機(jī)械與制造科學(xué)教學(xué)講義先進(jìn)加工制造工藝與裝備

1、機(jī)械與制造科學(xué)/國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部 北京：科學(xué)出版社，2006第十一章 先進(jìn)加工制造工藝與裝備§11.0引言§11.1高速、高效切削加工工藝及裝備§11.1-1高效、高速切削加工工藝及裝備的科學(xué)內(nèi)涵§11.12高速、高效切削加工工藝及裝備的國內(nèi)外研究及其應(yīng)用綜述§11.13高速、高效切削加工工藝及裝備領(lǐng)域存在的突出問題§11.14建議“十一五”期間基金優(yōu)先資助的課題和專題§11.14.1 高速、高效切削加工基本理論§11.14.2 高速切削加工工具系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和制造§11.14.3

2、高效、高速切削加工工藝§11.14.4高速切削加工的智能檢測與監(jiān)控傳感器與儀器§11.14.5 高效、高速加工機(jī)床及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)§11.2 精密/超精密加工及其裝備§11.2-1精密/超精密切削加工及其裝備 §11.21.1該領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)體系、研究范圍和任務(wù) §11.21.2該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢§11.21.3本領(lǐng)域和學(xué)科“十一五”優(yōu)先資助建議§11.21.4策略措施和建議§11.2-2精密/超精密磨料加工（含磨削、研磨、拋光等）及其裝備§11.22.1該領(lǐng)域的科

3、學(xué)內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)體系、研究范圍和任務(wù)§11.22.2該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢§11.22.3本領(lǐng)域和學(xué)科“十一五”優(yōu)先資助建議§11.3特種加工§11.3-1電加工§11.31.1特種加工的內(nèi)涵與主要研究領(lǐng)域§11.31.2 電加工的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢§11.31.3本專題優(yōu)先發(fā)展方向建議§11.31.4政策措施與建議§11.3-2激光加工概況§11.3-3復(fù)合加工及其它§11.33.1該領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)體系、研究范圍和任務(wù)§11.33.2該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展

4、趨勢§11.33.3本領(lǐng)域和學(xué)科“十一五”優(yōu)先資助建議§11.33.4策略措施和建議§11.4納米結(jié)構(gòu)微小尺度零件制造的國外研究現(xiàn)狀和未來的重點(diǎn)研究方向§11.1高速、高效切削加工工藝及裝備高速切削加工的理念從20世紀(jì)初提出以來，經(jīng)歷近70年的理論與實(shí)驗(yàn)研究和探索以及刀具和機(jī)床技術(shù)的研究與發(fā)展，直至近年來，隨著材料、信息、微電子、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率高速主軸單元、高性能伺服控制系統(tǒng)和超硬耐磨和耐熱刀具材料等關(guān)鍵技術(shù)的解決和進(jìn)步，從而使得高速切削加工技術(shù)在德、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是高的生產(chǎn)效率和加工精度與表面質(zhì)量，

5、并降低生產(chǎn)成本。它已成為先進(jìn)制造技術(shù)的一項(xiàng)全新的共性基礎(chǔ)技術(shù)，是切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，已在航空、汽車、模具等制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提高切削加工技術(shù)的水平，推動(dòng)機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義。§11.1-1高速、高效切削加工工藝及裝備的科學(xué)內(nèi)涵高速、高效切削加工的主要目的是提高生產(chǎn)效率和降低成本。它包括高速切削加工、高進(jìn)給切削加工、大余量切削和高效復(fù)合切削加工等，其中高進(jìn)給切削加工和大余量切削加工等稱之為高性能切削加工。高速切削加工技術(shù)中的“高速”是一個(gè)相對(duì)概念，不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義。對(duì)于不同的加工方法和工件材料與刀具材料，高速切削加工時(shí)應(yīng)用的

6、切削速度并不相同，圖1是根據(jù)目前實(shí)際情況和可能的發(fā)展給出的不同工件材料的大致切削速度范圍。圖1 不同工件材料大致的切削速度范圍高速切削加工技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能cnc控制系統(tǒng)、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測試技術(shù)、高速切削加工理論、高速切削加工工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)上綜合而成的，是諸多單元技術(shù)集成的一項(xiàng)綜合技術(shù)，如圖2所示。其中高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、cnc控制系統(tǒng)、高速切削刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀柄系統(tǒng)以及高速切削加工安全防護(hù)與監(jiān)控技術(shù)等為其最重要的關(guān)鍵技術(shù)。它對(duì)高速切削加工技

7、術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，起著決定性的作用。高速切削加工的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為：(1) 隨切削速度提高，單位時(shí)間內(nèi)材料切除率增加，切削加工時(shí)間減少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2) 在高速切削加工范圍，隨切削速度提高，切削力隨之減少，根據(jù)切削速度提高的幅度，切削力平均可減少30以上，有利于對(duì)剛性較差和薄壁零件的切削加工。(3) 高速切削加工時(shí)，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，大致在90以上，傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度。(4) 從動(dòng)力學(xué)的角度，高速切削加工過程中，隨切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削過程

8、中產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源；轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。圖2 高速切削加工技術(shù)的研究體系高速切削加工是大幅度地提高切削速度以提高生產(chǎn)效率。也可以通過改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀，優(yōu)化切削截面，提高機(jī)床動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，不是提高切削速度，而是加大切削進(jìn)給，采用高進(jìn)給或切除大余量等高性能切削加工以達(dá)到高效切削加工，達(dá)到大幅度提高生產(chǎn)效率的目的。一般而言，高速切削加工工藝及裝備的研究范圍和任務(wù)包括：（1） 高速切削加工理論高速切削加工過程的熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場中的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、切削變形規(guī)律、切削加工

9、過程中的切削力學(xué)與熱學(xué)行為、熱、力耦合不均勻強(qiáng)場模型、刀具與工件之間的摩擦學(xué)行為及其與刀具磨損、破損規(guī)律和刀具壽命之間的關(guān)系、加工表面質(zhì)量的形成機(jī)理和加工精度及其與切削條件之間的關(guān)系、機(jī)床刀具工件夾具高速切削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性與穩(wěn)定性及其對(duì)加工變形以及直接影響刀具壽命和加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律等。（2） 高速機(jī)床零部件的關(guān)鍵技術(shù)高速電主軸、高速精密軸承、高速進(jìn)給系統(tǒng)（直線電機(jī)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、控制系統(tǒng)）和高速切削加工工具系統(tǒng)是高速機(jī)床的關(guān)鍵零部件，直接決定高速機(jī)床的性能。（3） 高速切削加工的檢測與監(jiān)控技術(shù)高速切削加工過程的故障與安全檢測和監(jiān)控技術(shù)。§11.12 高速、高效切削加工工藝及裝

