21世紀(jì)的精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢分析

1、21世紀(jì)的精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢分析袁花榮數(shù)控機(jī)床 精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.30.03m，表面粗糙度為Ra0.030.005m)和納米級(精度誤差為0.03m，表面粗糙度小于Ra0.005m)精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為精密加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。精密加工主要包括三個領(lǐng)域：精密切削加工如金剛石刀具的精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖

2、形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1m。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)25nm。 a.精密切削精密切削以SPDT技術(shù)開始，該技術(shù)以空氣軸承主軸、氣動滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削，廣泛用于銅的平面和非球面光學(xué)元件、有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術(shù)來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。此外，MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達(dá)50100m，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須

3、再縮小，其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。b.精密磨削精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關(guān)鍵技術(shù)是金剛石砂輪的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。精密磨削的加工對象主要是脆硬的金屬材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細(xì)的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面，當(dāng)前精密磨削能加工出圓度0.01m、尺寸精度0.1m和表面粗糙度為Ra0.005m的圓柱形零件。c.精密研磨精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。精密研磨的關(guān)鍵條件是

4、幾乎無振動的研磨運(yùn)動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。精密研磨加工出的球面度達(dá)0.025m,表面粗糙度Ra達(dá)0.003m。d.精密特種加工精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細(xì)電火花加工、精細(xì)電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復(fù)合加工。激光、電子束加工可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標(biāo)志；離子束加工可實(shí)現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細(xì)放電加工可以實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除,可加工微細(xì)軸、孔、窄縫平面及曲面；精細(xì)電解加工可實(shí)現(xiàn)納米級精度,且表面不會產(chǎn)生加工應(yīng)力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應(yīng)

5、力加工的場合。精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸0.025m），并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的精密機(jī)床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進(jìn)行精密車削，又帶有磨頭，也可

6、進(jìn)行精密磨削，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1m，表面粗糙度Ra10nm。日本對精密加工技術(shù)的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當(dāng)今世界上精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達(dá)0.025m的精密軸承、JCS027精密車床、JCS031精密銑床、JCS035精密車床、精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、精密振動位移測微儀等，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石精密切削、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(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效

7、的研究。清華大學(xué)在集成電路精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺、精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪精密磨削、非圓截面精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。我國精密加工技術(shù)與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術(shù)方面差距尤為明顯。精密加工將向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工藝整合化、在線加工檢測一體化、綠色化等方向發(fā)展。a.高精度、高效率隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對精度、效率、質(zhì)量的要求愈來愈高,高精度與高效率成為精密加工永恒的主題。精密切削、磨削技術(shù)能有效提高加工效率，CMP、EEM技術(shù)能夠保證加工精度，而半

8、固著磨粒加工方法及電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法由于能兼顧效率與精度的加工方法，成為精密加工的趨勢。b.大型化、微型化由于航天航空等技術(shù)的發(fā)展，大型光電子器件要求大型精密加工設(shè)備，如美國研制的加工直徑為2.44m的大型光學(xué)器件精密加工機(jī)床。同時隨著微型機(jī)械電子、光電信息等領(lǐng)域的發(fā)展，精密加工技術(shù)向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅(qū)動元件和動力裝置、微型航空航天器件等都需要微型精密加工設(shè)備。c.智能化以智能化設(shè)備降低加工結(jié)果對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴性一直是制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)。加工設(shè)備的智能化程度直接關(guān)系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點(diǎn)在精密加工中體現(xiàn)更為明顯。d.工藝整合化當(dāng)今企業(yè)間的競爭趨

9、于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設(shè)備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。e.在線加工檢測一體化由于精密加工的精度很高，必須發(fā)展在線加工檢測一體化技術(shù)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。同時由于加工設(shè)備本身的精度有時很難滿足要求，采用在線檢測、工況監(jiān)控和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒梢蕴岣呔?，保證加工質(zhì)量的要求。f.綠色化磨料加工是精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環(huán)境造成了極大的負(fù)擔(dān)。我國是磨料、磨具產(chǎn)量及消耗

10、的第一大國，大幅提高磨削加工的綠色化程度已成為當(dāng)務(wù)之急發(fā)達(dá)國家以及我國的臺灣地區(qū)均對半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家的廢液、廢氣排量及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施嚴(yán)格管制，為此，各國研究人員對CMP加工產(chǎn)生的廢液、廢氣回收處理展開了研究。綠色化的精密加工技術(shù)在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時，提高了自身的生命力。面向21世紀(jì)的精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：a.精密化精密加工的核心主要體現(xiàn)在對尺寸精度、仿形精度、表面質(zhì)量的要求。當(dāng)前精密電火花加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可達(dá)2-3m、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3m。通過采用一系列先進(jìn)加工技術(shù)和工藝方法，可達(dá)到鏡面加工效果且能夠成功地完成微型

