《先進制造領域關鍵技術》
精密制造技術
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一、技術概述
精密制造技術是指零件毛坯成形后余量小或無余量、零件毛坯加工后精度達亞微米級的生產技術總稱。它是近凈成形與近無缺陷成形技術、超精密加工技術與超高速加工技術的綜合集成。
近凈成形與近無缺陷成形技術改造了傳統的毛坯成形技術，使機械產品毛坯成形實現由粗放到精化的轉變，使外部質量作到無余量或接近無余量，內部質量作到無缺陷或接近無缺陷，實現優質、高效、輕量化、低成本的成形。該項技術涉及到鑄造成形、塑性成形、精確連接、熱處理改性、表面改性、高精度模具等專業領域。
超精密加工技術是指被加工零件的尺寸精度高于0．1µm，表面粗糙度Ra小于0．025µm，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0．01µm的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發展。
超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理，超精密加工的設備制造技術，超精密加工工具及刃磨技術，超精密測量技術和誤差補償技術，超精密加工工作環境條件。
超高速加工技術是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。
超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150~1000m/min，纖維增強塑料為2000~9000m/min。各種切削工藝的切削速度范圍為：車削700~7000m/min，銑削300~6000m/min，鉆削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技術主要包括：超高速切削與磨削機理，超高速主軸單元制造技術，超高速進給單元制造技術，超高速加工用刀具與磨具制造技術，超高速加工在線自動檢測與控制技術等。
二、現狀及國內外發展趨勢
1．技術發展趨勢
近凈成形與近無缺陷成形技術在下世紀初有以下發展趨勢：
（1）近凈成形技術生產的成形件精度會進一步提高，可以做出形狀更加復雜的成形件，更加接近于凈成形。
（2）近凈成形技術會不斷有新發展，一方面原來的工藝方法會得到不斷改進提高，另一方面綜合利用各種成形手段會出現新的復合成形新工藝。
（3）隨著新材料的出現，不少材料用傳統加工方法很難加工，從而推動了新材料近凈成形技術的發展。
（4）計算機的發展、非線性問題計算方法的發展，推動了非線性有限元等技術發展，使數值模擬技術由學校、研究單位走向工廠，將廣泛用于成形工藝分析，并且將由宏觀模擬進一步向微觀的組織模擬和質量預測方向發展。
（5）解決自動化大批量生產與用戶對產品個性化要求的矛盾，生產過程的柔性化將會得到發展。
（6）由于高效、節能、節材帶來的材料和資源的節約和有效利用、成形技術和裝備的進步、無污染工藝材料的采用，使成形技術由污染大戶轉變為清潔生產技術。
超精密加工技術的發展趨勢是：向更高精度、更高效率方向發展；向大型化、微型化方向發展；向加工檢測一體化方向發展；機床向多功能模塊化方向發展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀初十年將是超精密加工技術達到納米加工技術的關鍵十年。
在超高速加工技術中，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經歷高速鋼、硬質合金鋼、陶瓷材料，發展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）；切削速度亦隨著刀具材料創新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。因此有人認為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現不會太遙遠了。
2．國內外現狀
工業發達國家的近凈成形技術在近20多年來有很大發展，已經成為機械制造業主要的制造技術，在鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和表面改性方面都已占據了總產量的主要地位。在我國近凈成形技術在整個成形生產中比重還比較低，成形件精度總體平均要比國外低1~2個等級，一些先進的近凈成形技術在我國只有少數企業采用，一些復雜難成形件我國還不能生產，部分先進成形設備、機械手和機器人、很大一部分高水平自動化生產線建線技術，我國還不能全部立足國內，因而總體水平上要比先進國家落后15~25年。每一個專業方向上，國外近20年來都出現了一批新技術，有一些我們還沒有掌握，有一些雖然做了試驗研究，還沒有用于生產。
過去人們往往側重于單項技術的發展和應用研究，今天市場競爭激烈，人們為了更好更經濟成形零部件，越來越多地注意到多項先進技術的綜合運用，可以獲得更好的效果。例如利用材料超塑特性進行焊接在航空件成形中的應用，利用低合金成份的非調質鋼通過控鍛控冷可以取代調質熱處理，把鑄造和鍛壓結合起來的半固態成形，粉未燒結的坯料再經過鍛造獲更好性能近凈形零件，都是國外發展較快應用效果好的技術。我國專家把成形輥鍛和精鍛相結合，用于汽車前梁生產比國外通用技術建設生產線，一條線就可節約上億投資。
傳統的成形技術是建立在經驗和實驗數據基礎上的技術，制定一個新零件成形工藝在生產時還要進行大量修改調試。計算機和計算技術發展，特別是非線性有限元的發展，使得難度很大的成形過程有可能進行模擬分析和數值計算。發達國家在這方面已經開展了大量研究工作，并形成一些商業軟件用于成形工藝分析。我國在這方面已經進行了大量研究，一些單位也研制了一些軟件，但由于投入不足，形成商業軟件的很少。
近凈成形與近無缺陷成形技術通常用于大批量生產，要求企業建設不同技術水平的生產線，需要有相應的機械手和機器人。由于工作的條件、環境比較惡劣，對這些機器人的需要數量相對較少、品種較多，所以需要由本專業人員參與研制。當今，人們對產品需求逐步提出了一些個性化要求，所以在建設自動生產線時，提出了建設柔性生產線的要求，國外在近凈成形生產方面已經出現了少量柔性生產線，我國必須注意這一動向，應該根據用戶需求和投資強度，建設不同自動化程度和滿足柔性化需求的生產線。
國外企業為了保證產品質量，一方面加強質量管理，做好生產全過程的質量控制，另一方面通過生產過程中的自動化和智能控制，以保證近凈成形生產質量穩定，能作到無缺陷或近無缺陷。
在超高速加工技術方面，1976年美國的Vought公司研制了一臺超高速銑床，最高轉速達到了20000rpm。特別引人注目的是，聯邦德國Darmstadt工業大學生產工程與機床研究所從1978年開始系統地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速切削試驗，聯邦德國組織了幾十家企業并提供了2000多萬馬克支持該項研究工作。自80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現，超高速機床從單一的超高速銑床發展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉速達36000~40000r/min，工作臺快速移動速度為36~40m/min。采用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。近年來，我國在高速超高速加工的各關鍵領域，如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距。
