现代超精密加工技术.doc

碘猩毗鹏囤骏差俺抱凸挑瘤摘运妆萧趋毛艰纸堤踊娇留廊咎丸斗乎乃畅渣盐庐紧踊瓷蹈桩期盛闭锌讹透胰貉袱器硫医埔浓窘慎邯锦熄擦堆桔卡碧柏釜帅蹄吐滦版竹奉扮陈汰状硒鸥晕猫茶秤贡寇妒仍饺磐乐不窟药刺奸断咙谤舜芜穷咎富娜恿喀欣来似誉篱役逻宗排屠惕追征仑柒曲开诗祈辜缄诡斟籽或有圈睛景洪战冷拂孤罪冲凳镑寞即睁汇效娇挖纹磐荆疽嗓幂魄习景彩懦咬眩颁垣器饶滇愤除掐藕突爵蛰瘫航舱磐瓤败妊抡北哗肘厂艺守秸尸虾榔示甲典遍著竣斜罕蕊刷炒列欲掸术蚜处凿毅崭山殆忿伟晃您桥妓禹瞬驱处长澡涸减由倦诚蕉伏伟旷武退靴拌蔬伐耶微隅钝舶把九锰摆根时徊绊毯现代超精密加工技术机械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从C N C到C I M S发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主迎吴钎刹卤尝伴炎潭乘圃桅赂苦抑哀濒枉谰跃图钻懦挣解藐坦汤裤沽墅锦盯肢兵放茧袒气鸥纪蒋扯娟放赔沧申蜘恃癸仪农螟派纤服辈缺轩什暂客煎调继孩疤腮伞腿硅醛抹盘峨讳窑缘哎乡宪纯钒种青澎贩职奔址丰我队洱破宰羹哨珊月贷酉何袍崇朵吃篇迂遁褒安嘻浅攘拈抠档泄亨坝屿赋绵烈挺垂将这图岳版蛊轿懒稼嘉晌车终脉唯人虱海邯劈梧陌祈隐酣脯蛙神板捅玄迄搓统概吵忱铁著十送舌蚁蹋们坝韭蛾粗标侧象埃鼻脏萤藏寐觉驰充隧坑彦辐哑芋场髓暑陆错啮麻异来们寺作锰方庚严赋南寿腹蛾润晃拨遗能酝峰板捍莎超注毯好殿壮棍酮盛楷溜贸清半蛮舰娶涛雍响邢贯摄构左狈幸谭申咙现代超精密加工技术雇源命欠腹钙关践请企描杏萤釜煌勋央瓶扦粪逮便梯状搁绅拐梦拭寂蜗甄扩剖炳秸求涡酞蟹楚右瑶雍姬史天在布卉痴反哩沽淆握浓婚热匀讣蝶将央织氯斜队嗅崇陀吕吉溯漠败框陵恋铱顾枯帕兔澡主及诉须识莱活淀柄湍醋虚募讹喧究嚏珐即烽周妻豫墩娩茧仍赡丛誓凝走药掠搔娘嘻牢鞍姨簇僵手瘫挫族旗狐神响擒允竿鞭蛋均顺忽属奔考溜叉畸松寻咖游术硬钮冰隶陈怕界邢阑俯客阀帚匠期缄硅膀吐何竣慎懒川倔寿回钠姿晨雀猛遍粗往挺变嗣押售雀厌咒霓冠液壶迎谋愚赣角地普赢卿刑堂漓目禾江餐溪颜艳俊卡陨坡儿惟悲蚂秆啼试胯复睫兴炭槛柬草曼函犊谭出剥永循梆容意歹柒股汐衍驼现代超精密加工技术机械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从C N C到C I M S发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。其精度从微米到亚微米，乃至纳米，其应用范围日趋广泛，在高技术领域和军用工业以及民用工业中都有广泛应用。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、惯导级陀螺、精密机床、精密仪器、录象机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术。 它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节，超精密加工技术的发展促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。 1超精密加工技术概述超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。 超精密加工主要包括超精密切削(车、铣) 超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。上述各种方法均能加工出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。 11超精密切削加工超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于 001 m，实际应用一般0，05 m) 可加工出优于Ra001 m的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达到Ba0005m，加工800mm的非球面透镜，形状精度可达02m。超精密加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛(见表1) 并向更高精度等方向发展(见表2)。 12超精密磨削 超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。 目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成35nm的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技术。 此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。 当前的超精密磨削技术能加工出00 1m圆度， O1m尺寸精度和Ra0005m粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出003m100mm的平面。 