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標題: 歲月如歌：超精密加工簡史 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時間: 2015-12-26 19:56
標題: 歲月如歌：超精密加工簡史
關于精密和超精密加工，目前的定義還不統一，在不同的歷史時期，不同的科學技術發展水平情況下，有不同的理解。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達到零點幾微米，表面粗糙度優于百分之幾微米的加工技術稱為超精密加工技術。
   超精密加工技術市場是國家尖端技術集中的象征，尤其是國防、航天、電子等工業，它既是高代價、高投入的工藝技術，又是高增值、高回報的工藝技術，世界工業先進國家都把它放在國家技術和經濟振興的重要位置。但是，因為這個領域應用很窄，但是要求極高，所以非常關鍵，中國在普通機床領域已經發展很快，但在這個行業，國外技術封鎖嚴格，因為涉及的都是高精尖技術。
   例如慣性導航儀器系統中的氣浮陀螺的浮子及支架、氣浮陀螺馬達軸承等零件的尺寸精度、圓度和圓柱度都要求達到亞微米級精度；人造衛星儀器軸承是真空無潤滑軸承，其孔和軸的表面粗糙度Rα達到1 nm，圓度和圓柱度均為納米級精度，這些零件都是用超精密金剛石刀具鏡面車削加工的，也就是“單點金剛石車削”。精密液壓控制系統中的精密伺服閥的閥芯與閥套的配合精度也常在亞微米等級，它是用超精密磨削方法加工的。
   超精密異形零件例如航空高速多瓣防滑軸承的內滾道、激光陀螺微晶玻璃腔體，都是用超精密數控磨削加工而成的。陀螺儀框架與平臺是形狀復雜的高精度零件，是用超精密數控銑床加工的。
   超精密光學零件加工如激光陀螺的反射鏡的平面度達0．05μm，表面粉糙度Rα達0．001μm、它是由超精密拋研加工、再進行鍍膜而成，最終要求反射率達99．99％。—些高精度瞄準系統要求小型化，所以用少量非球面鏡來代替復雜的光學系統。這些非球鏡是用超精密車、磨、研、拋加工而成的。
   另外近期二元光學器件的理論研究進展很大，二元光學器件的制造設備是專用的超精密加工設備。比如在民用的隱形眼鏡就是用超精密數控車床加工而成的。計算機的硬盤、光盤、復印機等高技術產品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成的。

20世紀80年代，美國聯合碳化物公司、Moore公司和美國空軍兵器研究所制定了一個以形狀[size=+0]精度為0.1μm、直徑為800mm的大型球面光學零件超精密加工為目標的超精密機床研究計劃——POMA(Point One MicrometerAccuracy)計劃，這是一個里程碑式的研究計劃。
   20世紀80年代中后期，美國通過能源部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進制造技術開發計劃”，對超精密金剛石切削機床的開發研究，投入了巨額資金和大量人力，實現了大型零件的超精密加工。到1984年，美國著名的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研制出一臺大型光學金剛石車床(Large Optics DiamondTurning Machine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工設備的最高水平，其創造的紀錄至今無人能及！

