2023年文献综述zxdrev2.doc

上海海洋大学2023届毕业设计〔论文〕 文献综述 超精密数控机床刀架设计 ： 精密和超精密加工技术的开展，直接影响尖端技术和国防工业的开展。本文将介绍国内外超精密机床设备和技术的最前沿动态，并指出开展超精密加工技术的创新看法。此外，还将着重介绍超精密数控车床的刀架使用现状。 关键词：超精密加工； 电动刀架 1 引言 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外表光洁度的加工过程。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，尤其是电气自动化领域，如超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、精密机床、精密仪器、录像机磁头、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开展有密切的关系，是当代科学开展的一个重要环节；而且，超精密加工技术的开展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的开展。 目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,开展了新的精密加工和精密测量技术。近年来我国在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国〞,与兴旺国外相比仍有较大差距。由于超精密加工技术对国防等尖端领域的重大影响，我国必须投入必要的人力物力,自主开展精密和超精密加工技术,争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。 2超精密加工设备的开展历史 超精密加工设备开展到现在不过40多年的历史，可以总结出两大特点：一是大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，对超精密机床产业化和商品化起着推动的作用；二是超精密机床的模块化、系统化是其进入市场的重要技术手段。 2.1国外开展状况 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。美国首先开展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为 SPDT〔Single Point Diamond Turning〕技术，并开展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。其后，Union Carbide公司和Moore 公司分别开发了R -θ 方式的非球面创成加工机床和3 个 坐 标 控 制 的 M-18AG 非球面加工机床，它们均可进行非球面镜面加工。20 世 纪 80 年 代，美 国 Union Carbide 公司、Moore 公司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状精 度 为 0.1μm、直 径 为 800mm 的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究方案——POMA(Point One Micrometer Accuracy) 方案，这是一个里程碑式的研究方案。20 世纪 80 年代中后期，美国又成功实现了大型零件的超精密加工，如劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 1984 年研制出一台大型光学金刚石车床 (Large Optics Diamond Turning Machine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工设备的最高水平。 英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国精密超精密加工技术水平的独特代表。 由于有了模块化和构件化的技术，研制新的超精密制造设备的费用和周期大大下降，技术难度也同时下降。进入 80 年代后，随着民用光学应用范围的扩大，超精密加工技术在民用行业得到了应用。日本对精密超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但它是当今世界上精密超精密加工技术开展最快的国家。日本的研究重点不同于美国以开展国防尖端技术为主要目标，而是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的精密、超精密加工技术方面，更具有优势，在这方面甚至超过了美国。 2.2 国内开展状况 我国的精密超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但是目前还没有形成一个产业，在超精密加工设备以及超精密加工工艺技术等方面，国内各个单位各有特点，相互之间进行深层次交流还存在着一定的障碍。北京航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京机床所等科研单位是国内研究超精密机床的主要力量。如北京机床研究所研制出了精度达0.025um的精密轴承、JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床、NAM一800型纳米数控车床等，到达了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部精密加工研究所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深人研究及产品生产。 我国研究现状是研究力量分散，没有形成产品系列化和产业化的局面。单项技术指标尽管很高，但总体技术水平落后，缺乏以满足我国超精密加工行业的需要，大局部还只是停留在研究型机床的状态。设备的总体性能、综合精度指标及稳定性、控制系统、可靠性、外观造型设计及人性化设计、机床附属功能、根底元部件、机床的集成技术等这些方面还存在较大问题。 3 超精密加工的技术内涵 由于生产技术的不断开展，超精密划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。