10、備的國內(nèi)外研究及其應(yīng)用綜述高速切削加工技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的理論和應(yīng)用研究與探索，人們清楚的認(rèn)識(shí)到它在制造業(yè)的市場競爭日益劇烈中的巨大潛力，進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家陸續(xù)投入到高速切削加工技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用中來，尤其是高速切削機(jī)床和刀具技術(shù)的研究、開發(fā)，與之相關(guān)的技術(shù)也得到迅速發(fā)展，進(jìn)給技術(shù)進(jìn)一步提高，1993年直線電機(jī)的出現(xiàn)拉開了高速進(jìn)給的序幕?？焖贀Q刀和裝卸工件的結(jié)構(gòu)日益完善，自動(dòng)新型電主軸高速切削加工中心不斷投放到國際市場。高速切削刀具的材料、結(jié)構(gòu)和可靠的刀具與主軸聯(lián)結(jié)的刀柄的出現(xiàn)與使用，標(biāo)志著高速切削加工技術(shù)已從理論研究進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。高速切削加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)床

11、高速化，2001年北京國際機(jī)床展覽會(huì)（cimt2001）上機(jī)床最高主軸轉(zhuǎn)速從上屆（1999年）800012000rpm普遍提高到1500020000rpm?，F(xiàn)在加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般為1500030000rpm，快進(jìn)速度為3060m/min，換刀時(shí)間為35s。齒輪機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速也已提高到900012000rpm。目前已有主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)150000rpm，快速進(jìn)給達(dá)120m/min，換刀時(shí)間為0.71.5s的不同的加工中心。高速切削刀具材料技術(shù)發(fā)展也很快，主要是金剛石（pcd）、立方氮化硼（cbn）、陶瓷刀具碳化鈦氮tic（n）基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）、涂層刀具和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的品種、性能

12、的很大增加和提高，許多適應(yīng)高速切削刀具的結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，促進(jìn)高速切削加工技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。最近十多年來，高速切削加工理論基礎(chǔ)研究進(jìn)一步深入，取得新的進(jìn)展，主要是鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，極高速切削加工鈦合金時(shí)切屑的形成機(jī)理，機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及切削顫振的避免，多種刀具材料加工不同工件材料時(shí)的刀具前刀面、后刀面和加工表面的溫度以及高速切削時(shí)切屑、刀具和工件切削熱量的分配，進(jìn)一步證實(shí)大部分切削熱被切屑所帶走。切削溫度的試驗(yàn)研究表明：現(xiàn)有的刀具材料高速切削加工時(shí)，不論是連續(xù)或斷續(xù)切削均未出現(xiàn)salomon理論中的“死區(qū)”。在這一階段，高速硬切削加工得到進(jìn)一步研究、發(fā)展和應(yīng)用。與磨削加工比較，它有很多優(yōu)越性，

13、在替代磨削加工方面具有很大潛力。高速干切削加工日益受到重視，它對(duì)保護(hù)環(huán)境，減少消耗，降低成本具有重大作用。研究表明，高速干切削加工鑄鐵、鋼、鋁合金，甚至超級(jí)合金和鈦都是可能的，但要根據(jù)工件材料特性，要合理設(shè)計(jì)切削條件，它還在研究和發(fā)展之中。高速切削加工技術(shù)已成為切削加工的主流，日益廣泛的應(yīng)用于模具、航空、航天、高速機(jī)車和汽車工業(yè)等，并取得巨大經(jīng)濟(jì)效益。模具制造工業(yè)中，德國、日本、美國等大約有3050的模具公司，用高速切削加工技術(shù)，加工edm電極、淬硬模具型腔、塑料和鋁合金模型等，加工效率高，質(zhì)量好，減少了后續(xù)的手工打磨和拋光工序。在航空與高速機(jī)車行業(yè)，飛機(jī)的骨架與機(jī)翼、高速機(jī)車的車廂骨架均為鋁

14、合金整體薄壁構(gòu)件，都需要切除大量的金屬，從毛坯開始的切除量甚至達(dá)到90，采用高速切削加工技術(shù)，加工時(shí)間縮短到原來的幾分之一。汽車工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金和鑄鐵缸體，廣泛采用高速切削加工技術(shù)，大大地提高效率，降低成本。我國高速切削加工技術(shù)研究起步較晚，二十世紀(jì)八十年代初期，原山東工業(yè)大學(xué)切削加工研究組結(jié)合陶瓷刀具材料的研究，比較系統(tǒng)地研究了al2o3基陶瓷刀具高速硬切削（車和端銑）的切削力、切削溫度、刀具磨損和破損、加工表面質(zhì)量以及刀具幾何形狀等，工件材料包括45#鋼、t10a鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼、滲炭淬硬齒輪鋼等，淬硬hrc5065，切削速度為100500m/min，建立了有關(guān)切削力、切削溫度

15、模型、刀具磨損與破損理論、加工表面質(zhì)量變化規(guī)律等。該研究成果1986年在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用至今。二十世紀(jì)九十年代后，該校先后相繼研究了模具高速切削加工技術(shù)與策略，涂層刀具與pcbn刀具和陶瓷刀具等高速切削鑄鐵和鋼的切削力、刀具磨損壽命、加工表面粗糙度以及高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及高速切削工具系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)等。北京理工大學(xué)研究了高速切削的刀具壽命與切削力，沈陽工業(yè)學(xué)院和重慶大學(xué)研究了高速切削機(jī)理，天津大學(xué)和大連理工大學(xué)研究了高速硬切削和切屑形成機(jī)理，上海交通大學(xué)與有關(guān)工廠研究了鈦合金高速銑削工藝、薄壁件高速銑削精度控制、鋁合金高速銑削表面的溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、硅鋁合金高速鉆削和銑削數(shù)據(jù)庫等，廣東工業(yè)大學(xué)研

16、究了高速主軸系統(tǒng)和快速進(jìn)給系統(tǒng)，南京航空航天大學(xué)研究了鈦合金和高溫合金的高速切削，東北大學(xué)研究了高速磨削技術(shù)，成都工具研究所研究了高速切削刀具的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化等。盡管我國高速切削加工技術(shù)的研究還有待于全面深入，但通過我國科技工作者的艱苦努力，高速切削加工和高速切削機(jī)床的基礎(chǔ)理論研究取得了令人鼓舞的成就，對(duì)促進(jìn)我國高速切削加工技術(shù)的發(fā)展起到了重大作用。 “九五”期間我國高速、高效、高精度數(shù)控機(jī)床技術(shù)指標(biāo)有了大幅度的提高，加工中心主軸轉(zhuǎn)速普遍提高到8000rpm，最高可達(dá)12000rpm，數(shù)控車床提高到40006000rpm，快速進(jìn)給速度提高到30m/min，最高達(dá)40m/min，加工中心換刀時(shí)間減

17、少到1.53s。目前主要差距在于機(jī)床關(guān)鍵功能部件的研究開發(fā)落后于市場需求，如轉(zhuǎn)速20000rpm以上的大功率剛性主軸、無刷環(huán)形扭矩電機(jī)、大行程直線電機(jī)、快速響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)等技術(shù)尚未掌握。各工業(yè)部門所需的高速加工中心基本上還是依賴進(jìn)口，并已從國外引進(jìn)了相當(dāng)數(shù)量的高速加工中心。我國高速切削刀具材料已有很大的發(fā)展，特別是陶瓷刀具，而且初步具備了開發(fā)高速切削刀具的能力，但金剛石、立方氮化硼、tic（n）基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）、涂層刀具和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的性能、質(zhì)量、精度、壽命、品種與國外差距很大，高速切削刀具制造技術(shù)相對(duì)落后，還沒有形成自己特色的高速切削刀具制造體系。國內(nèi)超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具和高性能