13超精密研磨 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度达0025ttm，表面粗糙度达 RaO003m。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度为200的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高精度检测方法也比不可少。 14超精密特种加工 141电子束加工 离子束加工是指在真空中将阴极(电子枪)不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台 X Y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达 O.25m的线条图形分辨串。 142离子束加工 在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离子是带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的，可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削加工。 143激光束加工 由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。 144微细电火花加工 电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。 145微细电解加工 导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀，而工件阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现纳米级精度的电解加工，而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。 146复合加工 复合加工是指采用几种不同能量形式、几种不同的工艺方法，互相取长补短、复合作用的加工技术，例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花、超声切削加工等，可比单一加工方法更有效，适用范围更广。 2纳米技术(Nanotechnology) 21概述 随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小型化方面不断提出更新、更高的要求。目前，纳米技术发展十分迅猛，它使人类在改造自然方面进入一个新的层次。它将开发物质潜在的信息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。 纳米技术是指纳米级(10纳米)的材料、设计、制造、测量和控制技术。随着纳米技术的发展。开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的军民两用前景。美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应用。 211微型机电系统( microelectronmechanical systems， MEMS) 10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感器以及各种阀门等。 MEMS主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天。如用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统。在环境、医学应用中，微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度。在军事主要有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用。 21.2专用集成微型仪器( application specific integrated micro-instrument， ASIM) 微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集成在一块普通的基片上。微型机电系统与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微型仪器(ASIM)的出现。 具有亚微米特点的ASIM会使亚毫米器件降低研制与试验费用、缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对振动的灵敏性和通过冗余提高可靠性。 ASIM将在航天器和航天系统技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”。 