超精密加工及其关键技术的发展

魔神

    

　　基于材料去除的冷加工技术，从本世纪60年代初美国用单点金刚石刀具对电解铜进行加工，并成功地切削出镜面以来，在加工精度方面发生了质的变化，促使了超精密加工技术的产生和发展。一般认为，被加工零件的尺寸和形位误差小于零点几微米，表面粗糙度介于几纳米到十几纳米之间的加工技术，是超精密加工技术。目前，超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术中的一个重要组成部分，其产品涉及国防、航空航天、计量检测、生物医学、仪器等多个领域。

　　回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。

　　1 超精密加工的共性技术及其发展

　　　 超精密加工可分为超精密切削、超精密磨削、研磨、抛光及超精密微细加工等。尽管各自在原理和方法上有很大的区别，但有着诸多可继承的共性技术，总的来说，在以下几个方面有着共同的特点：

　　1.1 超精密运动部件

　　　 超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。超精密运动部件是产生上述相对运动的关键，它分为回转运动部件和直线运动部件两类。

　　　 高速回转运动部件通常是机床的主轴，目前普遍采用气体静压主轴和液体静压主轴。气体静压主轴的主要特点是回转精度高，如Pneumo公司的Nanoform250车床采用气体静压主轴，回转精度优于0.05μm。其缺点是刚度偏低，一般小于100 N/μm。近年来，在提高气浮主轴刚度方面有很多研究，如德国Kugler公司开发了半球型气浮主轴，刚度高达350 N/μm；日本学者利用主动控制的方法增加主轴刚度，同时提高了回转精度；荷兰Eindhoven科技大学研制的薄膜结构被动补偿气浮轴承静刚度可趋于无穷，动刚度也大大提高。液体静压主轴与气浮主轴相比，具有承载能力大、阻尼大、动刚度好的优点，但容易发热，精度也稍差。

　　　 直线运动部件是指机床导轨，同样有气体静压导轨和液体静压导轨2种。由于导轨承载往往大于机床主轴而运动速度较低，超精密机床大多采用后者，如美国LLNL研制的LODTM采用的高压液体静压导轨，直线度误差小于0.025μm/1000 mm。同样，主动控制的方法适用于提高气浮导轨静态刚度，日本Tottori大学的Mizumoto等人将这一技术应用到其设计的超精密车床中，提高了导轨直线度。