18、高速鋼刀具牌號(hào)少，專用牌號(hào)幾乎沒有，可轉(zhuǎn)位刀片的槽型與模具的開發(fā)能力低，涂層技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外工具廠，目前尚無tic(n)商業(yè)牌號(hào)，更談不上tialn、mos2等新型涂層和納米級(jí)涂層。國內(nèi)應(yīng)用最多的還是普通高速鋼刀具和通用硬質(zhì)合金刀具。幾乎所有國際知名的工具廠商(如：sandvik, kennametal, walter, seco, widia, iscarmill, mitsubishi, igetalloy, carboloy等)都在國內(nèi)設(shè)立了或獨(dú)資或合資企業(yè)，除陶瓷刀具外，各種高速、高精度和高可靠性的金剛石、立方氮化硼、tic（n）基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）和涂層刀具以及刀柄系統(tǒng)80以上

19、由它們提供，占領(lǐng)了中國數(shù)控刀具90%以上的市場份額。我國高速切削加工技術(shù)最早應(yīng)用于轎車工業(yè)，二十世紀(jì)八十年代后期，相繼從德國、美國、法國、日本等國引進(jìn)了多條具有先進(jìn)水平的轎車數(shù)控自動(dòng)化生產(chǎn)線，如從德國引進(jìn)的具有九十年代中期水平的一汽大眾捷達(dá)轎車和上海大眾桑塔納轎車自動(dòng)生產(chǎn)線，其中大量應(yīng)用了高速切削加工技術(shù)。生產(chǎn)線所用刀具材料以超硬刀具為主，依靠進(jìn)口。采用pcbn、si3n4基陶瓷、ti基金屬陶瓷、ticn涂層刀具加工高強(qiáng)度鑄鐵件，銑削速度達(dá)2200m/min；采用pcd、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具加工硅鋁合金鑄件，銑削速度為2200m/min，鉆、鉸削速度達(dá)80240m/min；采用si3n4基陶瓷、t

20、i基金屬陶瓷、ticn涂層刀具加工精鍛結(jié)構(gòu)鋼件，車削速度達(dá)200m/min；采用co粉末冶金高速鋼（表面ticn涂層）整體拉刀、滾刀、剃齒刀以及硬質(zhì)合金機(jī)夾專用拉刀加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件，拉削速度1025m/min，滾齒速度110m/min，剃齒速度170m/min，大大提高了生產(chǎn)效率和加工精度。近年來，我國航空、汽車、模具等制造行業(yè)引進(jìn)了大量加工中心和數(shù)控鏜銑床，都不同程度地開始推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，其中模具行業(yè)和航空工業(yè)應(yīng)用較多。§11.13高速、高效切削加工工藝及裝備領(lǐng)域存在的突出問題迄今，在高速、高效切削加工工藝及裝備領(lǐng)域進(jìn)行了大量卓有成就的研究，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

21、應(yīng)用上，國外已成為切削加工的主流。我國高速、高效切削加工工藝及裝備發(fā)展和應(yīng)用起步較晚，與國外差距較大，目前主要在汽車、航天、航空、模具、動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)有一定的應(yīng)用，取得很大效益。其中以上世紀(jì)80年代一進(jìn)的多條轎車數(shù)控自動(dòng)線，在應(yīng)用高速、高效切削加工工藝及裝備最為突出。但從整個(gè)機(jī)械制造業(yè)來看，目前仍然是較低速的普通切削加工為主，加工效率普遍較低。主要差距是高速切削加工變形理論、高速切削加工的零件毛坯成形工藝的優(yōu)化、高性能高速刀具材料（包括涂層技術(shù)）的研究開發(fā)、高速刀具（包括刀柄、刀具結(jié)構(gòu)、復(fù)合加工刀具等）安全設(shè)計(jì)（包括動(dòng)平衡和安全標(biāo)準(zhǔn)）理論、制造工藝和合理使用、高速機(jī)床大功率高剛性電主軸（200

22、00rpm以上）、高速大行程的直線電機(jī)、快速響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)以及高速切削加工的監(jiān)控等研究處于初級(jí)階段，有的在實(shí)用上幾近處于空白。從國內(nèi)外的整體研究和應(yīng)用情況看，存在幾個(gè)突出的問題：（1） 刀具的磨損、破損和壽命限制了高速、高效切削加工的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)有高速切削刀具材料加工鋁及鋁合金等有色金屬可以取得較好的效果。但進(jìn)一步提高加工效率，主要受限于高速機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)數(shù)和功率。加工鋼、鐵及其合金的高速、高效切削加工主要受限于刀具壽命。關(guān)于高速切削加工刀具磨損、破損機(jī)理和刀具壽命雖有一定研究，但沒有從高速、高效切削過程中的高速切削摩擦學(xué)行為深入系統(tǒng)研究刀具的磨損、破損規(guī)律和機(jī)理及其與切削條件之間的關(guān)系。主要是在

23、高速、高效切削過程中的大應(yīng)變速率的高速切削變形和高速摩擦學(xué)行為所形成的熱、力耦合的不均勻強(qiáng)應(yīng)力場作用下的刀具磨損與破損損壞，特別是新型金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金等刀具高速、高效切削時(shí)的高速切削摩擦學(xué)研究很少，尤其是高速切削超級(jí)合金的高速摩擦學(xué)和刀具損壞機(jī)理，幾乎是空白；因而沒有建立研究開發(fā)和合理設(shè)計(jì)與選擇高速切削刀具與刀具材料的基礎(chǔ)理論，限制了高速、高效切削加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用。（2）難加工材料高速切削加工困難很大高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)鋼鐵合金、耐腐蝕鋼鐵合金和高硬耐磨合金鑄鐵等難加工材料的應(yīng)用日益增加，它們的高速、高效加工仍然是一個(gè)困難的問題?，F(xiàn)有刀具

24、材料加工的效率普遍較低，刀具壽命短，材料耗費(fèi)嚴(yán)重。國內(nèi)外系統(tǒng)深入研究高速、高效切削加工這類合金的切削變形和切削摩擦學(xué)理論及熱、力耦合產(chǎn)生不均勻強(qiáng)應(yīng)力場的形成及其對(duì)刀具損壞與刀具壽命和刀具材料開發(fā)的影響等很少。沒有建立設(shè)計(jì)高速、高效切削加工這類合金的刀具材料的基本理論，能用于高速切削加工的刀具材料很少。（3）高速切削加工的表面質(zhì)量研究很少高速、高效切削加工時(shí)，加工表面粗糙度研究較多，但高速、高效切削加工時(shí)造成熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場作用下形成的零件表面過程和表面質(zhì)量（包括表面粗糙度、表面硬化和表面殘余應(yīng)力等）的機(jī)理以及加工尺寸精度（加工變形造成的影響）的全面系統(tǒng)研究很少，因而還沒有建立有效控制高