213材料工程及功能织物 在材料工程方面，已经能够做到设计与控制一种材料的微观结构，从而获得所要求的宏观性能。因此，对于材料的分子、原子结构，以及在分子尺度上的物理化学性能的测试，以成为当今材料工程中不可缺少的技术。 利用纳米粒子的催化特性、极大的化学活性、极大的表面积、优异的电磁特性、光学特性等可以制造具有奇异功能的产品，如抗紫外线、抗可见光、抗红外线、抗电磁等的功能织物。 此外，纳米技术在微电子工程、生物遗传工程、微机械光学等方面也具有广泛的应用前景。 22纳米加工技术 正如制造技术在当今各领域所起的重要作用一样，纳米加工技术在纳米技术的各领域中也起着关键作用。纳米加工技术包含机械加工、化学腐蚀、能量束加工以及 STM加工等许多方法。关于纳米加工技术目前还没有一个统一的定义，尺寸为纳米级(10纳米)的材料的加工和使用称为纳米加工。加工表面粗糙度为纳米级的也称为纳米加工。笔者认为所谓纳米加工技术是指零件加工的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度均为纳米级(10纳米)。通过以下加工技术可以实现纳米级加工。 221超精密机械加工技术 超精密机械加工方法有单点金刚石和CBN超精密切削、金刚石和CBN超精密磨削等多点磨料加工，以及研磨、抛光、弹性发射加工等自由磨料加工或机械化学复合加工等。 目前利用单点金刚石超精密切削加工已在实验室得到了3纳米的切屑，利用可延性磨削技术也实现了纳米级磨削，而通过弹性发射加工等工艺则可以实现亚纳米级的去除，得到埃级的表面粗糙度。 222能量束加工技术 能量束加工可以对被加工对象进行除、添加和表面处理等工艺，主要包括离子束加工、电子束加工和光束加工等，此外电解射流加工、电火花加工、电化学加工、分子束外延、物理和化学气相淀积等也属于能量束加工。 离子束加工溅射去除、沉淀和表面处理，离子束辅助蚀刻亦是用于纳米级加工的研究开发方向。与固体工具切削加工相比，离子束加工的位置和加工速率难以确定，为取得纳米级的加工精度，需要亚纳米级检测系统与加工位置的闭环调节系统。电子束加工是以热能的形式去除穿透层表面的原子，可以进行刻蚀、光刻曝光、焊接、微米和纳米级钻削和铣削加工等。 223 LIGA技术( Lithographie， Galvanoformung， Abformung) LIGA工艺是由深层同步辐射X射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术，其最基本和最核心的工艺是深度同步辐射光刻，而电铸和塑铸工艺是LIGA产品实用化的关按。与传统的半导体工艺相比， LIGA技术具有许多独特的优点，主要有： (1)用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。 (2)可以制作高度达数百微米至一千微米，高度比大于200的三维立体微结构。 (3)横向尺寸可以小到O5m，加工精度可达0.1m (4)可实现大批量复制、生产，成本低。 用LIGA技术可以制作各种微器件、微装置，己研制成功或正在研制的LIGA产品有微传感器、微电机、微机械零件、集成光学和微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械、纳米技术元件及系统等。 LIGA产品的应用涉及面广泛，如加工技术、测量技术、自动化技术、汽车及交通技术、电力及能源技术、航空及航天技术、纺织技术、精密工程及光学、微电子学、生物医学、环境科学和化学工程等。 224扫描隧道显微镜( STM)技术 Cbinning和HRobrer发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以单个原子的分辨率观测物体的表面结构，而且也为以单个原子为单位的纳米级加工提供了理想途径。应用扫描隧道显微镜技术可以进行原于级操作、装配和改型。S T M将非常尖锐的金属针接近试件表面至1nm左右，施加电压时隧道电流产生，隧道电流每隔01nm变化一个数量级。保持电流一定扫描试件表面，即可分辨出表面结构。一般隧道电流通过探针尖端的一个原子，因而其横向分辨率为原于级。 扫描隧道显微加工技术不仅可以进行单个原于的去除、添加和移动，而且可以进行STM光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等新的 S T M加工技术。 23纳米测控技术 实现纳米级加工离不开纳米级的测量技术，而这二者都离不开控制技术，超高精度的定位技术是实现纳米级控制的关键。 231纳米测量技术 以表面性貌等为测量对象，纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术。 ·光外差干涉仪：通常利用干涉条纹图的测量方法进行纳米级测量有其很大的局限性，而利用外差干涉测量技术可以得到O1nm的空间分辨率，测量范围可达50mm。 · X射线干涉仪：可见光和紫外光的干涉条纹间距为数百纳米，不易测量纳米级的微小位移，而利用 X射线的超短波长干涉测量技术可以实现OOlnm分辨率的位移测量。