11、接插件、IC塑封、手機(jī)、CD盒等高精密模具部位的電火花加工。b.智能化智能化是而向21世紀(jì)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。智能制造技術(shù)(IMT)是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過模擬人類專家的智能活動，取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動，在制造過程中系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，在受到外界干擾或內(nèi)部激勵能自動調(diào)整其參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。新型數(shù)控電火花機(jī)床采用了模糊控制技術(shù)和專家系統(tǒng)智能控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)是由計(jì)算機(jī)監(jiān)測來判定電火花加工間隙的狀態(tài)，在保持穩(wěn)定電弧的范圍內(nèi)自動選擇使加工效率達(dá)到最高的加工條件；自動監(jiān)控加工過程，實(shí)現(xiàn)最穩(wěn)定的加工過程的控制技術(shù)。采用人機(jī)對話方式的專家系統(tǒng)，

12、根據(jù)加工的條件、要求，合理輸入設(shè)定值后便能自動創(chuàng)建加工程序，選用最佳加工條件組合來進(jìn)行加工。在線自動監(jiān)測、調(diào)整加工過程，實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化控制。專家系統(tǒng)在檢測加工條件時，只要輸入加工形狀、電極與工件材質(zhì)、加工位置、目標(biāo)粗糙度值、電極縮放量、搖動方式、錐度值等指標(biāo)，就可自動推算并配置最佳加工條件。專家系統(tǒng)智能技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)床操作更容易，對操作人員的技術(shù)水平要求更低。c.自動化自動化技術(shù)的成功應(yīng)用，不但提高了效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，還可以代替人去完成危險場合的工作。對于批量較大的生產(chǎn)自動化，可通過機(jī)床自動化改裝、應(yīng)用自動機(jī)床、專用組合機(jī)床、自動生產(chǎn)線來完成。小批量生產(chǎn)自動化可通過NC，MC，CAM

13、，F(xiàn)MS，CIM，IMS等來完成。在末來的自動化技術(shù)實(shí)施過程中，將更加重視人在自動化系統(tǒng)中的作用。同時自動化開始面向中小型企業(yè)，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，滿足不斷發(fā)展的產(chǎn)品多樣化和個性化需要。數(shù)控電火花機(jī)床具備的自動測量找正、自動定位、多工件的連續(xù)加工等功能已較好地發(fā)揮了它的自動化性能。自動操作過程不需人工干預(yù)，可以提高加工精度、效率。目前最先進(jìn)的數(shù)控電火花機(jī)床在配有電極庫和標(biāo)準(zhǔn)電極夾具的情況下，只要在加工前將電極裝入刀庫，編制好加工程序，整個電火花加工過程便能日以赴繼地自動運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎無需人工操作。機(jī)床的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)降低了操作人員的勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。d.高效化現(xiàn)代加工的要求為數(shù)控電火花加工技術(shù)提

14、供了最佳的加工模式，即要求在保證加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手機(jī)外殼、家電制品、電器用品、電子儀表等領(lǐng)域，都要求減少輔助時間(如編程時間、電極與工件定位時間等),同時又要降低粗糙度,從原來的Ra0.8m改進(jìn)到Ra0.25m，使放電后不必再進(jìn)行手工拋光處理。這不但縮短了加工時間且省卻后處理的麻煩，同時提升了模具品質(zhì)，使用粉末加工設(shè)備可達(dá)到要求。這就需要增強(qiáng)機(jī)床的自動編程功能，配置電極與工件定位的夾具、裝置。若在大工件的粗加工中選用石墨電極材料也是提高加工效率的好方法。e.信息化信息、物質(zhì)和能源是制造系統(tǒng)的三要素。隨著計(jì)算機(jī)、自動化與通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)紅制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，信息的作用越來越重

15、要。產(chǎn)品制造過程中的信息投入，己成為決定產(chǎn)品成本的主要因素。制造過程的實(shí)質(zhì)是對制造過程中各種信息資源的采集、輸入、加工和處理過程，最終形成的產(chǎn)品可看作是信息的物質(zhì)表現(xiàn)，因此可以把信息看作是一種產(chǎn)業(yè)，包括在制造之中。為此一些企業(yè)開始利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、信息高速公路、衛(wèi)星傳遞數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)異地生產(chǎn)。使生產(chǎn)分散網(wǎng)絡(luò)化，以適應(yīng)21世紀(jì)高柔性生產(chǎn)的需要。f.柔性化隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，促使產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，這就要求現(xiàn)代企業(yè)必須具備一定的生產(chǎn)柔性來滿足市場多變的需要。所謂柔性，是指一個制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力，它與系統(tǒng)方案、人員和設(shè)備有關(guān)。系統(tǒng)方案的柔性是指加

16、工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務(wù)，完成數(shù)量和時間要求的適應(yīng)能力。設(shè)備柔性是指機(jī)床能在短期內(nèi)適應(yīng)新零件的加工能力。柔性制造自動化的形式很多，如美國提出的敏捷制造(AM)其主線就是高柔性生產(chǎn)。上海同濟(jì)大學(xué)張曙教授提出的獨(dú)立制造島(AMI)也是高柔性生產(chǎn)模式。g.集成化集成的作用是將原來獨(dú)立運(yùn)行的多個單元系統(tǒng)集成一個能協(xié)調(diào)工作的和功能更強(qiáng)的新系統(tǒng)。集成不是簡單的連接，是經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，分析原單元系統(tǒng)的作用和相互關(guān)系并進(jìn)行優(yōu)化重組而實(shí)現(xiàn)的。集成化的目的是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的功能集成，功能集成要借助現(xiàn)代管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成，同時還要強(qiáng)調(diào)人的集成，由于系

