業(yè)的特點是單件小批量生產，因此，高速加工技術在輪胎模具行業(yè)的推廣使用，有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間。高速雕刻技術的問題點主要是設備和刀具的成本高昂，一般企業(yè)不敢輕

6、易投入。另外，對于花紋鋼片比較多的、花紋銳角較尖的花紋圖案，采用這種工藝技術也不大適合，理由是加工難度很大，且再小的刀具也不能加工出內尖角， 還是必須結合電火花加工來完成最后成形。<2>高速切削技術在輪胎模具加工中的要求高速切削技術作為高效加工的重要手段之一應用于輪胎模具花紋的加工中，其技術含量相當高，涉及到多方面的內容，包括快速的規(guī)范的編程、多軸聯(lián)動加工、細微刀具應用、標準化操作、并行加工等方面，可以減少了以往電火花加工和人工修整的工作量，還可以保證模具制造的高度一致性，確保模具精度，縮短加工周期，從而提高生產效率，實現高效加工。隨著汽車輪胎胎面的花紋圖案變得愈加復雜和其技術要求

7、變得越來越嚴格，高速切削加工已經被逐漸應用到輪胎模具花紋的雕刻加工中。而由于輪胎模具花紋具有明顯不同于常規(guī)模具結構的特殊性，因此高速切削技術在輪胎模具加工中具有一定的技術要求。1.對機床的要求為了適應粗精加工、輕重切削和快速移動，同時保證高精度（重復定位精度±0.005mm），性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。（1）擁有高速主軸 既然是高速切削加工，機床的主軸能否達到真正的高速是滿足高速切削加工的必備條件。因為輪胎模具的花紋加工中所使用的刀具比較細小，為了保刀具的切削效果以及對刀具給予最有效的保護，因此對主軸的要求很高，轉速一般要求達到20 00040 000r/min，甚至更

8、高；進給速度達到4080m/min；主軸功率一般為1040kW。（2）高速移動 高速切削加工并不僅僅是指機床的主軸擁有高速轉動的功能，而且也應該包含高速移動功能，包括高速移動橫梁、高速移動工作臺等。（3）良好的精度穩(wěn)定性和抗振性能 為了減少模具在開粗時重切削所產生的振動以及在高速切過程各高速運動零部件產生的高熱量等不利于保護機床使用及精度控制的因素，高速切削機床的床身等支持部件應具有很好的動剛度、靜剛度、熱剛度以及阻尼系數。因此對于高速切削加工的機床床身及其主要支撐部件應該采取質量高、剛性好的材料，以保證機床使用過程中精度穩(wěn)定并消除因切削特別是重切削引起的振動。（4）優(yōu)秀的進給驅動系統(tǒng) 要滿足

9、高速切削機床的要求，除了必須擁有高速主軸之外，優(yōu)秀的進給驅動系統(tǒng)也是關鍵條件。進給驅動系統(tǒng)應有很高的控制精度和響應速度，目前全數字伺服系統(tǒng)驅動已經成為高速切削機床所廣泛使用的一種方法。2.對刀具的要求輪胎模具的花紋相當復雜多變，隨著花紋的變化，需要的刀具形狀和尺寸各不相同，刀具的直徑最小可以達到0.5mm，甚至有些刀具的刃部結構是無法從市場采購到的，需要自己處理。不管如何，刀具在輪胎模具的高速切削加工中具有不可低估的作用，隨著加工方式、工件材料以及刀具選擇的變化，高速切削加工的速度會有很大變化。刀具的質量直接影響到輪胎模具的加工效率和加工質量，因此為了實現高速切削，必須對刀具提出要求。（1）刀

10、具材料選擇 在加工時，必須根據工件材質來選用刀具的材料。雖然輪胎模具花紋部分的零件材料一般采用中低碳鋼或鋁合金材料，但由于所使用刀具直徑較小，切削過程容易折斷或崩裂，因此對刀具材料也要提出較高的要求，刀具應具有高強度、高韌性等性能，一般情況下可以有以下幾種材料的刀具可選：金屬陶瓷材料刀具、超細顆粒硬質合金刀具、表面涂層刀具如PVD高性能涂層刀具等。（2）刀具結構選擇 加工輪胎模具花紋時，刀具的結構選擇除了應結合所使用機床的接口包括系統(tǒng)接口外，還應根據被輪胎模具花紋結構及加工工序來優(yōu)化組合刀具材料、涂層和槽型功能，選定具有最佳切削效果的刀具結構。例如輪胎模具花紋筋條一般呈角度多變狀，花紋筋根部要

