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      1. 超精密加工的動向和思考

        超精密加工的動向和思考

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

        內容摘要:超精密加工經過數十年的努力,日趨成熟,不論是超精密機床、金剛石工具,還是超精密加工工藝已形成了一整套完整的超精密制造技術系統,為推動機械制造向更高層次發展奠定了基礎,現在正在向納米級精度或毫微米精度邁

        超精密加工經過數十年的努力,日趨成熟,不論是超精密機床、金剛石工具,還是超精密加工工藝已形成了一整套完整的超精密制造技術系統,為推動機械制造向更高層次發展奠定了基礎,現在正在向納米級精度或毫微米精度邁進,其前景十分令人鼓舞。但是從另一個角度來分析,隨著科技的發展,對它的要求越來越高,而現實的情況又受到技術水平的制約,依然存在許多困難。

        1 綜述

        超精密加工技術是一門綜合性的系統工程,它的發展綜合地利用了機床、工具、計量、環境技術、微電子技術、計算機技術、數控技術等的進步。日本的津和秀夫教授形象地將超精密加工比作富士山的山頂,所以在某種意義上說,已到達了精密加工的頂峰。日本的文獻上,經常出現向極限靠攏的提法。雖然從技術的角度來說,有些模糊,但是很形象化。實際上,加工精度在現有的水平上再提高一步已是相當困難。以現在的產品而言,凡是要求高的尺寸,大部分是超越現有標準的,這從另一個側面反映了超精密的實際情況,相當多的要求,均以技術條件的形式來表示,或標明具體的特殊公差,而今天除了精度以外,對表面還提出了新的要求——表面完整性。日本谷口紀男教授往往將超精密加工技術與微細加工綜合在一起來加以介紹,客觀上反映了兩種技術的交叉,也體現了時代的特征。本文想就超精密加工發展的趨勢,說明一些個人的看法。

        超精密加工技術隨著時間的推延,精度、難度、復雜性等都在向更高層次發展,使加工技術也隨之需要不斷加以更新,來與之相適應。

        以金剛石切削為例,其刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發展,因為它的大小直接影響到被加工表面的粗糙度,與光學鏡面的反射率直接有關,而今反射率要求越來越高,如激光陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%,必然要求金剛石刀具更加鋒利,根據日本大阪大學島田尚一博士介紹,為了進行切薄試驗,目標是達到切屑的厚度1nm,其刃口圓弧半徑趨近24nm。直至今日,這個水平仍為世界最高的。為了達到這個高度,促使金剛石研磨機也改變了傳統的結構,而采用了空氣軸承作為支承,研磨盤的端面跳動能在機床上自行修正,使其端面跳動控制在0.5µm以下,我國航空系統303所研制的刃磨機就是一例。刃口鋒利了,接著其檢測又成為一個難題,起先日本橫濱大學的中山一雄教授用金絲壓痕的方法;后來發展到采用掃描電子顯微鏡(SEM),其測量精度可達到50nm;隨著精度的再提高,日本的刀尖評價委員會又在SEM上增加了二次電子的發射裝置,這時也只能測定到2040nm;1993年,該小組再提出采用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)來進行檢測,但以后就未見報道。直到1996年,我國的華中理工大學發表了用AFM檢測的報道。1998年,哈工大又再次作了報道。用AFM成功地檢測了刃口圓弧半徑。檢測技術的突破,的進為微量切削機理一步探索創造了前提。
        硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法,后來日本足利大學的宮下政和教授發表了采用金剛石砂輪,控制切削深度和走刀量,在超精密磨床上,可以進行延性方式磨削,即使是玻璃的表面也可以獲得光學鏡面。這在技術上是一次很大的突破。接著,又發展到了直接采用大負前角度的金剛石車刀在上述的類似條件下,也可以獲得同樣的結果,但車削的效率則明顯的提高。今天又提出如果將超聲波技術與金剛石切削結合,更有利于發揮出功效。我國吉林工大等也作了這種嘗試,并取得成果。
        砂輪采用金屬結合劑,一般指的是銅,而為了提高砂輪的壽命,日本東京工業大學的中川威雄教授采用了鑄鐵結合劑,使砂輪的壽命明顯提高,這是很大的突破,隨之,引起了各種結合劑的研究熱潮。后來日本理化學研究所的大森整就在這個基礎上,發展了砂輪的在線電解修整(ELID)技術,又使超精密加工技術的途徑得到了拓寬,在鏡面加工方面取得了進步。

        金剛石技術的發展,近幾十年來,給了科技人員很大的激勵,從天然金剛石到人造金剛石,從超硬金剛石薄膜到厚膜的形成,逐漸為在超精密制造技術方面廣泛采用金剛石工具創造了美好的前景。為了金剛石應用領域的拓寬,為突破金剛石切削黑色金屬,一直在進行大量的實踐,如深冷切削、富碳大氣中的切削等,都先后取得一些效果,也有在金剛石的成份中摻入硼,使之與黑色金屬的親和力明顯改善。而今金剛石的刃磨已在探索其他的途徑,如熱化學研磨即為一例。

