超精密加工与超高速加工技术
一、技术概述
超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，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。各种切削工艺的切速范围为：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研究，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。
超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μ m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：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。
二、现状及国内外发展趋势
1．超高速加工
工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。
在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、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。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国G．E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。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。
在超高速切削技术方面，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（PTW）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，自八十年代中后期以来，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。
在高速和超高速磨削技术方面，人们开发了高速、超高速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削（即HEDG）、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削，这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床，Vs达到140-160m/s。德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、因康镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。德国Bosch公司应用CBN砂轮高速磨削加工齿轮齿形，采用电镀CBN砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺，加工16MnCr5材料的齿轮齿形，Vs＝155m/s，其Q达到811mm3/mm.s，德国Kapp公司应用高速深磨加工泵类零件深槽，工件材料为100Cr6轴承钢，采用电镀CBN砂轮，Vs达到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可将淬火后的叶片泵转子10个一次装夹，一次磨出转子槽，磨削时工件进给速度为1.2m/min，平均每个转子加工工时只需10秒钟，槽宽精度可保证在2μ m，一个砂轮可加工1300个工件。目前日本工业实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心，1996年其无心外圆高速磨床上，最高砂轮磨削速度达250m/s。
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，必须急起直追。
2．超精密加工
超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。
美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，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，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μ m），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等等。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?2100mm、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。该机床与该实验室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。
在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μ m ，表面粗糙度Ra<10nm。
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0.025μ m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。
超精密加工技术发展趋势是：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和完成纳米加工技术的关键十年。
三、“十五”目标及主要研究内容
1．目标
超高速加工到2005年基本实现工业应用，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，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。
2．主要研究内容
（1）超高速切削、磨削机理研究。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研究。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研究。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。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研究。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位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。
（6）超精密加工的加工机理研究。“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。
（7）超精密加工设备制造技术研究。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。