11、求無圓角且花紋筋末端經常有一些尖角需要處理，因此在選用刀具時既要考慮刀具可能如何避免或較少產生一定的R角，還要考慮選用堅韌耐磨的細微刀具，同時還要注意刀刃應利于在死角處如何排屑等問題。（3）刀具裝夾及防護 在高速切削過程中，必須加強刀具與夾緊裝置的強度、剛度和穩(wěn)定性，以保證在高轉速下能夠正常工作且安全可靠。注意刀具實際工作的轉速，不超過刀具與刀柄夾緊裝置制造廠家注明的允許最高轉速。采用短錐空心刀柄代替?zhèn)鹘y(tǒng)刀柄，以提高刀具軸向和徑向定位精度、軸向剛度，并具有過載保護作用。3.對工藝的要求（1）為避免精密高速機床使用過于集中及精密機床過快受損，在處理加工工藝時如有可能可以考慮粗加工、半精加工和精加

12、工分開，采用一般機床和精密機床相結合，以實現錯位加工，縮短單件在機時間，同時保證機床常處于比較穩(wěn)定的精加工狀態(tài)。（2）減少切削量，加大進給。傳統(tǒng)的輪胎模具的機加工中，例如用銑刀進行側面切削時，采用刀具直徑進行全面加工的情況較多，但這樣會造成切削熱的傳導與散發(fā)不充分，從而加速刀具磨損。在高速加工中，刀具在直徑方向的進給量減小，而空轉時間增加，從而贏得了充足的時間使切削熱得到散發(fā)，由此可以減少刀具的磨損。（3）快速清除切屑。高速切削過程中，工件受到擠壓而被切削，這個過程中產生了大量的熱量，據有關研究結果，高速切削后的熱量一般按以下情況分配：約95%的熱量集中在切屑上，2%的熱量留在工件上，3%的熱

13、量在刀具上。所以，高速切削后如不及時將切屑排出，這些熱量就會傳遞給工件和刀具。因此要對切削位置進行必要的冷卻和并排屑，避免熱量的傳遞和聚集?？焖倥判歼€能避免了切屑的二次切削，有效保護刀刃，從而延長刀具壽命。2.2在木工機械中的應用木工機械是指在木材加工工藝中，將木材加工的半成品加工成為木制品的一類機床。家具機械是木工機械的重要組成部分。木工機床加工的對象是木材。木材是人類發(fā)現利用最早的一種原料，與人類的住、行、用有著密切的關系。人類在長期實踐中積累了豐富的木材加工經驗。木工機床正是通過人們長期生產實踐，不斷發(fā)現、不斷探索、不斷創(chuàng)造而發(fā)展起來的。木家具是指用木制材料制成的用具。根據其結構可分為框

14、架式家具和板工家具兩大類。典型框架式家具的結構為榫卯結構，材料為天然實木板、方材，如紅木家具、明式家具、清式家具、實木餐桌椅等。典型的板式家具是指以人造板為材料，結構采用連接件、圓榫等方式連接的家具。1 木工鋸床及跑車2 木工刨床3 木工開榫機,木工榫槽機,木工銑床4 木工車床及多用機床5 木材加工配套設備6 家具制造機械伴隨著科學技術的不斷地發(fā)展，新技術、新材料、新工藝不斷涌現。伴隨我國加入WTO的腳步，我國木工機械裝備水平與國外的差距會越來越小，國外的先進技術和設備會不斷涌入，對國內木工機械而言，挑戰(zhàn)與機會并存。電子技術、數字控制技術、激光技術、微波技術以及高壓射流技術的發(fā)展，給家具機械的

15、自動化、柔性化、智能化和集成化帶來了新的活力，使機床的品種不斷增加，技術水平不斷提高。國內外的發(fā)展趨勢有以下幾點：（1）高新技術介入木工機械，促進自動化、智能化無論數控加工技術在木工機械上的應用，還是計算機技術的普及化，都預示著高新科技正在向各個技術領域推進。電子技術、納米技術、太空技術、生物技術等在木工機械領域正在或將來一定能得到廣泛的應用。（2）更多效仿金屬加工手段。從世界范圍內的木工機械發(fā)展史看，木材加工方法有與金屬加工方法同化的趨勢，比如數控鏤銑機的出現，便是一例。我們可否大膽預測，將來木材會被像鍛造鋼錠一樣進行重塑定型。更多效仿金屬加工手段。（3）以規(guī)模帶動效益從國內發(fā)展格局看，木材