        微量切削的機理一直是技術人員所關切的一個大問題,但是要直接對切削點觀察是異常困難的,現在有提議將切削裝置小型化,放置于SEM的鏡頭下進行切削并觀察;日本大阪大學井川直哉教授等開始采用計算機仿真,逐步在向揭開微量切削的奧秘迫近。

        超精密機床的發展,已經相當成熟。它是最重要的硬件,它集大量成果于一體,如高精度主軸、微量進給裝置、高精度定位系統、氣浮導軌技術、熱穩定性技術、NC系統等。特別是美國的LLNL實驗室、日本的不二越、東芝機械等公司、英國的Cranfield、Pneumo Precision等的產品都已商品化,在市場上很有聲望。

        總之,超精密制造技術是綜合的、系統的技術組合,而且隨著時間的推延,其內涵始終在演變,因此必須及時跟蹤、分析,綜合地將其各方面的進步,以新穎的構思巧妙地加以重組,來不斷地提高超精密加工技術水平,適應時代的要求。

        2 展望與對策

        時代對超精密加工技術仍在不斷地提出更新的需求,從大到天體望遠鏡的透鏡,小到微機械的微納米尺寸零件。不論體積大小,其最高尺寸精度都趨近于毫微米;形狀也日益復雜化,各種非球面已是當前非常典型的幾何形狀;70年代,始于日本的產品短薄輕小的戰略思想,引發了儀表的小型化、輕便化,從而導致儀表零件的薄壁、低剛度、易變形的特點,也造成超精密加工的更大難度。

        在當前必然也會談到的是微機械技術的誕生,為超精密制造技術引來一種嶄新的態勢,它的微細程度使傳統的制造技術面臨一種新的挑戰。盡管它的誕生時間只是近期的事。人們已公認為它是21世紀的前沿技術。它的發展極為神速,受到全世界的關注,我國也不例外,僅幾年時間,許多單位已生產出各種產品,甚至完成了將原子遷移,構成圖形或字體等的各種創舉。1996年,上海交通大學展示了直徑為2mm的微電機,而今天瑞士TECHSTAR GmbH已經將直徑3mm電機,轉速為100,000r/min的產品作為商品銷售,其最小的滾珠軸承外徑只有3mm。微機械的發展如此迅速,確實驚人!

        面臨即將到來的21世紀,我國從事超精密加工的廣大科技人員如何努力才能縮短與國外的差距,作為這條戰線的一名工作者,確是日有所思,下面提出一些個人的具體想法。

        跟蹤世界先進科技的發展,大量掌握和利用信息

        超精密加工技術是發展科技的重要手段,所以受到世界各國的廣泛重視,因此也就不斷地獲得新的成果,但是因為它的要求都處在精度的極限,傳統的、單一的技術往往很難突破,必須綜合地利用當前取得的各種成果,通過綜合、分析,加以整合、重組,才能進一步滿足更高的要求。因此當務之急是如何及時地取得各種有關的信息。自從進入信息時代,獲得信息的手段也隨之而得到發展,特別是計算機聯網的實現,加速了信息傳遞。因此為信息的及時獲得創造了前提,同時已成為競爭的重要手段。前面已提到的金剛石切削刃口圓弧半徑的測量,一直是超精密加工技術領域中的一個難題,自從1982年,STMAFM的發明,應當說為其測量創造了前提,但是當時并未受到應有的重視,直到1993年才從《Precision Engineering》看到美國學者J.Drescher提出這種設想,但并未實現。到了1996年和1998年,才看到我國的華中理工大學和哈工大在這方面相繼作出了的有關的報道。表明這些信息的傳遞,有利于加速技術的發展。但為什么實踐如此滯后。也許可以說,信息雖然是有了,但并沒有很快得到應用,當時它的出現并非直接為超精密加工領域應用的。不過今天看來這項研究,所以能獲得進展,也是因為應用了這個信息。這充分說明信息只是一種素材,有了信息還得進一步經過加工,才能成為真正的手段。

        超精密加工技術一直是制造技術的前沿技術,每前進一步,都需付出很大的代價,而且對其要求也是隨著時間的推延而不斷提高,這就必須廣泛的收集信息,雖然工藝信息往往是被視作Know-How而加以保密,所以更增加了它的收集難度,但是信息的渠道是多方面的,另外,得到的信息,大部分仍然需要經過大量篩選,擇其有用的為我所用。而信息的收集必須先行,并且需要及時。