（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。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。
（9）精密测量技术及误差补偿技术研究。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。
（10）超精密加工工作环境条件研究。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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特种加工技术论文篇二
特种加工技术的研究与应用
摘要：本文论述了特种加工技术的产生和发展，并就快速成型加工、超声加工、电子束和离子束加工以及激光加工进行展开阐述，讨论了各个加工方法的工艺原理和在生产实践中的具体应用。最后，对特种加工技术的发展方向进行了展望。
关键词：特种加工;快速成型技术;超声加工;电子束和离子束加工;激光加工
1.特种加工技术的产生和发展
机械加工作为一种有着悠久历史的加工方法，对人类的物质文明和生产活动起到了极大的推动作用。对于工业部门而言，设计出来的零件或者机器必须依赖于加工方法来实现，如果没有行之有效的加工方法，再好的设计思路也无法转化为产品。例如18世纪70年代就有人发明了蒸汽机，但是由于当时的生产设备制造不出有着较高精度和配合要求的蒸汽机气缸，所以一直无法生产出可以正常工作的蒸汽机[1]。直到气缸镗床的出现，才解决了这一生产上的难题，使得蒸汽机获得了广泛的应用，引起了第一次工业革命。因此，我们可以发现，加工方法对于设计思想的实现和社会经济的发展起着多么重大的作用。
随着生产的发展和科学实验的需要，对于产品的要求越来越高，未来的技术产品向着高精度、高速度、重载、高温高压、小型化和高可靠性等方向发展，为了实现这些新的要求，就需要使用新材料和新结构，因此，对机械制造部门也提出了很多新的要求。特种加工正是在这种强烈的社会需求下产生和发展起来的，而它所具有的优于传统机械加工的特点又进一步促使人们对它进行研究和应用，因此，到目前为止，特种加工技术已经有了很多种类，所能达到的加工精度和生产效率也越来越高。可以说，特种加工技术已经成为现代机械制造行业必不可少的一种加工方法。
传统的机械加工利用机械能和切削力对金属进行加工，而特种加工主要利用电能、化学能、光能、声能和热能等能量来去除金属，因此特种加工技术可以用来加工各种高硬度、高强度、高脆性和高韧性的金属或者非金属材料。由于特种加工采用广义上的刀具，例如激光、超声波、电子束和离子束等，所以易于实现加工过程的全自动化，这对于现代化生产的组织和管理有着很重要的意义。
从1943年前苏联鲍﹒洛﹒拉扎林柯夫妇开始研究火花放电腐蚀开关触点的现象开始，特种加工技术已经经历了六十多年的发展。目前，很多特种加工方法都已经发展成熟，例如电火花加工、电火花线切割加工、电化学加工和激光加工等。现在，人们也研究了将特种加工的理论应用于传统的机械加工方法中去的复合加工方法，如振动切削和振动铣削。由于特种加工技术尤其适用于对难加工材料、复杂型面和精密微细表面的加工，所以特种加工有很大的适用性和发展潜力，在刀具、模具、量具、仪器仪表、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。在未来，特种加工将向着提高加工精度和表面质量、提高生产效率和自动化程度、发展复合加工和超精密加工等方向发展。
2.快速成型技术
快速成型技术(RP)是一种增材加工方法，主要用来制造样件，从而可以对新产品的设计进行快速评估、修改和功能实验，能够较大地缩短产品的研制周期。快速成型技术集机械工程、CAD、数控技术、激光技术和材料科学技术于一体，易于实现生产过程的自动化，且高效便捷，因此这种样件制造工艺日益在生产实践中获得应用。按照快速成型技术使用的材料和工艺原理，可以分为四种类型：光敏树脂液相固化成型法(SL)、选择性激光粉末烧结成型(SLS)、薄片分层叠加成型(LOM)、熔丝堆积成型(FDM)。
3.超声加工技术
频率超过16000Hz的声波称为超声波，它是一种纵波，能够传递很强的能量，且当它经过液体介质传播时，会产生液压冲击现象。超声加工技术(USM)利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液使得磨粒在超声振动的作用下产生机械撞击、抛磨作用以及超声空化作用来加工脆硬材料。由于超声加工技术的工艺原理和特点，超声加工有很多特殊的应用。例如加工深小孔、拉丝模及型腔模具研磨抛光、对难加工材料的加工、超声振动切削、超声电解复合加工、超声电火花复合加工、超声清洗、超声切割等。超声加工技术与新材料的发展是相辅相成的，在未来，超声加工一定会有更多的应用和发展。
4.电子束和离子束加工
电子束加工(EBM)利用能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击工件表面，使动能大部分转化为热能，使得被冲击的工件材料局部熔化和气化，从而达到改变被加工工件材料表面物理化学性质和形状尺寸位置的目的。电子束加工装置包括电子枪、真空系统、控制系统和电源，电子束是由钨或钽制成的发射阴极在加热状态下得到的。由于电子束加工的工艺原理和特点，EBM技术可以用来加工型孔和特殊表面、刻蚀、焊接、热处理以及电子束光刻等。
离子束加工(IBM)利用具有较高能量的离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应来进行不同的加工。由于离子束轰击材料是逐层去除原子，所以可以达到纳米级的加工精度。离子束加工按其工艺原理和目的的不同可以分为三种：用于从工件上去除材料的刻蚀加工、用于给工件表面涂覆的镀层加工以及用于表面改性的离子注入加工。由于电子束和离子束易于实现精确的控制，所以可以实现加工过程的全自动化，但是电子束和离子束的聚焦、偏转等方面还有许多技术问题尚待解决。
5.激光加工
激光技术起始于20世纪60年代，可用于打孔、切割、焊接、热处理以及激光存储等方面。激光的产生源自物质的受激辐射，即某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量的激发下，产生所谓的粒子束反转现象，在粒子束反转的状态下，如果有一束能量等于基态与亚稳态能量之差的光子照射该物质，就会产生受激辐射，输出大量的光能。由于激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好等特点，因此几乎可以用来加工任何材料。目前常用的激光器有固体激光器(红宝石激光器、铷玻璃激光器和掺铷钇铝石榴石激光器)和气体激光器(二氧化碳激光器和氩离子激光器)，在生产实践中，对影响激光加工的各个因素还需要进行更加深入的研究，以便更加充分地利用激光加工技术。
6.结束语
近年来，随着新材料、新结构、复杂型面零件、特殊要求零件的需求越来越大，特种加工技术得到了越来越广泛的应用，在未来，随着机电控制技术的进一步提高，特种加工技术将会更加趋于自动化，充分利用计算机技术，可以使得特种加工向着自动化和柔性化方向发展[2]。而在未来，特种加工技术将越来越多的应用于精密微细加工、复合加工和绿色加工。
参考文献
[1]刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工[M]，北京：机械工业出版社，2011：1～6.