25、速、高效控制加工表面質(zhì)量和加工精度的理論基礎(chǔ)。（4） 高速、高效切削加工的動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性的研究滿足不了要求國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，取得諸多理論成果，但由于多數(shù)研究對(duì)高速、高效切削過程中的機(jī)床刀具工件夾具復(fù)雜多自由度系統(tǒng)建模時(shí)的簡化，高速切削時(shí)產(chǎn)生的離心力、陀螺效應(yīng)等考慮不足等，研究的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相差較大；同時(shí)目前高速切削時(shí)，而這些穩(wěn)定性是在部分特定刀具、工件材料和工況下的穩(wěn)定圖，適用范圍和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性受到限制。因此，現(xiàn)有的諸多高速切削動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性研究成果不能滿足高速切削加工的實(shí)際要求，而只能在實(shí)際應(yīng)用中試驗(yàn)摸索穩(wěn)定性的高速加工切削條件，以求達(dá)到穩(wěn)定性高速切削的目的。（5）高速切削加工數(shù)據(jù)庫沒有

26、建立國內(nèi)外還沒有切削加工數(shù)據(jù)庫或高速切削加工數(shù)據(jù)手冊(cè)。傳統(tǒng)切削加工數(shù)據(jù)庫或切削數(shù)據(jù)手冊(cè)已不適應(yīng)高速切削加工的要求，直接影響生產(chǎn)實(shí)際中高速、高效切削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前生產(chǎn)實(shí)際中主要參考高速切削刀具廠家在刀具樣本上推薦的切削數(shù)據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中試驗(yàn)摸索確定切削條件，但國內(nèi)許多刀具廠家的刀具樣本沒有系統(tǒng)提供有關(guān)切削數(shù)據(jù)，國外刀具廠家刀具樣本提供的一些數(shù)據(jù)也不完善，而且各廠家對(duì)相同的刀具材料提供的數(shù)據(jù)也不相同，難于選用。因此，根據(jù)我國實(shí)際情況，研究和建立高速切削加工數(shù)據(jù)庫或高速切削加工數(shù)據(jù)手冊(cè)，對(duì)促進(jìn)高速切削加工的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。§11.14 建議“十一五”期間基金優(yōu)先資助的課

27、題和專題高速、高效切削加工技術(shù)是最重要的先進(jìn)共性制造技術(shù)之一，具有巨大潛力，在這一領(lǐng)域，我國與國外的差距較大，為振興我國的機(jī)械制造業(yè)，盡快推動(dòng)我國高速、高效切削加工技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在問題，建議“十一五”期間優(yōu)先資助如下課題或?qū)ｎ}：§11.14.1 高速、高效切削加工基本理論（1） 高速切削摩擦學(xué)研究主要研究高速（包括超高速）、高效（包括高性能、高效復(fù)合加工等）切削加工時(shí)，刀具材料（主要是金剛石、立方氮化硼、陶瓷、涂層和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具）與工件材料（鋼、鐵及其合金、有色金屬及其合金、超級(jí)合金等）的相互作用過程的刀具摩擦、磨損和破損規(guī)律與磨損機(jī)理、刀具材料與工

28、件材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能的相互匹配以及切削介質(zhì)（空氣、特殊氣體、切削液）及切削條件對(duì)刀具摩擦、磨損與破損和壽命以及加工表面物理與化學(xué)性能的影響，并且綜合這些知識(shí)，以建立提高刀具壽命和控制高速、高效切削加工表面質(zhì)量（表面粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力和表面變質(zhì)層等）、加工精度（加工變形）、加工效率和研制高效刀具材料和刀具以及合理選擇與使用刀具材料和切削介質(zhì)的科學(xué)理論。（2） 難加工的高速切削變形理論高溫合金、鈦及鈦合金、高強(qiáng)鋼鐵合金、耐腐蝕鋼鐵合金和高硬耐磨合金鑄鐵等難加工材料在航空、航天、燃?xì)廨嗇啓C(jī)、冶金、化工和大型高溫裝置等應(yīng)用很多，切削加工困難，效率普遍較低。難加工材料的高速切削加工變形理

29、論主要研究高速切削加工過程中能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、工件材料本構(gòu)關(guān)系與切屑形成機(jī)理、切削加工力學(xué)、切削加工熱現(xiàn)象及其對(duì)工件材料本構(gòu)關(guān)系的變化與切屑形成的影響，與高速切削摩擦學(xué)行為研究相結(jié)合，建立熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場模型及其與刀具損壞和加工表面質(zhì)量的關(guān)系。建立提高刀具壽命和控制加工表面質(zhì)量與研制和應(yīng)用高速切削加工難加工材料用刀具材料的理論基礎(chǔ)。（3） 高速切削加工表面質(zhì)量高速切削加工表面質(zhì)量研究主要研究不同刀具材料高速切削不同工件材料過程中在不均勻強(qiáng)應(yīng)力場作用下，已加工表面的形成機(jī)理、表面層物理、化學(xué)和力學(xué)性能的評(píng)價(jià)及其檢測，切削條件（切削用量、刀具幾何角度、切削加工穩(wěn)定性、切削介質(zhì)等）對(duì)加工表面質(zhì)量

30、的影響，刀具表面質(zhì)量與加工表面質(zhì)量的關(guān)系，不同刀具材料與不同工件材料的匹配對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，加工精度與加工表面質(zhì)量的關(guān)系，建立多參變量下的表面質(zhì)量和加工精度計(jì)算或預(yù)評(píng)估模型，從而可預(yù)測和控制加工表面質(zhì)量和加工精度。（4） 高速切削動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性高速切削動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性的研究是以高速切削加工系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性和安全性為目標(biāo)，建立高速切削的機(jī)床刀具夾具工件系統(tǒng)的多自由度的線性、非線性動(dòng)力學(xué)模型，提出和完善基于高速切削條件下的切削過程各動(dòng)態(tài)特征量識(shí)別、控制方案；探討改進(jìn)、提高高速切削加工過程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的新方法。主要研究內(nèi)容包括高速切削系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，高速切削加工時(shí)切削力時(shí)間歷程的識(shí)別，高速切削加工時(shí)

31、穩(wěn)定區(qū)域的建立，高速切削加工系統(tǒng)的動(dòng)力修改等。§11.14.2 高速切削加工工具系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和制造（1）高速刀具材料設(shè)計(jì)和制造研究建立刀具材料的“微觀”、“細(xì)觀”和“宏觀”的“多尺度”關(guān)聯(lián)模型，重點(diǎn)研究以亞微米、納米的立方氮化硼、陶瓷和tic（n）基硬質(zhì)合金等為基體相或強(qiáng)韌相組成復(fù)相刀具材料；制造工藝主要是研究熱壓、熱等靜壓、涂層（包括基體材料和涂層的優(yōu)化匹配技術(shù)、納米涂層、超硬復(fù)合涂層等涂層技術(shù)）和刀具表面及刃口強(qiáng)化技術(shù)；研制高強(qiáng)度、高韌性、高硬度和高抗熱震性能的刀具材料，特別是高速切削加工超級(jí)合金的刀具材料。 （2）高速切削刀柄和刀具動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與制造刀柄是機(jī)床主軸和刀具之間的聯(lián)結(jié)