17、統(tǒng)中不可能沒有人，系統(tǒng)運(yùn)行的效果與企業(yè)經(jīng)營思想、運(yùn)行機(jī)制、管理模式都與人有關(guān)，在技術(shù)上集成的同時，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)管理與人的集成。集成化生產(chǎn)將成為面向21世紀(jì)占主導(dǎo)的生產(chǎn)方式。精密和精密加工發(fā)展策略精密和精密加工經(jīng)過數(shù)十年的努力，日趨成熟，不論是精密機(jī)床、金剛石工具，還是精密加工工藝已形成了一整套完整的精密制造技術(shù)系統(tǒng)，為推動機(jī)械制造向更高層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在向納米級精度或毫微米精度邁進(jìn)，其前景十分令人鼓舞。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場競爭日益激烈，越來越多的制造業(yè)開始將大量的人力、財(cái)力和物力投入先進(jìn)的制造技術(shù)和先進(jìn)的制造模式的研究和實(shí)施策略之中。1.整合、創(chuàng)新思想的運(yùn)用精密、精密加工技術(shù)是發(fā)

18、展科技的重要手段，所以受到世界各國的廣泛重視，因此也就不斷地獲得新的成果，但是因?yàn)樗囊蠖继幵诰鹊臉O限，傳統(tǒng)的、單一的技術(shù)往往很難突破，必須綜合地運(yùn)用信息化技術(shù)，通過綜合、分析，加以整合、重組，進(jìn)一步滿足更高的要求。精密加工技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它集機(jī)床、工具、計(jì)量、數(shù)控、材料、環(huán)境控制等成果于一體，針對不同的加工對象，不同的設(shè)計(jì)要求，綜合地加以利用。精密加工技術(shù)也都是在其有關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)支撐的條件下，逐步發(fā)展起來的，同時又往往取各項(xiàng)技術(shù)的嶄新成果來加以充實(shí)、提高。精密加工技術(shù)每前進(jìn)一步，都離不開創(chuàng)新，這是由精密加工技術(shù)所處的位置決定的，因?yàn)檫@門技術(shù)始終處在發(fā)展的前沿。面對飛速發(fā)展的需求就決定

19、了它必須創(chuàng)新。2.先進(jìn)的制造模式應(yīng)用制造模式是指企業(yè)體制、經(jīng)營、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運(yùn)作模式。a.敏捷制造美國通用汽車公司與里海大學(xué)于1988年提出了敏捷制造(AM)，AM是在不可預(yù)測的持續(xù)變化的競爭環(huán)境中取得繁榮成長，并具有能對客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)驅(qū)動市場作出迅速響應(yīng)的生產(chǎn)模式。AM的特征是：企業(yè)間聯(lián)作集成。充分發(fā)揮各企業(yè)的長處，針對限定市場的目標(biāo)要求共同合作完成任務(wù)。具有高度的制造柔性。制造柔性是指制造企業(yè)對市場要求迅速轉(zhuǎn)產(chǎn)和能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多品種變批量的快速制造。充分發(fā)揮人的作用，不斷提高企業(yè)職工素質(zhì)和教育水平，優(yōu)化人機(jī)功能分配。b.虛擬制造虛擬制造(VM)是國際上提出的新概念。V

20、M與AM聯(lián)系密切。VM的特征是：當(dāng)市場新的機(jī)遇出現(xiàn)時，組織幾個有關(guān)公司聯(lián)作，把不同的公司，不同地點(diǎn)的工廠或車間重新組織協(xié)調(diào)工作。在運(yùn)行之前必須分析組合是否最優(yōu)，能否協(xié)調(diào)運(yùn)行，以及投產(chǎn)后的效益和風(fēng)險進(jìn)行評估，這種聯(lián)作公司稱虛擬公司。虛擬公司通過虛擬制造系統(tǒng)運(yùn)行。因此研究開發(fā)虛擬制造技術(shù)(VMT)和虛擬制造系統(tǒng)(VMS)意義重大，美國稱AM為2l世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。c.集成制造美國哈林頓博士在計(jì)算機(jī)和集成制造一書中提出計(jì)算機(jī)和集成制造(CIM)的概念。集成制造的核心內(nèi)容是：制造企業(yè)從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營管理克至售后服務(wù)是一個不可分割的整體，需要統(tǒng)籌考慮。整個制造過程的實(shí)質(zhì)是信息采集、傳遞和加工過程，最終生產(chǎn)的產(chǎn)品可看作是信息的物質(zhì)表現(xiàn)。集成是CIM的核心，這種集成不僅是物的集成，更主要的是以信息集成為特征的技術(shù)集成和功能集成，計(jì)算機(jī)是