在超精密加工技術方面，美國是開展研究最早的國家，也是迄今處于世界領先地位的國家。早在50年代末，由于航天等尖端技術發展的需要，美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面非球面大型零件。如美國LLL實驗室和Y－12工廠在美國能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型，該機床可加工最大零件Φ2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡（包括X光天體望遠鏡）等。該機床的加工精度可達到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12．5nm，加工表面粗糙度為Ra4．2nm。該機床及該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現在世界上公認的技術水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。
日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。日本的研究重點不同于美國，前者是以民品應用為主要對象，后者則是以發展國防尖端技術為主要目標。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，是更加先進和具有優勢的，甚至超過了美國。
我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達0．025µm的精密軸承、JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床、超精密車床數控系統、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內領先、國際先進水平。航空航天工業部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產品生產。哈爾濱工業大學在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究，并有相應產品問世。此外中科院長春光學精密機械研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工的效率、精度、可靠性，特別是規格（大尺寸）和技術配套性方面與國外比，與生產實際要求比，還有相當大的差距。
3．國內研究基礎
在行業需要的關鍵技術方面我國已經開展了較多單項研究，其中一部分已經實現產業化，但總的說難度高的復雜技術還未能掌握。
三、“十五”目標及主要研究內容
1．目標
（1）通過科技攻關，使近凈成形與近無缺陷成形技術主要方面趕上或接近國際先進水平，并結合我國情況在部分技術上有發展創新；關鍵技術應做到成熟化、成套化、產業化，可以向企業提供成套技術，滿足企業技改和生產發展需要。
（2）超高速加工基本實現工業應用，主軸最高轉速達15000r/min，進給速度達40~60m/min，砂輪磨削速度達100~150m/s；超精密加工基本實現亞微米級加工。
2．主要研究內容
（1）近凈成形技術研究
①近凈成形新技術及其產業化技術
含近凈成形無缺陷鑄造技術、精確塑性成形技術、優質高效精確連接技術、精確熱處理改性技術、優質高效表面改性及涂層技術、復雜高精度模具技術以及上述各項技術的綜合運用。應針對行業在下世紀重點需要的、復蓋面廣的技術開展研究，提供新工藝、新方法、積累、完善相關數據，并達到實用化。
②近凈成形工藝模擬分析和優化技術
研究解決成形工藝模擬的關鍵技術，使三維軟件程序完善化、成熟化、商品化。并且宏觀分析向微觀分析發展。
③成形生產線用機械手和機器人
研究成形生產線所需典型機械手和機器人，使之達到系列化、成熟化，滿足企業技術改造的需要。
④近凈成形生產自動線和柔性生產線建線技術
以工藝為核心，研究掌握近凈成形與近無缺陷成形自動生產線建設技術，側重研究掌握生產線控制和在線檢測，達到根據企業生產綱領和實際資金，建設不同自動化、機械化程度生產線，也要根據發展需要，建設部分柔性生產線。
⑤制造過程的質量控制技術
發展在線智能控制技術，發展無損檢測技術和統計過程控制技術，達到對近凈成形的全過程質量控制，從而保證最終產品質量和精度。
⑥近凈成形技術的虛擬制造和網絡制造技術
針對本行業中小企業多的特點，以協會、學會、生產力促進中心為核心，吸收成果所屬單位和同行企業參加，建立虛擬制造和網絡制造系統，解決企業對信息、技術的需求，企業可以通過網絡接受訂貨，進行技術咨詢，從而有利于提高企業整體水平。
（2）超高速加工技術研究
①超高速切削、磨削機理。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數優化等進行系統研究。
②超高速主軸單元制造技術。主軸材料、結構、軸承的研究與開發；主軸系統動態特性及熱態性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸系統的潤滑與冷卻技術研究；主軸的多目標優化設計技術、虛擬設計技術研究；主軸換刀技術研究。
③超高速進給單元制造技術。高速位置芯片環的研制；精密交流伺服系統及電機的研究；系統慣量與伺服電機參數匹配關系的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術研究；精密滾珠絲杠副及大導程絲杠副的研制等。
④超高速加工用刀具磨具及材料。研究開發各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術，使刀具的切削速度達到國外工業發達國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。
⑤超高速加工測試技術。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統和機床支承及輔助單元系統等功能部件和驅動控制系統的監控技術，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質量等在線監控技術進行研究。
（3）超精密加工技術研究
①超精密加工的加工機理?！斑M化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現象、性能以及工藝參數進行提示性研究。
②超精密加工設備制造技術。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關鍵基礎件，如軸系、導軌副、數控伺服系統、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術研究。
③超精密加工刀具、磨具及刃磨技術。金剛石刀具及刃磨技術、金剛石微粉砂輪及其修整技術研究。
④精密測量技術及誤差補償技術。納米級基準與傳遞系統建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術研究；測量集成技術研究。
⑤超精密加工工作環境條件。超精密測量、控溫系統、消振技術研究；超精密凈化設備，新型特種排屑裝置及相關技術的研究。
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