32、件，高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，主軸與刀柄間的微小變化，都可能造成巨大的離心力，引起機(jī)床、工件和刀具的振動(dòng)。將來刀具平衡技術(shù)的發(fā)展方向是將動(dòng)平衡設(shè)備同切削刀具及機(jī)床集成在一起，從而能夠使主軸和刀柄組件在從靜止達(dá)到預(yù)定的高轉(zhuǎn)速的過程中能夠自動(dòng)平衡。在機(jī)床主軸中，使用平衡裝置將刀具組件調(diào)整到平衡位置，或者在動(dòng)平衡儀上離線測得不平衡量，然后將此信息發(fā)送到平衡組件，將刀具調(diào)整到合適的動(dòng)平衡范圍內(nèi)。（3） 高速切削安全標(biāo)準(zhǔn)（包括刀具動(dòng)平衡和使用）的研究高速切削加工時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)著的工件、夾具、刀具積聚著很大的能量，承受著很大的離心力，當(dāng)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速高達(dá)1000020000r/min，甚至更高時(shí)，會(huì)使夾具、刀具破碎，

33、釋放出很大的能量，可能造成重大的事故和傷害。因此，解決高速切削的安全問題成為應(yīng)用高速切削加工技術(shù)的前提。應(yīng)對(duì)機(jī)床防護(hù)罩的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，制定高速切削刀具的安全標(biāo)準(zhǔn)。§11.14.3 高效、高速切削加工工藝（1） 高效、高速切削加工工藝為保證高速加工順利進(jìn)行，提高零件的加工質(zhì)量，延長刀具壽命，縮短加工時(shí)間，高速切削加工工藝具有不同于普通數(shù)控加工的特殊工藝要求，如保持恒定的切削載荷、每齒進(jìn)給量應(yīng)盡可能保持恒定，并保持穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使進(jìn)給速度損失降低到最小、避免走刀方向和加速度的突然變化、程序處理速度最佳化等。這些要求在制定高速切削nc編程策略時(shí)應(yīng)得到充分注意。高速切削加工的特殊工藝

34、有進(jìn)、退刀工藝，移刀工藝，拐角加工工藝，重復(fù)加工工藝，高效率切削工藝，余擺線式加工工藝，插入式加工工藝等。（2） 智能高效、高速切削數(shù)據(jù)庫切削數(shù)據(jù)是衡量切削技術(shù)水平高低的一個(gè)基本量值。采用合理的切削數(shù)據(jù)可以充分發(fā)揮切削機(jī)床和切削刀具的功能，尤其對(duì)于各種高效、高速切削加工機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和加工中心來說，加工輔助時(shí)間已大大縮短，這樣在有效的加工時(shí)間內(nèi)充分利用合理的或優(yōu)化的切削數(shù)據(jù)，對(duì)提高整個(gè)加工系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益更為重要。建立高效、高速切削數(shù)據(jù)庫，向機(jī)械制造業(yè)提供合理或優(yōu)化的切削用量是增強(qiáng)企業(yè)競爭力最有效的措施之一。§11.14.4高速切削加工的智能檢測與監(jiān)控傳感器與儀器（1）高速切削加工過程

35、的智能檢測高速切削機(jī)床及切削過程的檢測內(nèi)容包括：切削力監(jiān)控及控制刀具磨損，機(jī)床功率監(jiān)控亦可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控以判別切削參數(shù)與進(jìn)給系統(tǒng)間關(guān)系；主軸軸承狀況監(jiān)控；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)控等。高速切削加工過程監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性對(duì)高速切削加工的安全性非常重要。（2）智能嵌入式切削加工過程監(jiān)控傳感器刀具機(jī)械性能的快速、可靠測量技術(shù)的研究，尤其是超硬刀具、硬質(zhì)合金刀具表面和次表面應(yīng)力場、缺陷、微裂紋的檢測，也包括涂層質(zhì)量、多層涂層、過渡層機(jī)械性能的可靠快速測量技術(shù)。利用涂層技術(shù)，在刀具表面涂覆薄膜，然后用微機(jī)電技術(shù)將薄膜的某些部分刻蝕掉，使刀具基體顯露出來，留下來的涂層在刀具上形成一個(gè)特殊

36、的電路布線。刀具工作時(shí)，隨著刀具的磨損、破損等的出現(xiàn)，涂層線路發(fā)生變化，電路特性發(fā)生變化，根據(jù)電路特性的變化就可對(duì)切削加工過程中的物理量做出預(yù)報(bào)。§11.14.5 高效、高速加工機(jī)床（裝備）及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)（1） 大功率高精度高速電主軸單元研究開發(fā)陶瓷、液體動(dòng)靜壓、空氣潤滑等高速高剛度軸承，在此基礎(chǔ)上研究大功率高精度高速電主軸。同時(shí)，開展電主軸的熱特性、機(jī)械特性及其耦合特性與動(dòng)態(tài)特性的研究。電主軸的動(dòng)平衡、高加（減）速控制、高頻變頻控制、測試、潤滑技術(shù)的研究。（2） 高加（減）速直線電機(jī)進(jìn)給與精密控制技術(shù)研究開發(fā)大行程、大推力易控制的直線電機(jī)，直線電機(jī)端部效應(yīng)的研究與

37、抑制技術(shù)，解決散熱、隔磁、自鎖和移動(dòng)部件輕量化技術(shù)，推進(jìn)直線電機(jī)的應(yīng)用。（3）高速、高效加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)高速并聯(lián)機(jī)床，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，虛擬軸機(jī)床及多功能復(fù)合加工機(jī)床等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和其熱特性與動(dòng)態(tài)特性的研究。§11.2 精密/超精密加工及其裝備為了不斷地提高加工精度，超精密加工利用了愈來愈多的科技最新成果，所涉及學(xué)科愈來愈多，形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。超精密加工技術(shù)已不僅是一個(gè)專門的工藝技術(shù)，而成為一個(gè)含有當(dāng)代最新科技成果的系統(tǒng)工程。它之所以被各國列為國家關(guān)鍵技術(shù)，是因?yàn)樗乾F(xiàn)代國防科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。各國在此領(lǐng)域的研究工作都是十分機(jī)密的，特別是西方發(fā)達(dá)國

38、家在超精密加工技術(shù)與裝備領(lǐng)域嚴(yán)格對(duì)我國封鎖和禁運(yùn)。為了發(fā)展我國高新技術(shù)和加強(qiáng)國防建設(shè)，必須自力更生的開展超精密加工技術(shù)與裝備的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。§11.2-1精密/超精密切削加工及其裝備§11.21.1該領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)體系、研究范圍和任務(wù)超精密加工技術(shù)是指加工的尺寸和形狀精度在納米尺度（即0.1100納米），表面粗糙度ra10nm的零件、構(gòu)建和產(chǎn)品所需的制造、檢測及控制等的綜合技術(shù)。超精密切削加工技術(shù)是特指加工時(shí)使用的工具為單刃刀具，以區(qū)別采用磨粒作為刃具的加工方法，其結(jié)構(gòu)體系如下圖所示近年來，超精密切削加工技術(shù)所涉及的研究范圍主要有以下幾個(gè)方面：（1） 納米加工理論及實(shí)