   該機床可加工直徑為2.1m，重為4.5t的工件。采用高壓液體靜壓導軌，在1.07m×1.12m范圍內直線度誤差小于0.025μm(在每個溜板上裝有標準平尺，通過測量和修正來達到)，位移誤差不超過0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉儀來測量和反饋控制達到)，主軸溜板運動偏擺小于0.057″(通過兩路激光干涉儀測量，壓電陶瓷修正來實現)。激光測量系統有單獨的花崗巖支架系統，不與機床聯結。油噴淋冷卻系統可將油溫控制在（20±0.0025）℃。采用摩擦驅動，運動分辨率達0.005μm。最終可實現加工大型光學零件直徑達1.4m，面形精度為 0.025μm，表面粗糙度Ra≤5nm。
美國LODTM大型金剛石車床，代表了超精密加工設備的最高水平
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LivermoreLLNL）在超精密加工領域實力雄厚，哈勃太空望遠鏡鏡片、美國軍艦的激光陀螺儀平面發射鏡、紅外導彈制導頭反射鏡、導彈慣導器件、受控激光聚變反射鏡等這些產品的精密超精密光學加工，基本上都是該實驗室的成果。但LLNL是個科研性質的單位，有個精密工程precision engineering部，研制超精密機床主要就在這個部門。但他們又不完全是為了單純研制機床，而是深入研究包括基礎研究、新工藝，以及超精密測量技術等相關領域，所以象LODTM這樣的大型設備除非有國家需求，一般不是主要目的，現在他們基本上是尋找合適的企業界合作伙伴完成，如MOORE等。
https://www.llnl.gov/
      事實上，美國做超精密的最早還是企業，聯合碳化物公司，他們62年就開始做可加工100 mm 的半球,尺寸精度±0.18 μm ,粗糙度Ra01002 5μm的超精密車床。其實LLNL研究超精密加工在50年代就開始了，因為美國政府發現私人企業沒有經濟實力能夠承擔為國家核武器工程提供高質量的加工、測試手段，所以才啟動了這個計劃，將那批人集結到LLNL，首先開發出稱為“SPDT”( Single Point Diamond Turning) 的單點金剛石刀具的超精密切削技術，取得了無與倫比的成就，至今無人能夠超越，20多年竟然無人超越，不禁讓人仰止！
LLNL的另外一件神器DTM-3

   最新的是PO-GAL金剛石車磨復合機床。這是LLNL2003年立項，為滿足更大口徑光學零件以及硬脆材料光學零件的超精密磨削加工的需求，2006年開發的下一代超精密光學加工設備PO-GAL光學車磨復合機床，其主軸的軸向、徑向精度技術指標為50nm。不過這臺設備不大，和OAGM2500不是一種級別的。
另外一個在超精密加工領域處于頂級水平的就是英國Cranfield大學的精密工程研究所。盡管同牛津、劍橋相比不那么有名，但只要一說起其精密工程研究所，則令工業界肅然起敬，這是英國5所工程技術類大學之一，在航空航天、汽車、制造業領先科技方面是英國最好的之一。CUPE和LLNL雖然都是做光學零件的超精密加工，但側重點不同。CUPE從事超精密加工研究也很早，但由于英國傳統學術背景強調的是理論研究，所以各國超精密研究成果很多就是在CUPE的理論基礎上進行。CUPE的約翰•洛薩姆和帕克•麥柯溫教授至今仍是超精密加工領域的大牛。因為英國沒有可以讓人施展的產業化空間，從CUPE出去了很多人，包括LLNL。如果以金剛石車床而言，LLNL可以算第一；但以大型超精密機床而言，公認是OAGM2500。該所研制的ORGM2500六軸數控超精密磨床至今仍和LODTM并稱超精密加工領域的2面紅旗。此外Nanocenter250、Nanocenter600非球面光學零件車床和大型超精密金剛石鏡面車床也是該所的經典之作。

OAGM2500大型CNC超精密磨床是為美國的Kodak-Rochester開發的加工大型離軸非球面光學零件的機床。加工尺寸:2.5m×2.5m×0.61m, 采用液體靜壓軸承和摩擦傳動方式，激光干涉儀位置測量與反饋，分辨率為2.5nm；平面加工精度可達1μm；表面粗糙度2～3nm，離軸非球鏡加工精度達2.5μm。該超精密磨床主要用于光學玻璃等硬脆材料的加工工件拋光后再用柯達公司的2.5米離子束拋光設備對零件進行修形處理，工件可達到很髙的精度。床身采用輕型鋼焊接結構。中間用S100花崗巖和聚苯乙烯制成的人造花崗巖填充，可保證高剛度，高度穩定度和很強的振動衰減能力。

