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        精密超精密機械加工技術的發展趨勢


         

        精密超精密加工技術發展趨勢

         

        1  超精密加工技術基礎理論和實驗還需進一步不斷發展

         

        所謂超精密加工技術基礎理論,是指在了解并掌握超精密加工過程的基本規律和現象的描述后才能駕馭這一過程,取得預期結果。例如上世紀90年代初,日本學者用金剛石車刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續切屑的照片,當時認為達到了1nm的切削厚度,已成為世界最高水平,并至今無人突破(如圖4)。那么超精密切削極限尺度是多少、材料此時是如何去除的,此外超精密加工工藝系統在力、熱、電、磁、氣等多物理量/

         

        場復雜耦合下的作用機理是什么、此時系統的動態特性、動態精度及穩定性如何保證等都需要得到新理論的支持。

         

             隨著計算機技術的發展,分子動力學仿真技術從20世紀90年代開始在物理、化學、材料學、摩擦學等領域得到了很好的應用,美國、日本等國首先應用該技術研究納米級機械加工過程,國內從21世紀初在一些高校開始應用分子動力學仿真技術對納米切削及磨削過程進行研究,可描述原子尺寸、瞬態的切削過程,在一定程度上反映了材料的微觀去除機理,但這一切還有待于實驗驗證。

         

        2  被加工材料和工藝方法也在不斷擴展

         

        鈦合金是航空最常用的材料之一,氫作為有害雜質元素對鈦合金的使用性能有極其不利的影響,如會引起鈦合金氫脆、應力腐蝕及延遲斷裂等,但是近年來研究表明通過合理有效地控制滲氫、相變及除氫等過程,獲得鈦合金組織結構的變化,從而可以改善其加工性能,提高加工表面質量和效率。同樣通常認為黑色金屬是無法利用天然金剛石進行超精密切削加工的,多年來也一直在進行各種工藝研究,如利用低溫流體(液氮或二氧化碳)冷卻切削區進行低溫冷卻車削、采用超聲振動切削黑色金屬、采用金剛石涂層刀具等,采用離子滲氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進行處理,但上述方法到目前為止還無法工程化應用。近年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能,實現硅等硬脆材料復雜形狀的高效超精密切削。

         

        抗疲勞制造技術的發展為超精密加工技術提出了新的發展方向,超硬材料的精密加工工藝要求控制表層及亞表層的損傷及組織結構、應力狀態等參數,如航空發動機軸承材料M50NiL表面處理后硬度超過了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤和單晶渦輪葉片在航空發動機上的應用,要求被加工材料沒有重融層和變質層,從而對精密加工工藝提出了新要求。隨著導彈馬赫數的增加,要求頭罩材料的抗耐磨性提高,已從紅外材料向藍寶石材料頭罩乃至金剛石材料發展,形狀也從球形向非球面乃至自由曲面發展,對超精密加工設備、工藝及檢測技術提出了新的要求。

         

        3  微納結構功能表面的超精密加工技術

         

        微結構功能表面具有特定的拓撲形狀,結構尺寸一般為10~100μm,面形精度小于0.1μm,其表面微結構具有紋理結構規則、高深寬比、幾何特性確定等特點,如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結構等,這些表面微結構使得元件具有某些特定的功能,可以傳遞材料的物理、化學性能等,如粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性,或者具備特定的光學性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表面加工出微納結構形成功能性表面,不僅可以減小飛行器的風阻、摩阻,減小摩擦,還可以避免結冰層形成,提高空氣動力學和熱力學功能,從而達到增速、增程、降噪等目的,同時表面特定的微結構特征還能起到隱身功能,增強突防能力。

         

        在民用方面最典型的例子是游泳運動員的泳衣表面增加了一些微結構,俗稱鯊魚皮泳衣,結果使運動員的成績有了大幅度的提高,使國際泳聯不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結構功能表面在光學系統、顯示設備、聚光光伏產業、交通標志標牌、照明等領域被廣泛應用,如LCD 顯示器的背光模組的各種光學膜片,背光模組關鍵件—導光板、擴散板、增光膜等,聚光光伏太陽能CPV 系統的菲涅爾透鏡,道路標示用微結構光學膜片、新一代LED 照明用高效配光結構等。

         

        在未來零部件設計與制造將會增加一項功能表面結構的設計與制造,通過在零件表面設計和加工不同形狀的微結構,從而提高零部件力學、光學、電磁學、升學等功能,這將是微納制造的重要應用領域,2006年成立的國際納米制造學會經專家討論并認同,納米制造中的核心技術將從目前以MEMS技術逐步轉向超精密加工技術。