16、加工企業(yè)或木工機械裝備，均有大型化、規(guī)模化的趨勢，否則將被淘汰。我國現階段落后的、簡易的木工機械仍有很大的市場，很多木材加工企業(yè)還在推行勞動密集型的經營模式。未來的木材加工企業(yè)必然走產業(yè)化、大型化、規(guī)?；陌l(fā)展道路。（4）提高木材的綜合利用率。由于國內乃至世界范圍內的森林資源日趨減少，高品質原材料的短缺已成為制約木材工業(yè)發(fā)展的主要原因。最大限度地提高目次的利用率，是木材工業(yè)的主要任務。發(fā)展各類人造板產品，提高其品質和應用范圍是高效率利用木材資源最有效的途徑。另外，發(fā)展全樹利用，減少加工損失，提高加工精度均可在一定限度上提高木材的利用率。（5）以人為本，實現綠色環(huán)保我國政府推行退耕還林、天然林保

17、護工程、林業(yè)兩大體系建設和六大工程建設，均是保護環(huán)境明智之舉；2002年7月1日起，全面強制執(zhí)行人造板產品標準，達不到環(huán)保要求的不準生產、銷售。木材加工行業(yè)的發(fā)展，必須遵循兩條原則，首先是保護環(huán)境，最小限度地索取自然資源，最大限度地減少對環(huán)境的污染；其次是木材加工制品必須對人體無害或有害度控制在最低范圍內。因此，未來有生命力的木工機械及木材工業(yè)產品，必然是按人機工程學設計的，符合環(huán)保要求的。（6）提高生產效率和自動化程度。提高生產效率的途徑有兩個方面：一是縮短加工時間，而是縮短輔助時間。縮短加工時間，除了提高切削的速度，加大進給量外，其主要的措施是工序集中，因為刀具、震動和噪音方面的原因，切削

18、速度和進給量不可能無限制地提高，因為多刀通過式聯(lián)合機床和多工序集中的加工中心就成為了主要的發(fā)展方向。如聯(lián)合了鋸、銑、鉆、開榫、砂光等功能的雙端銑床；多種加工工藝聯(lián)合的封邊機；集中了多種切削加工工序的數控加工中心等?？s短輔助工作時間主要是減少非加工時間，采用附帶刀庫的加工中心，或采用數控流水線與柔性加工單元間自動交換工作臺的方式，把輔助工作時間縮短到最低。3. 超精密切削制造技術的發(fā)展我國目前已是一個“制造大國”，制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位，僅次于美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“制造強國”，與發(fā)達國外相比仍有較大差距。目前國外已開發(fā)了

19、多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發(fā)展了新的精密加工和精密測量技術。為了使我國的國防和科技發(fā)展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下面對國內外精密和超精密加工技術的最新發(fā)展情況介紹如下。 精密機床技術的發(fā)展 精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發(fā)展方向是：在繼續(xù)提高精度的基礎上，采用高速切削以提高加工效率，同時采用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名于世，該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控系統(tǒng)，成為一臺加工中心；同時為實現高速切削

20、，已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min，定位精度達 5m，已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩臺機床的性能可以看出，現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。 使用金剛石刀具的超精密切削技術 超精密切削技術的進展 金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份，不少國防尖端產品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)中的多種零件等）都需要利用金剛石超精密切削來加工。 使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削，可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切

21、削的切削厚度可極小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳，刃口半徑在0.50.01m。因刃口半徑甚小，過去對刃口的測量極為困難，現在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進行測量。 超精密切削機理的研究 對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如，超精密切削脆性材料時，加工表面可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題，最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見，開始時切削厚度甚小，切除機理為塑性去除，加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除，加工表面可見到明顯的脆性破損痕

22、跡。 目前，使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識，同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到，由于晶體的各向異性，導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬，可以對超精密切削極薄層材料的動態(tài)切除過程進行觀察和分析，并能對切除過程進行動畫演示。 新的金剛石刀具晶體定向方法 由于金剛石硬度極高，且晶體各向異性，因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。制造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向

23、，過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀，儀器昂貴，且定向操作相當繁瑣。哈爾濱工業(yè)大學成功開發(fā)了一種新的激光晶體定向方法，所用設備較簡單，且定向操作方便，可使金剛石晶體定向大大簡化。 超精密加工機床的進展 國外超精密機床的發(fā)展情況 研發(fā)超精密機床是發(fā)展超精密加工的重要前提條件。近年來發(fā)達國家已成功開發(fā)了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發(fā)展方向是：進一步提高超精密機床的精度，發(fā)展大型超精密機床，發(fā)展多功能和高效專用超精密機床。 美、英、德等國在上世紀七十年代（日本在八十年代）即開始生產超精密機床產品，并可批量供貨。在大型超精密機床方面，美國的LLL國家實驗室于1986年研制成功兩臺大型超精金剛石車床：一臺為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床，另一臺為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床。其中，LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來又研制出大型6軸數控精密研磨機，用于大型光學反射鏡的精密研磨加工。 英國的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯(lián)動數控磨床（工作臺面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車削）