        比如,當前硬脆材料的加工已是當務之急,歷來采用磨削的途徑,但是在技術上存在比較難克服的問題,往往滿足不了光學等方面的要求,有的還將附加采用難度不小的拋光。為了突破這個難題,世界各國都開始摸索新的途徑,后來出現在超精密機床上加工硬脆材料,控制極小切深和走刀量,首先從磨削突破了硬脆材料延性方式的技術,緊接著也很快采用大負前角的金剛石車刀獲得成功。當然在掌握上,仍然存在難度。近期又有建議在金剛石的切削上如果復合振動切削,便能更易實現硬脆材料延性方式的切削。這表明技術是在不斷推陳出新的。必須時時跟蹤,這樣才有可能縮短研制的周期,突破難題。

        整合、重組思想的運用

        超精密加工技術是一項系統工程,它集機床、工具、計量、數控、材料、環境控制等成果于一體,針對不同的加工對象,不同的設計要求,綜合地加以利用。這里想以當前的超精密機床為例,可以發現大部分這類機床也是反映出這些特點,它是根據自己所需的產品來設計、制造的。從這類機床的主軸、直到床身,幾乎均被認為到了精度的極限,因此每種型號特色都比較明顯。而商品化的也有一些,但從已發表的文獻中來看,只是少數。前者如美國的LLNL國家實驗室的大型光學金剛石車床LODTM等。后者如Pneumo Precision公司的SMG325超精密機床。即使是大量生產磁盤的車床其需要量也是很有限的,以日本東芝機械公司為例,據其公司的介紹,每年在日本的補充量也僅三十多臺,或者更少。這是超精密機床的特點。

        超精密機床的特點擴大到整個超精密加工技術來看,有類似的情況,超精密加工技術也都是在其有關的各項技術支撐的條件下,逐步發展起來的,同時又往往取各項技術的嶄新成果來加以充實、提高。例如金剛石車刀的刃口圓弧半徑達到24nm,就可切削下小于1nm厚度的切屑,這為更高精度的加工創造了前提;摩擦驅動的出現,完全解決了滾珠絲桿的發熱、振動、振擺和噪音等的不足,使獲得更佳的質量具有可能性;冷卻液的溫度能控制到20±0.0005,在噴淋下切削可以保證高精度;靜壓軸承的高精度為主軸的高精度回轉提供了條件;雙頻激光干涉儀達到了當前的最高定位精度;喻為零膨脹系數的微晶玻璃為超精密機床向更高層次的發展提供了可能。這許多嶄新的技術成就為整個超精密加工技術向縱深發展創造了依據。今日的超精密加工技術就是以這許多先進技術作為支撐的。但是如何運用好這些技術,還有待更高超的整合和重組的技巧。這是超精密加工技術方面的重要課題。

        創新是推動超精密加工技術發展的動力

        超精密加工技術每前進一步,都離不開創新,這是由超精密加工技術所處的位置決定的,因為這門技術始終處在發展的前沿。面對飛速發展的需求就決定了它必須創新。

        美國的LLNL國家實驗室是最典型的一個科研單位。在超精密加工技術方面作出的貢獻一直為世人所公認。以摩擦驅動為例,它替代滾珠絲桿被應用在LODTM型的超精密機床上,是一個創舉,其優點已在前面介紹過,Jim B.Bryan教授因而被喻為摩擦驅動之父。這個實驗室,還研制了一臺BODTM小型的超精密機床,它完全是用市場購買的部件組裝而成的,我們稱為模塊方式的結構。這體現了超精密機床的單件或小批量的特點。這種方式不僅研制周期短,成本低,而且可以組合成各種機床,甚至可以形成小的批量生產。我國航空系統303所的實踐也充分表明這一點。

        日本認為綜合利用也是一種創新。最近日本松下電器公司將AFM儀器裝到高精度三坐標測量機上,使其量程最大可達400mm,最高精度為10nm,可傾斜最大60°角的任意三維形狀,成為世界上最高精度的UA3P型三坐標測量機。他們拓寬了原有測量機的功能,更重要的是向超精密加工前進了一大步?,F在有人開始正在將平行機構應用在三坐標測量機上,可以預見一種新功能的測量機將會依靠創新而誕生。

        電加工在近期進入了超精密加工技術領域,從發展的角度來分析,在未來的世紀中,將會發揮出更大的作用。今天的電加工不論其功能,還是加工的質量已經接近超精密切削加工的水平,以電火花線切割為例,通過采用二次切割(Second Cut),其切割的精度為±2µm,能達到很高的表面質量。再說電火花成形加工,在采用平動或搖動的基礎上,最近創造了混粉(鋁、鉻和硅等)加工,被加工表面達到了鏡面。電加工技術迄今仍在向更高層次發展,其前景十分令人鼓舞。例如,日本東京工業大學的增澤隆久采用0.01mm的電極絲,在電火花線切割機床上切割f0.3mm直徑的7個齒的小齒輪,說明電加工已經發展到微機械加工領域。這可充分說明由于創新使電加工技術迅速地得到騰飛。1943年發明電加工時僅僅是一種輔助性的粗加工手段,而今已步入了超精密加工技術的行列,真是不可同日而語了!