一般认为，当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1 μm，外表粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术开展。例如现在超精密切削的加工精度已经接近1 nm,外表粗糙度Ra到达了1 nm以下。金刚石刀具刃磨的切削刃口饨圆半径到达了1 nm,金刚石R车刀的圆弧半径已经能研磨到R±0·01μm。 超精密加工技术是一门综合技术,涉及许多领域,除机械加工技术(机床、切削工具、工艺)外,还涉及材料,测量,环境条件(洁净度、温度、湿度、振动等)等学科。超精密加工的产品普及仪表、电子、光学、家电、机械、天文、军事工业等领域。加工零件的形状除了简单的平面、内外圆柱面、球面外,已扩展到规那么曲面、不规那么曲面等。加工的材料除了铝、铜等有色金属外,还有光学玻璃、陶瓷、新型复合材料等。此外,黑色金属原来不适于用金刚石刀具进行切削加工，目前也多有使用。 3.1超精密加工的领域、加工方法及影响因素 超精密加工目前包含三个领域：超精密切削、超精密磨削研磨、精密特种加工。根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类，其中，结合加工和变形加工是比拟先进和新兴的技术，例如，快速成型加工改变以往去除加工的机理，利用激光凝结堆积，实现制造，这是制造领域的一个革命。影响超精密加工的因素很多，主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其根底元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。这些因素对加工精度都有不同程度的影响，其中加工环境影响相对大，对于工作环境就有温度、湿度、净化和防振等方面的要求：恒温、恒湿、净化、防振。工艺过程设计对加工质量、生产率、本钱往往具有关键性的全局影响，对工艺就要考虑比普通加工更多的要求。精密加工和超精密加工的加工质量和水平在一定程度上靠技术人员和操作工人的技艺来保证。加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者结合起来决定了工件的加工精度。因此，人的技术水平、知识面、经验和操作熟练程度，往往是影响精密加工和超精密加工质量和效率的重要因素。 3.2 超精密加工的技术根底 超精密加工的实现是由许多先进技术结合展现的结果,它涉及到机床系统、切削工具系统、被加工材料及其状态系统、加工环境控制等。超精密加工的技术根底可见所示： 表一 超精密加工的技术根底 机床系统：超精密加工机床应具备的特性有：高刚度、对称、抗振、抗热变形(热设计)、稳定的结构(低重心)、结构紧凑、机床结构材料单一(变化少)等。被加工材料应具备的特性:除按照产品使用性能选用适宜的材料之外，还应解决超精密加工对材料均匀性和无缺陷的要求。切削刀具应具备的特性：切削刃能长时间保持锋利,长寿命化(磨损极小化)，刀具切削热能迅速排除，切削工具能微量进给调整等。环境条件能保证超精密加工的可能性：必须具备能保持相应严格控制的温度、湿度条件;并且能创造少、无振动的切削条件。 3.3 新理论、新原理、新观点、新方法及新技术在超精密机床中的应用 3.3.1 在机床结构方面 为了增加超精密机床的静刚度和动刚度，一些超精密机床采用很特殊的结构，例如三角棱形立式结构的超精密磨床是为了超大直径(φ400mm) 硅片研磨加工设计的；自由度并联机床结构，也可以进一步增大了机床的刚度。 3.3.2 超精密主轴和导轨 在传统空气静压和液体静压轴承的根底上，通过控制节流量反响方法来实现运动的主动控制从而提高轴承的刚度。磁悬浮主轴技术，永磁、电磁和气浮结合的控制方案也一直在研究中。多孔材料的气浮轴承可以提高气浮轴承的刚度。液体静压轴承具有刚度高、动态特性好等特点，但发热是其致命的弱点，水静压轴承的研制正是针对这一问题进行的。与油静压轴承相比，这种轴承的优点是轴承发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。 3.3.3 超精密驱动技术 精密滚珠丝杠是超精密机床驱动采用的常规方式，但是这种方式存在许多缺点，限制了运动精度的进一步提高。为此，气浮丝杠和液体静压丝杠在一些日本研制的超精密机床上得到了应用，但是采用这种传动方式的零件加工工艺极其复杂，限制了其应用。摩擦驱动具有运动平稳、无反向间隙等特点，在一些轻载、低速的超精密加工设备及检测设备上得到了应用。近年来，直线电机在超精密加工设备的驱动上得到了广泛的应用，也成为一个趋势。直线电机采用无机械减速系统的无摩擦直接驱动方式，适合高精度、高分辨率、高速等场合。 3.3.4 超精密加工的误差建模与补偿技术 近年来一些数学工具如微分几何、李代数和李群在复杂几何形状误差的评定和分析方面得到了一些应用，并有望在超精密机床误差分析中得到运用。在机床运动精度和工件形状精度处于同一数量级时，多传感器误差异离方法是别离误差最有效的方法之一。例如，对主轴运动误差和工件圆度误差的别离，溜板运动误差与工件直线度的别离等。圆度三点法技术己相当成熟，在直线度测量中，多传感器安装误差和测量加密算法已得到很好解决，因此，圆度和直线度误差异离技术可顺利地推广到圆柱度、平面度超精密误差测量与补偿控制领域。 3.3.5 超精密机床的数控系统 超精密机床数控系统的特点是高编程分辨率〔1nm〕和高精度的伺服控制软硬环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件，意味着需要高的控制速度，例如插补周期小于 1ms( 普通数控为 10ms 左右 )，伺服闭环采样周期小于 0.1ms。 PC 机的开展给数控技术带来新的变化，基于PC的 数控系统已成为超精密数控系统的趋势。 4 机床数控刀架的开展现状及方向 数控机床的出现对提高生产常理、改良产品质量以及改善劳动条件等已经发挥了重要的作用。为了进一步压缩非切削时间，多数数控机床往往在一次装夹中完成多工序加工。数控机床的刀架是机床的重要组成局部，数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于屡次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。随着现代科学技术的开展，数控刀架向高智能化、高精度等方向开展。刀架已不再是单纯的电动的，已是电液组合驱动和伺服