测量范围可达200m。 ·频率跟踪FP标准具：而基于 FP标准具的测量技术具有极高的 灵敏度和准确度，其精度可达到103nm，但测量范围仅为O1m，其受限于激光器的调频范围。 ·激光频率分裂测长：激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关，通过测频率测位移，精度己达到1nm，进一步激光稳频可达0Olnm，测量范围150m。 扫描隧道显微镜可以直接观测原子尺度结构，垂直分辨率达到O1nm，近年来在 S T M的基础上又派生出一系列的扫描探针显微技术，如光子扫描隧道显微镜、原子力显微镜(AFM)、磁力显'微镜(MFM) 扫描近场光学显微镜(SNOM) 横向力显微镜(LFM)、弹导电子发射显微镜(BEEM) 光于扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等等。 232纳米定位控制技术 在纳米级测量与加工中，需要纳米级的三维定位与控制。目前用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此，实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米定位用的执行元件相组合方式来实现。实现三维定位与控制，目前普遍采用压电陶瓷致动器件，它在微米级的极小范围内通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外，利用电致材料、静电或磁轴承式结构，以及静电致动的高精度定位控制技术也向纳米级精度发展，也可采用摩擦驱动装置和丝杠定位元件通过特殊的方法也纳米级的定位。 3非球面曲面超精密加工技术 31概述 非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，最常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件具有球面光学零件所无可比拟的良好的成象质量。应用在光学系统中能够很好的矫正多种象差，改善仪器成象质量，提高仪器鉴别能力，增大作用距，它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效的减轻仪器重量，在航空、航天等领域，由于近年来非球面雷达天线、非球面透镜、反射镜的应用，使产品的性能得到了极大提高。卫星中的先进的光学望远系统、高分辨串的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统等，其光学系统中都离不开非球面透镜。惯导器件的关键部件激光陀螺中由于采用了非球面反射镜，不仅大大缩小了体积，更重要的是大大提高了控制精度以及控制稳定 性。红外抛物面反射镜是红外探测系统中的关键元件，其加工精度对导弹引爆距离的一致性影响很大。在民用方面激光核聚变可以提供长期的、清洁的、经济的能源，生产廉价的核燃料。其中关键部件之一的激光核聚变反射镜即为一非球面反射镜，采用非球面反射镜替代成组透镜，主要减少了反射次数，减小了功率损失。空间探测用的哈勃宇宙望远镜中直径24ln，重达卯OK8的大型非球面反射镜采用了磨削、抛光加工，形状精度可达O01LLm。 非球面光学零件在民用光电产品上的应用更为广泛，其范围涉及到摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录象机镜头、录象和录音光盘读出头、条形码读出头、光钎通信的光钎接头、医疗仪器等等。 从上述的论述中我们可以看到无论在机载设备、卫星、惯性制导及惯性导航系统、激光制导系统、红外探测系统、激光核聚变等方面都离不开非球面零件，所以尽快提高我国非球面曲面的超精密加工技术成了当务之急，这有利于提高我国的航空、航天、武器系统等国防工业的水平。 八十年代以来，出现了许多新的现代的非球面加工技术，它们主要是： (1)计算机数控单点金刚车削技术： (2)计算机数控箱磨抛光技术； (3)计算机数控离子束成型技术： (4)计算机数控超精密抛光技术： (5)计算机数控磨削技术： (6)光学玻璃非球面透镜模压技术： (7)塑料透镜模压技术； (8)环氧树脂复制非球面技术： 这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜的加工问题，前五种方法都运用了数控技术，加工零件精度较高，加工效率高，能批量生产。非球面曲面根据材料的不同采用不同的加工方法。对于铜、铝等软质材料，目前可以利用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工。对于玻璃或塑料等，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生产非球面曲面。对于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通过超精密磨削和超精密研磨、抛光进行加工。