         

        4  超精密加工開始追求高效

         

        超精密加工技術從發展之初是為了保證一些關鍵零部件的最終精度,所以當初并不是以加工效率為目標,更多關注的是精度和表面質量,例如一些光學元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進一步加工增大和數量的增多,目前對超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察天體范圍和清晰度,需不斷加大天文望遠鏡的口徑,這就同樣存在天文版的摩爾定律,即每隔若干年,光學望遠鏡的口徑增大一倍,如建于1917年位于美國威爾遜山天文臺的Hooker望遠鏡的口徑為2.5m,是當年全世界最大的天文望遠鏡;到1948年被Hale望遠鏡取代,其口徑達到了5m;1992年新建成的Keck望遠鏡的口徑達到了10m,目前仍在發揮著巨大的作用。目前正在計劃制造的巨大天文望遠鏡OWL主鏡口徑達到100m,由3048塊六邊形球面反射鏡組成,次鏡由216塊六邊形平面反射鏡組成,總重約1~1.5萬t,按照目前現有的加工工藝,可能需要上百年的時間才能完成。此外,激光核聚變點火裝置(NIF)需要7000多塊400mm見方的KDP晶體,如果沒有高效超精密加工工藝,加工時間也無法想象。為此需要不斷開發新的超精密加工設備和超精密加工工藝來滿足高效超精密加工的需求。

         

        5  超精密加工技術將向極致方向發展

         

        隨著科技的進步,對超精密加工技術已經提出了新的要求,如要求極大零件的極高精度、極小零件及特征的極高精度、極復雜環境下的極高精度、極復雜結構的極高精度等。

         

        歐洲南方天文臺正在研制的超大天文望遠鏡VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃,經過減重后重量仍然達到了21t。法國REOSC公司負責加工,采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝,加工周期為8~9個月,最終滿足了設計要求,目前許多新的超精密加工工藝如應力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現為大鏡加工提供了技術支撐。前面提到的微納結構功能表面結構尺寸小到幾個微米,如微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm,而其尺寸精度卻要求±1μm。

         

        美國國家標準計量局研制的納米三坐標測量機(分子測量機)是實現如何在極復雜環境下的極高精度測量的典型例子,該儀器測量范圍50mm×50mm×100μm,精度達到了1nm,對環境要求及其嚴格,最內層殼溫度控制17±0.01℃,次層殼采用主動隔振,高真空層工作環境保持1.0×10-5Pa,最外層殼用于噪聲隔離,最后將整體結構安裝在空氣彈簧上進行被動隔振。自由曲面光學曲面精度要求高、形狀復雜,有的甚至無法用方程表示(如賦值曲面),但由于其具有卓越的光學性能近年來應用范圍不斷擴大,但自由曲面光學零件的設計、制造及檢測等技術還有待于進一步發展。

         

        6  超精密加工技術將向超精密制造技術發展

         

        超精密加工技術以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個工序中,但目前一些領域中某些零部件整個制造過程或整個產品的研制過程都要用到超精密技術,包括超精密加工加工、超精密裝配調試以及超精密檢測等,最典型的例子就是美國的美國國家點火裝置(NIF)。

         

        為了解決人類的能源危機,各國都在研究新的能源技術,其中利用氘、氚的聚變反應產生巨大能源可供利用,而且不產生任何放射性污染,這就是美國國家點火工程。我國也開始了這方面的研究,被稱為神光工程。NIF整個系統約有2個足球場大小,共有192束強激光進入直徑10m的靶室,最終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數量極多(7000多片),精度和表面粗糙度極高(否則強激光會燒毀鏡片),傳輸路徑調試安裝精度要求極高,工作環境控制要求極高。對于直徑為2mm的靶丸,壁厚僅為160μm,其中充氣小孔的直徑為5μm,帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困難在于其深徑比大、變截面,可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝,或采用原子力顯微鏡進行超精密加工。系統各路激光的空間幾何位置對稱性誤差要求小于1%、激光到達表面時間一致性誤差小于30fs、激光能量強度一致性誤差小于1%等。如此復雜高精度的系統無論從組成的零部件加工及裝配調試過程時刻都體現了超精密制造技術。場復雜耦合下的作用機理是什么、此時系統的動態特性、動態精度及穩定性如何保證等都需要得到新理論的支持。

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