39、驗(yàn)研究l 納米加工切屑形態(tài)及變形行為研究l 納米加工表面變質(zhì)層形成機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究l 納米加工動(dòng)力學(xué)模型的建立及實(shí)驗(yàn)仿真研究l 納米加工過程刀具磨損機(jī)理及實(shí)驗(yàn)仿真研究（2） 特種材料及特殊要求的精密、超精密切削工藝與裝備l 基于新原理的特種材料精密、超精密切削工藝與裝備l 特種材料的切削加工機(jī)理及刀具磨削機(jī)理l 超精密切削加工對(duì)特種材料性能的影響及控制措施l 特殊要求的精密、超精密加工新工藝及其裝備（3） 微小零件精密、超精密加工技術(shù)與裝備l 精密、超精密微小加工裝備及相關(guān)微小功能部件的研究l 精密、超精密微小零件加工新工藝、新方法的研究l 微型刀具的制作方法及裝置研究l 加工變質(zhì)層對(duì)微小零件精

40、度，性能和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及其控制和消除方法研究l 微小零件超精密加工中的動(dòng)力學(xué)問題l 微小零件加工時(shí)，在線檢測技術(shù)及精度控制和補(bǔ)償技術(shù)研究（4） 大型光學(xué)零件超精密加工技術(shù)與裝備l 大型光學(xué)零件超精密加工與檢測一體化技術(shù)與裝置l 高精度在線檢測及補(bǔ)償方法的研究l 高效新加工工藝方法及裝置研究l 各個(gè)因素變化對(duì)精度影響機(jī)制、模型及控制補(bǔ)償措施（5） 超精密切削加工關(guān)鍵技術(shù)與裝備l 超精密加工裝備關(guān)鍵技術(shù)與部件l 超精密切削工具技術(shù)與裝置l 超精密環(huán)境控制技術(shù)與裝置l 超精密在線位置檢測、誤差補(bǔ)償及控制技術(shù)研究l 超精密切削加工工藝專家系統(tǒng)§11.21.2該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

41、超精密加工技術(shù)是因應(yīng)宇航和軍事技術(shù)的發(fā)展需要，于上世紀(jì)60年代初在美國形成和發(fā)展起來的。由于它在軍事技術(shù)和高科技領(lǐng)域的重要作用，被美國列為國家關(guān)鍵技術(shù)予以重點(diǎn)資助和發(fā)展。日本在上世紀(jì)80年代也因重視超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)研究，并把它應(yīng)用于微電子產(chǎn)業(yè)，使得日本在微電子等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭中，取得了世界領(lǐng)先的優(yōu)勢。各國不僅把超精密加工技術(shù)列為國家重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，而且成為衡量一個(gè)國家制造水平的標(biāo)志。上世紀(jì)60年代初超精密切削加工裝置在美國橡樹山國家實(shí)驗(yàn)室研制出來以后，這種技術(shù)得到迅速發(fā)展，下面將從五個(gè)方面介紹該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：1. 亞微米級(jí)超精密切削加工設(shè)備研究方面 作為代表的是nanotec

42、h系列產(chǎn)品，加工無氧銅等有色金屬，其表面粗糙度可達(dá)ra<1nm。對(duì)于小于100mm尺寸零件面形精度可達(dá)0.1µm(rms)。近年來，精度補(bǔ)償技術(shù)有了很大的發(fā)展，使用該技術(shù)把檢測數(shù)據(jù)輸入機(jī)床，可進(jìn)行自動(dòng)修整。從機(jī)床本身說，主軸速度已由30005000轉(zhuǎn)/分提升到15000轉(zhuǎn)/分，進(jìn)給完全采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液體靜壓導(dǎo)軌形式。 這類設(shè)備是對(duì)我國禁運(yùn)的，目前國內(nèi)尚沒有該系列產(chǎn)品（香港除外），近幾年我國進(jìn)口近十臺(tái)nanoform250超精密機(jī)床，它屬于美國rank pneumo公司80年代產(chǎn)品系列。 高于亞微米精度的加工設(shè)備，目前尚無商品出售，大多屬于世界上知名實(shí)驗(yàn)室自行研制的設(shè)備，例如

43、，美國勞倫斯利夫莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的lodtm。這些設(shè)備為達(dá)到幾十納米形狀精度，除環(huán)境控制十分嚴(yán)格外（如溫度控制在±0.0005），加工設(shè)備同時(shí)也是在線檢測設(shè)備，采用多路高精度激光干涉系統(tǒng)對(duì)刀具及工件位置進(jìn)行準(zhǔn)確測量，加工系統(tǒng)承力結(jié)構(gòu)與檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分開的，以保證檢測精度。所用激光干涉系統(tǒng)分辨率達(dá)0.6nm，且光路基本上是在真空管路中傳輸。我國開始超精密切削加工技術(shù)與裝備研究起步并不算晚。早在上世紀(jì)60年代，北京機(jī)床研究所、航空部303所、230廠、上儀廠等單位就開始這方面的研究。特別是北京機(jī)床研究所已研究出一系列的加工裝置。隨后，長春光機(jī)所引進(jìn)第一臺(tái)超精密切削加工機(jī)床msg325。目前

44、，我國已有不少單位研制出超精密切削加工機(jī)床，例如，北京機(jī)床研究所、航空部303所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、230廠、上海儀表廠等單位。但無論在性能穩(wěn)定性和可靠性，還是在精度指標(biāo)上還與國外商品有一定的差距。特別是國外商品化機(jī)床都配有精度補(bǔ)償軟件。我國因超精密加工工藝研究和有關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究還不夠，沒有一個(gè)單位能提供有關(guān)精度補(bǔ)償軟件。除了通用型超精密加工裝備外，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國防工業(yè)還急需超精密加工專用設(shè)備。由于此類設(shè)備技術(shù)含量高、種類多、批量小、關(guān)鍵部件缺乏國內(nèi)配套產(chǎn)品等原因，國內(nèi)超精密專用加工與檢測設(shè)備與國外相比有更大的差距，它阻礙了我國高新技術(shù)的發(fā)展和國防現(xiàn)代化的步伐。2. 納米加工表層形成機(jī)理的研究

45、方面當(dāng)加工尺度達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列介觀物理現(xiàn)象，如：小尺度效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，再用宏觀的切削原理來描述加工過程和各種介觀現(xiàn)象，解釋表面形成機(jī)理已力不從心，必須用分子動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、原子物理等近代基礎(chǔ)理論來研究這一加工過程，進(jìn)而建立納米級(jí)加工過程的理論，指導(dǎo)納米級(jí)超精密加工技術(shù)。目前超精密切削表面粗糙度已達(dá)1nm，接近單個(gè)原子的大小，而我們所使用的金剛石刀具刃口半徑遠(yuǎn)大于1nm。金剛石刀具是如何加工出如此光整的表面呢？至今世界上尚無人能解釋清楚。上世紀(jì)80年代末首先由美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者開始應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)來模擬納米切削過程，后日本等其它國家學(xué)者也開展了這方面的研究。但至今尚未建