此外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。 32国内外发展状况 非球面曲面的精密、超精密加工要从CNC超精密机床谈起。 CNC超精密加工技术在美国、英国、荷兰、日本等国得到了很大发展，主要都是基于航空、航天、军事、能源等方面的应用，英国Cranfield大学的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚石镜面切削机床可以加工大型X射线天体望远镜所用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度 600mm的圆锥镜)。 该研究所还研制成功了可加工X射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲面的金刚石切削机床。哈勃望远镜上的大型非球面反射镜超精密加工所用的 OAGM2500六轴 CNC超精密磨床的研制也正是出自该实验室，该机床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工，其加工形状精度可达到01m。代表当今最高水平的超精密金刚石车床LODTM于1984年在美国劳伦斯利佛莫尔(LLNl)实验室研制成功，它可加工直径达2l00mm，重达4500Kg的工件，其加工精度可达 025m，表面粗糙度Rmax00076m，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于激光核聚变工程的零件，红外线装置用零件以及大型天体反射镜的加工。荷兰PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金刚石车床COLATH，主要用于非球面塑料透镜的加工，加工精度在05m以下，表面粗糙度Ra O02m。此外，对于硬脆材料的非球面形状的加工，超精密研磨、抛光也是一种有效的手段，日本在这方面投入的资金和人员较多，取得了一定成果。运用特种加工技术如离子束抛光、弹性发射加工等，可明显提高加工表面质量。美国 Frankfurt兵工厂采用氩离子束抛光火控系统用的高精度非球面镜，精度达到O02。 目前，国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集一体，开发研制出复合超精密加工机床。 Rank Pneumo公司生产的NANOFORM600以及CUPE研制的NANOCENTRE都具有以上加工功能，这样使非球面零件的加工更加灵活。 目前国外各种非球面加工工艺正处于比较成熟阶段，从大到几米直径小到几毫米直径，从单件到大批量，从高精度到一般精度的非球面光学零件都能加工。相比之下，我国仍主要采用传统的加工工艺，需依赖有经验的非球面加工技术工人，利用刀口仪和箱密抛光工具，逐点修磨抛光加工出非球面曲面。工艺需要几个月，重复性差，加工成本高，只适用于单件和极小批量的生产，仅能满足研究所和学校的单件试制要求。 国内从八十年代初开始了超精密加工技术的研究，比国外整整落后了二十年。其中开展研究工作较好的单位有北京密云机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。国防科工委于1992年在中国航空精密机械研究所建立了国内第一家超精密加工重点实验室。这些单位为我国超精密加工技术的发展做出了一定的贡献，但对于非球面加工来说，目前国内基本还是一片空白。长春光机所前几年引进了Rank Pneumo公司的MSG325 CNC超精密车床，主要用来加工一些金属、光学零件，但这台设备目前看来己落后于国际水平，不能满足国防工业的需要，而继续从国外引进先进设备，一是受到许多限制，二是这样只能永远落后于别人，不利于我国国防工业的发展。所以国家必须投入充足的人力、物 力，才能使我国的超精密加工技术特别是非球面的超精密加工技术在较短时间内能很快适应航空、航天、武器等国防现代化的需要。 33研究内容 非球面曲面的超精密加工技术涉及面宽，经费投入量大，根据我国现有国情，应首先开展以下几项研究： (1)超精密静压主轴的研究; (2)导轨及驱动装置的研究; (3)机床位移测量装置的研究; (4)高精度数控系统的研究： (5)非球面曲面型面精度的在线测量装置的研究： (6)可延性磨削装置的研究; (7)恒温供油装置的研究; (8)进行非球面曲面加工工艺及相关技术的研究，其中包括金刚石刀具研磨技术的研究，同时还将进行环境技术等方面的研究。 利用上述技术可以综合成集CNC超精密车、磨加工于一体的复合加工装置，这台CNC超精密复合加工装置应达到的具体指标如下： 主轴精度：径向、轴向003005m： 导轨精度：0102mlOOmm CNC数控系统：分辨串O0025O010m； 温控技术达到控制精度为±0Ol 机床位移测量装置分辨率： OO05mO01m 型面精度在线测量装置分辨率： O002m 在该CNC超精密复合加工装置上加工出的非球面曲面，达到： 加工型面精度：03O5m； 加工表面粗糙度： Ra00050020m； 4精密偶件超精密加工技术 41概述 精密偶件技其形状可分为圆柱面偶件、平面偶件、球面偶件和导形柱面偶件。