目前,超精密加工技術領域里，美國MOORE公司仍然算得上是老大，目前LLNL的很多設備都是該公司提供。說起MOORE，大家都知道他們的坐標磨床很有名，你可以股溝或擺渡下“二手坐標磨床”，不是瑞士豪澤就是美國穆爾。
   該公司1997年為了適應時代發展需要，將超精密加工部門分離組成了Moore Nanotechnology system，生產研制Nanotech系列超精密機床。1999年同美國Rochester大學COM (CenterforOptics Manufacturing)加工中心合作，在美國國防部(DoD)的資助下，共同研制了Nanotech 500 FG五軸聯動超精密自由曲面研磨機床，該機床集成了Nanotech系列機床的所有優點，機床床身采用整塊天然花崗巖并在z軸方向配有同類材料的升降裝置，用以消除系統結構和熱變形；床身與地面采用空氣隔振墊隔離；真空吸盤裝夾，直流電機+精密滾珠絲杠驅動，Fanuc 15i數控系統，既可以單點金剛石車削有色金屬、晶體和高分子材料，也可以超精密磨削光學玻璃、陶瓷、硬質合金和黑色金屬，最大加工工件范圍：軸對稱工件6500mm ×250mm，非軸對稱工件50mm×250mm×150ram，最大加工工件重量55kg，加工~b250mm高純度鋁合金或OFHC紫銅凸球面，面形精度0．2 n 5mm，表面粗糙度Ra 6nm，加工q,250mm SF12光學玻璃凸球面，面形精度0．3t~m／4,75mln，表面粗糙度Ra 10nm。機床具有多軸磨削和金剛石車削的能力,能夠加工大離軸扇形零件,實現了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ,加工工件具有光學表面質量,通常很少需要或不需要后續拋光。為了同該機床配套,還使用了磁流體拋光(MRF) 技術和可測量自由曲面的納米級測量精度的坐標測量機。使用該機床能夠直接磨削出共形光學零件,加工零件的面形精度優于0. 375μm( P - V 值) ,表面粗糙度優于Ra0. 002 7μm。

   這個自由曲面磨床是加工共型光學元件的關鍵設備，所謂共型共形光學零件Freeform Optics，就是一種高性能任意形狀的光學零件，比球面、平面、輕度非球面具有更好的空氣動力性能。共形光學指的是設計、制造和使用既不是平面也不是球面的光學窗口和整流罩，包括軸對稱和非軸對稱零件，以及與非球面、球面、圓柱面、圓錐面、平面和尖頂形狀組合的零件。飛機的光學窗口和導彈上的整流罩安裝有光學系統，用于導航、跟蹤和偵察，其形狀一般為球面和平面，這有一定的阻力。以前，設計師對此沒有別的選擇,但現在可以采用共形光學零件，它能夠優化飛機外形以符合動力性能要求，顯著減小阻力；同時能優化飛機形狀，以使雷達上的(或用其他方法檢測出的) 反射截面積最小，從而具有更好的隱身性能。共形光學元件替代球面光學窗口還能夠提供大的視場。這個共形光學零件最典型的就是F-35上的光電跟蹤系統（EOTS）窗口！
MOORE作為超精密加工設備制造企業，還有很多產品，也就是超精密加工附件，下面就給大家簡單介紹，以方便大家了解超精密加工，這些附件都是超精密加工不可缺少的，從原理上說和傳統加工方法類似，但是其中涉及到精密測量、精密控制，這些是實現超精密加工的關鍵。
剪切阻尼隔振系統