46、立有關(guān)理論來解釋這一過程。除了采用分子動(dòng)力學(xué)模型有其局限性外（因它未考慮量子效應(yīng)的問題），另一重要原因是分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的尺度范圍太小，不能與實(shí)驗(yàn)尺寸相比擬，相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前計(jì)算能力尚不能滿足研究需要。大家正在探索是否可以采用其他途徑來研究，若能建立納米切削表層形成的模型及有關(guān)理論，則會(huì)對(duì)納米級(jí)加工的工程應(yīng)用起到極大的推動(dòng)作用。目前我國與國外處于相同水平在競爭，誰先取得這一領(lǐng)域理論研究的優(yōu)勢，必然會(huì)加快本領(lǐng)域的工程應(yīng)用。3. 大型光學(xué)零件超精密加工技術(shù)的研究光學(xué)零件是目前對(duì)加工精度和表面質(zhì)量要求最高的零件，特別是大型光學(xué)零件幾乎達(dá)到了極限精度要求。美國國家點(diǎn)火裝置（nif）要用2萬多塊光學(xué)

47、零件，其中有7千件大型光學(xué)零件。所有美國光學(xué)研究與生產(chǎn)單位花費(fèi)近十多年對(duì)大型光學(xué)零件加工方法、加工設(shè)備、加工工藝、加工過程的檢測技術(shù)、環(huán)境條件的檢測與控制、精度補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)方面進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)。目前，nif尚未達(dá)到能進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的程度。對(duì)于大型光學(xué)零件的超精密加工，目前國外仍處于研究探索更好、更可靠和更有效的加工方法階段。我國對(duì)光學(xué)零件的加工尚處于手工研拋的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國防和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。對(duì)大型光學(xué)零件的超精密加工差距更大。4. 特殊要求的精密、超精密加工技術(shù)的研究隨高新產(chǎn)業(yè)和高科技的發(fā)展，有些產(chǎn)品或科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)零件要求特殊形狀，并在特殊工作條件和特殊工作環(huán)境下工作，同時(shí)對(duì)其形狀、尺寸

48、精度及表面質(zhì)量又有很高要求。這類精密和超精密加工技術(shù)是極為特殊的。例：硅片光刻后，要從背面減薄，300mm直徑從厚幾百微米減至50微米，并不能影響光刻圖形質(zhì)量；又如：激光核聚變實(shí)驗(yàn)用各種微型靶，厚度在幾個(gè)微米，內(nèi)外表面要求ra0.02µm。 還有一些是在極端工作條件下，或極端環(huán)境條件下工作的，例如：極高速度準(zhǔn)確定位、極慢速度下平穩(wěn)移動(dòng)、超高速下切削等，這些特殊要求下的精密、超精密加工、檢測、運(yùn)動(dòng)控制等的需求愈來愈多，這是精密、超精密加工技術(shù)研究的一個(gè)新的趨勢。5. 超精密切削加工技術(shù)應(yīng)用研究隨著高新技術(shù)和國防科技發(fā)展的需求,超精密加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用：（1）不斷地拓寬被加工材料的

49、范圍。原來超精密切削加工材料僅適用于有色金屬材料，現(xiàn)在已研究用于黑色金屬、玻璃、鍺、硅等材料，有些光學(xué)單晶材料只能用金剛石切削加工才能保證晶體材料原來的光學(xué)特性，如kdp晶體。另外，不斷出現(xiàn)的航空、航天上應(yīng)用的各種金屬基復(fù)合材料。這些材料具備很好的性能，但做為復(fù)雜零件如陀螺儀表的復(fù)雜殼體、衛(wèi)星天線等，目前尚未解決其超精密加工的問題，限制了這些材料的應(yīng)用。采用新的超精密加工切削工藝方法，擴(kuò)大新材料的應(yīng)用是今后超精密加工的重要研究方向。（2）微小零件的超精密加工雖然采用光刻技術(shù)mems得到迅速發(fā)展，但作為運(yùn)動(dòng)部件，不僅尺寸小，而且精度和表面質(zhì)量要求很高，如硬盤驅(qū)動(dòng)器中的軸系，這些微小零件是用其他方

50、法尚無法解決的。采用微型超精密加工設(shè)備來制作高精度微小零件是超精密加工技術(shù)發(fā)展的另一趨勢。(3) 重視超精密加工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，擴(kuò)大超精密加工技術(shù)應(yīng)用范圍 我國很多高新產(chǎn)業(yè)其中核心技術(shù)仍依靠國外，例如冰箱和空調(diào)的壓縮機(jī)、硬磁盤的加工技術(shù)、芯片封裝機(jī)等，其關(guān)鍵技術(shù)屬超精密加工技術(shù)中關(guān)鍵部件或關(guān)鍵工藝部分，加強(qiáng)對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，使超精密加工技術(shù)及部件模塊化，依據(jù)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的需要來組合成所需專用精密、超精密技術(shù)與設(shè)備，促進(jìn)高新產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)國產(chǎn)化，是我國從制造大國變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國的必由之路。§11.21.3本領(lǐng)域和學(xué)科“十一五”優(yōu)先資助建議超精密加工技術(shù)在國防現(xiàn)代化和高科技

51、產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要地位已得到國家的認(rèn)可，在國家中長期規(guī)劃中也被列為重要研究內(nèi)容。我們建議在“十一五”期間應(yīng)優(yōu)先資助下列研究方向：（1）納米加工理論及實(shí)驗(yàn)研究；*（2）大型光學(xué)零件超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)研究；（3）微小零件精密、超精密加工技術(shù)及裝備研究；（4）特種材料和特殊要求的精密、超精密切削工藝及裝備研究；其中*應(yīng)作為重大或重點(diǎn)項(xiàng)目給予資助。§11.21.4策略措施和建議重大、重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)強(qiáng)調(diào)國家重大工程需求。 自然科學(xué)基金強(qiáng)調(diào)資助對(duì)基礎(chǔ)問題的研究。作為工程與材料科學(xué)部的機(jī)械學(xué)科，應(yīng)與其它理學(xué)部要有所差別，理學(xué)部更偏重科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，而工程偏重改造客觀世界的手段和方法的發(fā)明，特別是我國目前

52、在工程技術(shù)領(lǐng)域十分落后，有很多重大工程技術(shù)問題需要盡快解決，為了集中國家人力、財(cái)力、物力，重點(diǎn)和重大項(xiàng)目應(yīng)為國家中長期規(guī)劃的重大工程需求服務(wù)。當(dāng)然也只有解決了重大工程的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)問題，才能順利地完成重大工程項(xiàng)目的建設(shè)。作為重大和重點(diǎn)項(xiàng)目更不能成為炒作名詞與概念的游戲，目前有一種不好趨勢，誰的名詞愈新，包含內(nèi)容愈全，誰就越應(yīng)受重視，應(yīng)得到重點(diǎn)資助。作為重大項(xiàng)目或重點(diǎn)項(xiàng)目最后應(yīng)有具體裝置和手段，機(jī)械制造學(xué)科是脫離不了裝備與手段，不能只在計(jì)算機(jī)上搞制造。§11.2-2精密/超精密磨料加工§11.22.1該領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)體系、研究范圍和任務(wù)超精密磨料加工技術(shù)包括超精密磨削、