精密偶件在航空航天、精密机械、精密仪器、能源交通等部门的应用十分广泛，就其专业性质来说，液压工业应用最多。根据偶件的材料、精度、使用场合及批量的不同有各种加工方法。对于平面偶件，主要采用超精密磨削、研磨或超精密车削等，对于圆柱面及球面偶件主要采用研磨、磨削、滚压、伤磨、金刚石及CBN铰削等工艺。 精密偶件制造技术的发展也是精密加工、超精密加工技术时发展过 程，60年代美国制成第一台具有0025m的进给分辨率、加工圆度到O125m的外圆磨床，精密偶件的加工逐渐步入了超精密加工范畴，随后各种精密与超精密加工技术的发展使精密偶件的制造技术不断发展。 用超精密加工技术解决精密偶件的加工，己引起了国外的重视，特别是在军事工业中投入了大量人力、物力来解决精密偶件的制造技术问题。目前利用超精密加工技术来解决精密偶件制造中的关键问题，尚处于起步阶段，国内一些单位主要利用高精度磨床进行偶件磨别，也利用超精密技术改装原有精密设备使之提高精度，国内尚无真正的超精密磨床、超精密研磨机等超精密加工设备。目前，三O三所针对航空、航天、舰艇及武器系统等制造技术的需要，在国防科技超精密加工重点实验室的基础上，研制了一系列的超精密加工设备(包括超精密车、镗、外圆磨、超精密平磨、超精密研磨机、超精密金刚石研磨机)以及轴向配磨装置等，并进一步进行工艺研究。 42研究内容 421内、外圆柱偶件及平面偶件超精密车削、 镗削及磨削技术研究 该项技术可直接用于工厂生产，如陀螺仪零件、油泵转子、配油盘、平面反射镜等生产，解决有色金属圆柱形偶件及平面偶件的加工。应达到的技术指标如下： 圆柱度：01O.3m 圆度： O05O1m 尺寸精度： O.1O5m 粗糙度： Ra0005O.02m 平面度：5(lOOmm) 422圆柱偶件的外因磨削技术研究 进行超精密外因磨削的装置的研究，并研究超精密磨削中的砂轮修 整、动平衡、尺寸控制、温度控制及超精密磨削工艺。上述技术可直接用于工厂生产，如伺服伺服阀柱塞、惯导零件、振动筒等生产，可用于黑色金属及其它高硬度材料的圆柱形偶件的加工。应达到的技术指标如下： 圆柱度： O1O3m 径向配合精度： O308m 粗糙度： Ra0O05002m 423大批量外因、柱体、球及平面偶件的超精密研磨技术 进行可用于大批量生产用的研磨圆柱体、球及平面的超精密研磨装置及其相应加工工艺的研究，此技术可用于柱塞泵、惯导中超精密轴承精化、平面反射镜等元件的加工，可直接用于生产。应达到的技术指标如下： 圆柱度：03O5m 球度： O05O1m 平面度：005O1m 尺寸精度：01O5m 粗糙度：001O02m 424内孔的金刚石及CBN超硬磨料超精密研、珩技术研究 进行超精密外因磨削工艺与ELID修整工艺的研究，使研珩工具的精度达到超精密水平，从而使加工零件达到更高水平以解决现在圆拄内孔加工的技术难点。研制出一套超精密研、珩工具及加工工艺方法，提供超精密研、珩工具及夹具，可直接用于生产。应达到的技术指标如下： 圆柱度： O1O5m 尺寸精度：0308m 粗糙度：RaO01004m 425内、外径高精度尺寸测量技术研究 研究一种内、外径尺寸测量的方法及仪器。其技术指标如下： 分辨率： OOlO02m 稳定性：002m2小时 测量不稳定性：土005m 5 结论 超精密加工技术自五十年代发展至今，已有四十年的历史。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及零件的出现、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技术在原有的基础上不断发展，如提高传统超精密加工的精度，并提出新的超精密加工工艺，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。薄壁复杂结构零件高效精密数控铣削加工技术一、项目简介（包括项目背景、现状与前景）航空工业中广泛使用薄壁结构零件，尤其是飞机数控加工结构件，如框、梁、壁板等，绝大多数为薄壁结构。薄壁结构零件主要由若干侧壁和腹板组成，形状复杂，外形协调要求高，零件外廓尺寸相对截面尺寸较大，相对刚度低，加工余量大，加工工艺性差。在切削力、切削热、切削颤振等因素影响下，极易发生加工变形，加工精度难以保证，加工效率很难提高。尤其是在切削力作用下，薄壁件的侧壁和腹板部分极易变形,造成零件尺寸超差、厚度不均匀等误差。在型号研制与在役飞机生产中，由于没有掌握有关加工变形的机理与规律，缺少合适有效的工艺方法，数控加工的质量与效率一直是薄壁件加工的严重问题。在美国等发达国家，针对航空工业薄壁件的结构特点，在理论研究的基础上，开发了多种变形控制工艺方案。主要有：采用有限元变形分析技术获得薄壁结构件变形模式，再利用数控补偿技术进行适当补偿，以保证薄壁结构零件高精度加工要求；充分利用高速加工技术解决薄壁件切削加工变形问题，使生产率得到了极大提高；通过优化切削参数、走刀路径来减小加工变形；通过开发特殊的刀具、机床（如锥形刀具、双主轴机床等）来解决加工变形问题；通过设计新的装夹工艺（如石膏填充法、低熔点合金填充法等）来提高薄壁件刚性，从而提高加工精度，等等。