        陶瓷性能的優越,作為結構材料已眾所周知,但是其加工的難度太大,是有名的難加工材料,陶瓷滾珠的加工就更難。如何制造高精度陶瓷滾珠已成為熱門的一項課題,采用傳統的研磨機,存在一些不足,于是日本金澤大學的黑部利次等教授將V型槽研磨盤分為內外兩個有斜面的盤,V型是由兩個斜面構成,這樣這兩個盤可以以不同的速度回轉,改善了滾珠在研磨中的狀態,來得到高精度。這是從另一個側面介紹了研磨領域里的一種新穎的構思。

        金屬結合劑的金剛石砂輪的應用歷史已不短,其結合劑歷來就是銅劑,日本東京工業大學的中川威雄教授提出采用鐵劑,使金剛石砂輪的壽命提高了12倍。并且引起了技術界研究結合劑的熱潮。在這基礎上,日本理化研究所的大森整博士又發展了金剛石砂輪的在線電解修正(ELID)技術,拓寬了鏡面加工的新途徑,創新的作用發揮出了淋漓盡致的效果。

        總之,創新在超精密加工領域中占有重要的位置,這是無可爭辯的。

        注意動向,為發展鋪平道路

        超精密加工技術在向更高精度的層次發展,具體說,正在受到毫微米精度的挑戰,另一方面又面臨微機械的要求,傳統的加工也面臨不適應的局面。因此從戰略上必須重視這些發展。這里只提出幾個例子作為參考:

        微機械的制造技術

        微機械與微機械加工已是當前超精密加工技術延伸的一個重要方面。由于與傳統的機械加工有著很大差異,因此逐漸在超精密加工技術領域出現一種嶄新的動向,它正起到推動超精密加工技術發展的作用。LIGA技術就是典型的產物;電加工向微細加工的發展又是一例。以STM、AFM等組成的SPM系統正在被應用在機械加工領域,今天超精密加工的表面質量通過這類測量儀表的計量,使加工的技術水平向更高層次發展。這些技術的發展不僅推動微機械技術的發展,而且也加速了傳統機械加工的進步。
        硬脆材料采用延性方式加工

        科技的進步,促使廣泛采用新材料,而新材料中許多是硬脆材料,其加工難度很大,尤其是光學零件的透鏡,要求鏡面,自從出現采用延性方式的加工技術,引發了很大的研究熱潮,但是它必須提供更優越的條件,因此有人提出金剛石車削與超聲波技術結合的復合加工??傊?,這是前景很好的技術,但是難度很大,當前仍處在實驗室階段,還有待進一步完善和探索。而今后的需求確實十分迫切。

        超精密計量技術的發展

        要發展超精密加工技術,最迫切的是超精密計量。從發展的角度來看,超精密加工技術一直在向更高層次推進,因此其定義也很難加以確定,精度也隨著時間的推移不斷提高,計量便首當其沖。應當說,計量技術在當前已經有了很大提高,條件明顯得到改善,但是需求則更高,這就是矛盾的所在。激光作為計量的基準,對超精密加工技術起到了巨大的推動作用;掃描探針顯微鏡(SPM)出現,對提高超精密加工技術向高層次的發展起到了關鍵的作用,而且也有助于微機械的發展。這是有利的方面,但是其利用只是剛開始,有待進一步開發,但從發展來看,難度依然很大。

        非球面光學加工

        非球面透鏡的出現是光學領域的重要發展,它的迅速發展,給超精密加工技術提出了迫切的要求,隨著時間的推移,精度的不斷提高,難度也日益變大。所以近期已成為超精密加工領域的一項重要的課題。這項技術不僅應用于大型天文望遠鏡,而且用于紅外及短波段的反射光學成像系統與量大面廣的光盤光學聚焦透鏡。今天透鏡的材料也在迅速發展,新型的塑料透鏡已成為熱門的目標,由于其量大且塑料的熱膨脹系數大,使制造的難度也日趨增大。尤其是光學透鏡的模具制造更是超精密加工技術今后的重要課題。

        限于篇幅,這里只能舉幾例,說明隨時隨地應當注意其動向,為超精密加工技術的發展,得取動力。

        3 結束語

        超精密加工技術是機械制造領域的重要方面,它的發展是尖端技術的基礎,它的成就將是推動整個科技向更高層次發展的重要手段,也是現階段必須突破的關鍵技術,因此及時借助于當前的有關各項技術的進步,綜合加以利用才能突破。這就是本文的初衷。

         

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