風淋室溫度控制系統，實現工作間溫度控制+/-0.1度

可拆卸垂直Y軸，具有1納米編程能力和34皮米反饋控制精度

納米級快速機床伺服系統

帶位置控制的工作主軸

氣浮軸承B軸，它采用了直接驅動無刷直流電動機旋轉和高分辨率編碼器，徑向和軸向運動誤差小于50納米
美國做超精密加工設備的另外一個強人公司AMETEK Precitech Inc. 將參加中國SIOE-上海國際光電展覽會 (Shangahi International Optoelectronic Exposition)和中國CIOE–中國國際光電博覽會 (China International Optoelectronic Exposition)深圳（2011 年 9 月 6 日至 9 日）
   這個公司是美國新罕布什爾州基恩市的一家超精密機床制造商。公司大約有 100 名才華橫溢的員工，最近竣工的辦公大樓占地60,000 平方英尺。
   Precitech 是一家超精密機床制造商，于 1992 年開始運營，具有豐富的機床制造史，其前身是 1962 年成立的 Pneumo Precision。1997 年 10 月，Taylor Hobson 的 Pneumo 超精密機床部門（之前的 Rank Taylor Hobson / Rank Pneumo）與 Precitech 合并。Precitech 作為此合并公司實體的名稱繼續沿用。目前，所有辦事處和制造工廠均位于 44 Blackbrook Road in Keene, New Hampshire（新罕布什爾州基恩市的 44 Blackbrook 大街）。
   Precitech 是美國制造技術協會 (Association of Manufacturing Technology, AMT) 的成員之一，并與多家專業協會和學術機構有著密切協作，例如，德國弗勞恩霍夫研究所 (Fraunhofer Institute) 的超精密技術研究社區 (Research Community for Ultra Precision Technology)、美國精密工程學會 (American Society for Precision Engineering, ASPE) 和歐洲精密工程與納米技術學會 (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, EUSPEN)。
   Precitech 已在全球推出超過 1200 款機床，主要為單晶、有色金屬和黑色金屬材料旋轉對稱和自由形態應用提供全面的超精密多軸金剛石車削、研磨、切槽和銑削機床。另外，我們還提供其他解決方案，例如，采用快刀和慢刀伺服加工技術的伺服加工。Precitech 現已推出由 Precitech 獨家設計和制造的下一代氣浮主軸。我們的新型 HydroRound 靜壓旋轉軸承專門用于 3 軸普通金剛石車削和平行研磨機床及 4 軸和 5 軸銑削和研磨機床。核心產品線包括 Nanoform®、Freeform®、Optoform® 和 Planoform®。這些系統主要應用于可見光和紅外線、光學模塑成型、眼科、機械組件和光通信領域。
      這個公司有中文網站，大家可以去看http://www.precitech.com/zh
      近年來，很多做超精密加工的企業如雨后春筍般地加上了中文網頁，其實就是公司雇傭了大量中國員工，并在中國成立了辦事處。這說明了什么？這說明在超精加工領域已經逐漸對華開放。建議大家去機床展看看，會收獲不小。    具有做精密儀器傳統的瑞士、德國、日本的很多企業都是中小型的,但是他們的員工很少跳槽，經年累月地呆在一個企業里專干一種或者幾種活，所以手藝磨練的爐火純青。
瑞士人為什么在鐘表、機床、精密儀器等領域獨領風騷？他們的祖先都是農民，當年也是從周邊地區逃入山地的，冬天時候大雪封山，所以這些人就做手工藝，制作鐘表零件和機械零件，逐漸的形成了傳統，并產生了獨特的“學徒制”職業教育模式。所以瑞士青年2/3不上大學而是做學徒，能拿工資還能學技術，使得瑞士產品的品質譽滿全球。日本這類公司很多也帶有家族性質，人不多，但長年在這里做，怎么著都磨練出來了。

作者: qianglong 時間: 2015-12-26 22:24
學習了

作者: mech2008 時間: 2015-12-26 22:44
受教！

作者: chen0024 時間: 2015-12-27 09:40
受教

作者: 明月照青松 時間: 2015-12-27 12:53
學習下

作者: fei12long 時間: 2015-12-28 09:03
學習了

作者: zhumao6011 時間: 2015-12-28 10:55
請教天花板大俠，3D打印機成熟后，傳統機床會不會走向沒落？

作者: 輝輝在飛12138 時間: 2015-12-28 14:07
這只是傳奇

作者: 藍色冰雪3456 時間: 2015-12-28 20:57

qianglong 發表于 2015-12-26 22:24 5 g9 P6 j& B6 |0 Z
學習了

這寫的那么多，感覺號厲害

作者: 青bj 時間: 2015-12-28 22:31
感謝總結分享。

作者: 冰點9988 時間: 2015-12-29 10:26
學習了

作者: 雙林機械 時間: 2015-12-29 14:55
學習

作者: 一900 時間: 2015-12-30 14:10
激光核聚變的透鏡需要超精密拋光機床吧

作者: 火力不夠 時間: 2015-12-31 08:30
想想我每天就是悶頭繪圖繪圖都快沒有人生信仰了····

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