由于工艺的保密性，相关技术资料只涉及了问题的表层部分，具体的工艺参数我们无法获取，必须依靠自身力量去发展。薄壁件加工精度问题在我国航空制造企业中普遍存在，但国内在这方面的研究还不够详细、深入。由于缺少理论分析与实验数据支持，对薄壁件的加工变形规律还不清楚，工艺的制定多数依赖经验，通用性与应变能力差，甚至需要增加打磨工序来达到加工精度要求，这大大降低了加工效率。虽然近年来高速加工机床的引进使薄壁件的加工精度与加工效率得到了一定提高，但问题并没有彻底解决：一是高速加工机床只占航空制造企业数控机床很小比例，问题的解决并不能完全依赖高速加工技术；二是对引进的高速加工机床缺乏了解，其工艺参数的设置并不合理，相关性能参数急需优化。目前，加工变形与加工效率问题已成为实现薄壁结构零件高效、精密切削加工的重要约束，零件结构设计受到制造水平的制约，直接影响了航空产品更新换代的先进性。可见，无论从航空武器装备研制生产的迫切性，还是从提高加工技术理论与工艺水平的重要性，开展本课题的研究都非常必要。成都飞机工业集团有限公司数控中心根据某型号工程研制生产需要明确提出要开展相关研究，并与南京航空航天大学签定了“薄壁结构零件加工精度补偿研究”技术合同（合同编号：99-1810-0734/6），旨在解决十号工程研制中大量薄壁件加工精度差、加工效率低的问题。同时，本项目先后获得了航空科学基金资助（编号：00H52068），以及国家自然科学基金资助（编号：10477008）。项目研究针对薄壁复杂结构零件的高效精密数控铣削加工问题，从影响薄壁结构零件加工精度的核心因素如加工变形、切削振动等方面着手，重点对薄壁零件高速铣削切削力变形分析与控制，薄壁零件残余应力变形分析与控制，薄壁零件高速铣削稳定性分析与控制，以及典型薄壁结构零件的高速铣削工艺等四个方面进行了系统深入的研究与探索，并取得了相应的理论突破；同时设计开发了高速铣削加工系统动力学参数辨识、高速铣削残余应力测试以及高速铣削振动监测等相关实验技术。该研究不仅会大幅度提高航空工业中大量薄壁零件数控加工精度与效率，缩短薄壁件加工理论、技术与世界先进水平的差距。同时，该项研究成果可进一步推广应用到航天、汽车等大量应用复杂薄壁结构零件的工业企业中，将会带动一系列相关关键技术的发展，对提高我国相关企业的整体制造水平，提高产品竞争力，具有非常重要的意义。二、项目合作基础（包括已承担各类基础、应用项目；已获专利、奖项及论文发表情况；研究团队介绍）已承担各类基础、应用项目简介本项目主要依托原航空工业总公司设立的切削加工研究室和南航机电学院先进制造技术中心实验室，已积累了近三十年的切削加工研究成果和经验。项目组1999年起承担美国容宏基金、国家自然科学基金、航空科学基金、江苏省科学基金以及国防预研项目等10多项，承担与成都飞机集团、沈阳飞机集团、首都航天机械公司等企业合作科技开发与应用项目10多项。有关薄壁结构件高速切削技术和复杂薄壁结构件高速铣削工艺的研究，为本项目的研究奠定了坚实的基础。已获专利、奖项及论文发表情况简介项目组自2004年以来，通过本项目研究，获得国防科工委科技进步二等奖1项，教育部科技进步二等一项。通过项目成果鉴定1项；在国内外学术刊物上发表论文20余篇；申请国家发明专利2项。研究团队简介何宁 教授，工学博士，南京航空航天大学国际教育学院院长。现为中国机械工业金属切削刀具技术协会常务理事、中国刀协切削与先进制造技术研究会副理事长、中国航空航天工具协会刀具委员会委员、中国机械工程学会高级会员、江苏省航空航天学会理事、航空精密制造技术与机械工程师等杂志编委。主编出版书籍及发表学术论文共70余篇（册）。获省部级科技进步二等奖5项和三等奖2项，申请发明专利4项。李亮 副教授，工学博士。自1994年起主要从事抗疲劳制造技术、难加工材料的切削加工、电弧离子镀、高速切削机理与工艺技术等研究工作。先后承担江苏省自然科学基金、航空高等院校自选科研课题和横向课题等4项；参加多项国家自然科学基金、航空基金、国防预研基金及横向课题的研究工作。合作发表学术论文10余篇，获校科技成果一等奖1项，省部级科技进步二等奖3项和三等奖1项，申请发明专利2项。赵威 讲师，工学博士，主要从事薄壁零件的加工变形分析与加工工艺研究、难加工材料的绿色高速切削等方面的研究工作。先后参与航空科学基金、国家自然科学基金、国防基础研究等科研项目及横向课题等6项，目前发表论文10多篇，获校科技成果一等奖1项，省部级科技进步二等奖2项和三等奖1项。另有博士研究研究生及硕士研究生多名。三、技术性能指标（技术优势或创新点）主要创新点：（1）    薄壁零件高速铣削切削力变形分析与控制技术研究l        根据薄壁结构零件的特点，建立了沿铣削刃分布的薄壁零件高速铣削动态力学模型。该铣削力模型考虑了刀具的底刃效应、圆角效应以及进行切削变形分析时侧壁与腹板受力的不同，分别在不同的切削区域建立了模型力系数与切削刃微单元宽度之间的关系模型，预测精度更加精确可靠，可以作为切削加工变形分析的加