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《先进制造领域关键技术》
精密制造技术
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一、技术概述
精密制造技术是指零件毛坯成形后余量小或无余量、零件毛坯加工后精度达亚微米级的生产技术总称。它是近净成形与近无缺陷成形技术、超精密加工技术与超高速加工技术的综合集成。
近净成形与近无缺陷成形技术改造了传统的毛坯成形技术，使机械产品毛坯成形实现由粗放到精化的转变，使外部质量作到无余量或接近无余量，内部质量作到无缺陷或接近无缺陷，实现优质、高效、轻量化、低成本的成形。该项技术涉及到铸造成形、塑性成形、精确连接、热处理改性、表面改性、高精度模具等专业领域。
超精密加工技术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发展。
超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境条件。
超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。
超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。各种切削工艺的切削速度范围为：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。
二、现状及国内外发展趋势
1．技术发展趋势
近净成形与近无缺陷成形技术在下世纪初有以下发展趋势：
（1）近净成形技术生产的成形件精度会进一步提高，可以做出形状更加复杂的成形件，更加接近于净成形。
（2）近净成形技术会不断有新发展，一方面原来的工艺方法会得到不断改进提高，另一方面综合利用各种成形手段会出现新的复合成形新工艺。
（3）随着新材料的出现，不少材料用传统加工方法很难加工，从而推动了新材料近净成形技术的发展。
（4）计算机的发展、非线性问题计算方法的发展，推动了非线性有限元等技术发展，使数值模拟技术由学校、研究单位走向工厂，将广泛用于成形工艺分析，并且将由宏观模拟进一步向微观的组织模拟和质量预测方向发展。
（5）解决自动化大批量生产与用户对产品个性化要求的矛盾，生产过程的柔性化将会得到发展。
（6）由于高效、节能、节材带来的材料和资源的节约和有效利用、成形技术和装备的进步、无污染工艺材料的采用，使成形技术由污染大户转变为清洁生产技术。
超精密加工技术的发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。
在超高速加工技术中，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经历高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）；切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。
2．国内外现状
工业发达国家的近净成形技术在近20多年来有很大发展，已经成为机械制造业主要的制造技术，在铸造、锻压、焊接、热处理和表面改性方面都已占据了总产量的主要地位。在我国近净成形技术在整个成形生产中比重还比较低，成形件精度总体平均要比国外低1~2个等级，一些先进的近净成形技术在我国只有少数企业采用，一些复杂难成形件我国还不能生产，部分先进成形设备、机械手和机器人、很大一部分高水平自动化生产线建线技术，我国还不能全部立足国内，因而总体水平上要比先进国家落后15~25年。每一个专业方向上，国外近20年来都出现了一批新技术，有一些我们还没有掌握，有一些虽然做了试验研究，还没有用于生产。
过去人们往往侧重于单项技术的发展和应用研究，今天市场竞争激烈，人们为了更好更经济成形零部件，越来越多地注意到多项先进技术的综合运用，可以获得更好的效果。例如利用材料超塑特性进行焊接在航空件成形中的应用，利用低合金成份的非调质钢通过控锻控冷可以取代调质热处理，把铸造和锻压结合起来的半固态成形，粉未烧结的坯料再经过锻造获更好性能近净形零件，都是国外发展较快应用效果好的技术。我国专家把成形辊锻和精锻相结合，用于汽车前梁生产比国外通用技术建设生产线，一条线就可节约上亿投资。
传统的成形技术是建立在经验和实验数据基础上的技术，制定一个新零件成形工艺在生产时还要进行大量修改调试。计算机和计算技术发展，特别是非线性有限元的发展，使得难度很大的成形过程有可能进行模拟分析和数值计算。发达国家在这方面已经开展了大量研究工作，并形成一些商业软件用于成形工艺分析。我国在这方面已经进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业软件的很少。
近净成形与近无缺陷成形技术通常用于大批量生产，要求企业建设不同技术水平的生产线，需要有相应的机械手和机器人。由于工作的条件、环境比较恶劣，对这些机器人的需要数量相对较少、品种较多，所以需要由本专业人员参与研制。当今，人们对产品需求逐步提出了一些个性化要求，所以在建设自动生产线时，提出了建设柔性生产线的要求，国外在近净成形生产方面已经出现了少量柔性生产线，我国必须注意这一动向，应该根据用户需求和投资强度，建设不同自动化程度和满足柔性化需求的生产线。
国外企业为了保证产品质量，一方面加强质量管理，做好生产全过程的质量控制，另一方面通过生产过程中的自动化和智能控制，以保证近净成形生产质量稳定，能作到无缺陷或近无缺陷。
在超高速加工技术方面，1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了20000rpm。特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作。自80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000~40000r/min，工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域，如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距。