53、研磨、拋光等加工技術(shù)，是以高精度為目標(biāo)的技術(shù)。它追求所加工的工件達(dá)到納米、亞納米級(jí)的表面質(zhì)量和優(yōu)于亞微米級(jí)的尺寸、形狀精度的要求，其任務(wù)是解決軍事、信息產(chǎn)品以及民用產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件如計(jì)算機(jī)外設(shè)、陀螺儀轉(zhuǎn)子、衛(wèi)星的姿態(tài)軸承、光學(xué)系統(tǒng)中的高精度非球面透鏡、硅片等等的高精度加工問題。例如，廣泛用于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中精密偶件的閥芯與閥套的配合精度常要求達(dá)到m級(jí)，錄像頭、影碟機(jī)等精密零件的加工精度已提高到0.1m，激光陀螺平面反射鏡的平面 度誤差要求小于0.05m、ra0.001m。它具有單項(xiàng)技術(shù)的極限、常規(guī)技術(shù)的突破、新技術(shù)綜合三個(gè)方面永無止盡的追求的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)超精密磨削、研磨、拋光是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。超精密

54、磨削技術(shù)是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。超精密磨削不僅要提供鏡面級(jí)的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。目前超精密磨削的加工對(duì)象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目標(biāo)是范成35nm的平滑表面，也就是通過磨削加工而不需拋光即可達(dá)到要求的表面粗糙度。作為納米級(jí)磨削加工，要求機(jī)床具有高精度及高剛度，以消除各種動(dòng)態(tài)誤差的影響，并采取高精度檢測手段和補(bǔ)償手段。主要研究點(diǎn)包括：1) 塑性磨削(ductile grinding)主要是針對(duì)脆性材料進(jìn)行常規(guī)磨削加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)表面微觀裂紋的問題而提出的，它的研究熱點(diǎn)集中在塑性磨削的加工機(jī)理方面，目前有兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為存在與工件材料特性和磨粒的幾何

55、形狀有關(guān)臨界切削深度，在這臨界切削深度之內(nèi)為塑性磨削；另一種認(rèn)為只有磨削溫度才是切屑由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。 2) 鏡面磨削 鏡面磨削關(guān)注的不是切屑形成的機(jī)理而是磨削后的工件表面的特性。鏡面磨削研究的基本出發(fā)點(diǎn)是：要達(dá)到境面，必須使用盡可能小的磨粒粒度，并且磨粒在砂輪表面保持鋒利的棱角。elid（electrolytic in-process dressing）磨削是當(dāng)前鏡面磨削發(fā)展較成熟的技術(shù)。3)確定量微磨（dmgdeterministic microgrinding） 確定量微磨技術(shù)是在綜合超精密磨削技術(shù)最新發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的，它采用高剛度、高精度、高穩(wěn)定性的機(jī)床，通過精確控制砂輪的切削

56、深度、磨削速度、進(jìn)給量以及等砂輪和工件之間的相對(duì)振動(dòng)等參數(shù)，減小磨削加工過程的不確定性，減小工件表面的亞表面損傷，達(dá)到高精度、高表面質(zhì)量的高效率加工。 4) 性能優(yōu)異的磨具制品新型陶瓷剛玉磨料，微晶燒結(jié)剛玉砂輪，cb寶石藍(lán)砂輪，金剛石或cbn磨料，超微細(xì)微粉磨料等的性能、工藝和應(yīng)用研究。 5) 超精密磨床包括高剛度、高精度的機(jī)床部件，大型超精密平面磨床、復(fù)雜形狀超精密磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸系、驅(qū)動(dòng)、在線測度與誤差補(bǔ)償技術(shù)。以及超精密面型測量與評(píng)價(jià)技術(shù)是該領(lǐng)域研究的重要技術(shù)。超精密研磨、拋光對(duì)研拋機(jī)床的精度要求低一些，但對(duì)磨料加工工藝、超精密測控技術(shù)以及超精密研拋新原理、新方法的需求有更高和更廣闊的探

57、索空間。超精密確定量研拋加工技術(shù)的發(fā)展是以高精度、超光滑光學(xué)零件、大規(guī)模集成電路的硅片的加工需求為牽引的。由于高精度非球光學(xué)零件(包括大型非球面鏡、高徒度非球面鏡、離軸非球面鏡和拼接子鏡、自由曲面鏡等)的加工基本上代表超精密加工技術(shù)的最高水平，超精密確定量研拋加工成為超精密加工技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一，國際上在這一領(lǐng)域的研究一直很活躍。其基本原理是通過控制研拋頭的形狀（形式）、壓力、運(yùn)動(dòng)形式等參數(shù)，使得研拋頭在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)工件表面材料的去除量及分布可知，通過控制研拋頭在工件表面的運(yùn)動(dòng)/停留時(shí)間去除殘余誤差，從而達(dá)到減小工件的面型誤差、提高工件表面質(zhì)量的目的。這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括可控性良好的研拋新原

58、理新方法，殘余誤差的定量去除算法，中高頻誤差控制和抑制技術(shù)等。發(fā)展起來的新技術(shù)有計(jì)算機(jī)控制小工具研拋(cc0s)技術(shù)、應(yīng)力盤拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)等。超光滑表面加工技術(shù)通常指表面粗糙度小于1nm（rms），并且無亞表面損傷的加工技術(shù)。超光滑表面主要應(yīng)用在兩個(gè)方面，一是以強(qiáng)激光、短波光學(xué)為代表的工程領(lǐng)域，主要目的是為了減小散射，提高抗破壞閾值；二是以磁記錄頭、大規(guī)模集成電路基片等器件為主的電子工業(yè)領(lǐng)域。§11.22.2該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究是以工業(yè)界的需求為牽引，圍繞精度、效率、和表面質(zhì)量展開。其研究現(xiàn)狀的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）積極

59、開展脆性材料磨削加工機(jī)理研究，開拓超精密磨削加工的精度極限。如在延展性磨削機(jī)理的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上形成了確定量微磨技術(shù)；（2）圍繞確定量加工，積極尋求控制加工過程和去除量的方法和工藝；（3）積極探索提高超精密研拋加工效率的新途徑、新方法。目前國內(nèi)的研究基本上是跟蹤國外的技術(shù)發(fā)展展開的，其差距表現(xiàn)在：缺乏對(duì)加工機(jī)理的原創(chuàng)性認(rèn)知，缺乏長期的技術(shù)基礎(chǔ)積累，缺乏工業(yè)界的強(qiáng)烈需求牽動(dòng)。鏡面磨削方面，日本鏡面磨削時(shí)使用的磨具粒度為40008000#，其微粉的平均尺寸為1.5m4m，加工后工件表面粗糙度可達(dá)ra0.003m0.005m。使用粒徑為20nm的sio2超微細(xì)微粉及錫拋光盤對(duì)藍(lán)寶石單晶進(jìn)行無損超精密研磨的拋光，可獲得ra1nm的表面。美國norton公司首先推出