在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发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。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件Φ2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12．5nm，加工表面粗糙度为Ra4．2nm。该机床及该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。
日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。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超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。
我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0．025µm的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。
3．国内研究基础
在行业需要的关键技术方面我国已经开展了较多单项研究，其中一部分已经实现产业化，但总的说难度高的复杂技术还未能掌握。
三、“十五”目标及主要研究内容
1．目标
（1）通过科技攻关，使近净成形与近无缺陷成形技术主要方面赶上或接近国际先进水平，并结合我国情况在部分技术上有发展创新；关键技术应做到成熟化、成套化、产业化，可以向企业提供成套技术，满足企业技改和生产发展需要。
（2）超高速加工基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达40~60m/min，砂轮磨削速度达100~150m/s；超精密加工基本实现亚微米级加工。
2．主要研究内容
（1）近净成形技术研究
①近净成形新技术及其产业化技术
含近净成形无缺陷铸造技术、精确塑性成形技术、优质高效精确连接技术、精确热处理改性技术、优质高效表面改性及涂层技术、复杂高精度模具技术以及上述各项技术的综合运用。应针对行业在下世纪重点需要的、复盖面广的技术开展研究，提供新工艺、新方法、积累、完善相关数据，并达到实用化。
②近净成形工艺模拟分析和优化技术
研究解决成形工艺模拟的关键技术，使三维软件程序完善化、成熟化、商品化。并且宏观分析向微观分析发展。
③成形生产线用机械手和机器人
研究成形生产线所需典型机械手和机器人，使之达到系列化、成熟化，满足企业技术改造的需要。
④近净成形生产自动线和柔性生产线建线技术
以工艺为核心，研究掌握近净成形与近无缺陷成形自动生产线建设技术，侧重研究掌握生产线控制和在线检测，达到根据企业生产纲领和实际资金，建设不同自动化、机械化程度生产线，也要根据发展需要，建设部分柔性生产线。
⑤制造过程的质量控制技术
发展在线智能控制技术，发展无损检测技术和统计过程控制技术，达到对近净成形的全过程质量控制，从而保证最终产品质量和精度。
⑥近净成形技术的虚拟制造和网络制造技术
针对本行业中小企业多的特点，以协会、学会、生产力促进中心为核心，吸收成果所属单位和同行企业参加，建立虚拟制造和网络制造系统，解决企业对信息、技术的需求，企业可以通过网络接受订货，进行技术咨询，从而有利于提高企业整体水平。
（2）超高速加工技术研究
①超高速切削、磨削机理。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种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艺参数优化等进行系统研究。
②超高速主轴单元制造技术。主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。
③超高速进给单元制造技术。高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。
④超高速加工用刀具磨具及材料。研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术，使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平，磨具的磨削速度达到150m/s以上。
⑤超高速加工测试技术。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部件和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。
（3）超精密加工技术研究
①超精密加工的加工机理。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。
②超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。
③超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。
④精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。
⑤超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。
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发表于 2006-7-20 00:27:25
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