[2]王杰，樊军，等.特种加工技术的新进展[J]，轻工机械，2008，26(4)：5～7.
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超精密加工机床的关键部件技术
哈尔滨工业大学 盖玉先 董申
1 引言
超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。当时在美国因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，因而急需开发制作反射镜的超精密加工技术。以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密加工机床应运而生。1980年美国在世界上首次开发了三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，它标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。日本的超精密加工机床的研制开发滞后于美国20年。从1981～1982年首先开发的是多棱体反射镜加工机床，随后是磁头微细加工机床、磁盘端面车床，近来则是以非球面加工机床和短波长X线反射镜面加工机床为主。德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床技术也都处于世界先进水平。我国的超精密加工机床的研制开发工作虽起步比较晚，但经过广大精密工程研究人员的不懈努力，已取得了可喜的成绩。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制开发的HCM-Ⅰ超精密加工机床，主要技术指标达到了国际水平。国外部分超精密加工机床和HCM-Ⅰ超精密加工机床的性能指标如表1所示。本文主要论述超精密加工机床的关键部件技术。 表1 国内外典型超精密车床性能指标汇总 型号(生产厂家) HCM-Ⅰ
(中国哈工大) M-18AG
(莫尔特殊机床,美国) Ultraprecision CNC machine
(东芝,日本) Ultraprecision Lathe
(IPT，德国)
主轴 径向跳动(μm) ≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048
轴向跳动(μm) ≤0.05 ≤0.05(500r/min)
径向刚度(N/μm) 220 100
轴向刚度(N/μm) 160 200
导轨 Z向(主轴)直线度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm 0.044μm/80mm
X向(刀架)直线度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm 0.044μm/80mm
X、Z向垂直度(") ≤1 1
重复定位精度(μm) 1(全程)
0.5(25.4mm)
加工
工件
精度 形面精度(μm) 圆度：0.1 平面度：0.3 ＜0.1(P-V值) 0.1
表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(P-V值) Ra0.002 0.002～0.005RMS
位置反馈系统分辨率(μm) 25 2.5 10
温控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1
隔振系统固有频率(Hz) ≤2 2
加工范围(mm) 320 356 650×250
2 主轴系统
超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。目前研制开发的超精密加工机床的主轴中精度最高的是静压空气轴承主轴(磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度在迅速得到提高)。空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05μm，最高可达0.03μm，由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。日本学者研究表明，当轴和轴套的圆度达到0.15～0.2μm的精度时，可以得到10nm的回转精度，并通过FFT测定其所制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度为8nm。HCM-Ⅰ超精密加工机床的密玉石空气轴承主轴的圆度误差≤0.1μm。另外，空气轴承主轴还具有动特性良好、精度寿命长、不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。但是在主轴刚度、发热量与维护等方面需要做细致的工作。要做到纳米级回转精度的空气轴承主轴，除空气轴承的轴及轴套的形状精度达到0.15～0.2μm，再通过空气膜的均化作用来实现外，还需要保持供气孔流出气体的均匀性。供气孔数量、分布精度、对轴心的倾角、轴承的凸凹、圆柱度、表面粗糙度等的不同，均会影响轴承面空气流动的均匀性。而气流的不均匀是产生微小振动的直接原因，从而影响回转精度。要改善供气系统的状况，轴承材料宜选用多孔质材料。这是因为多孔质轴承是通过无数小孔供气的，能够改善压力分布，在提高承载能力的同时，改善空气流动的均匀性。多孔质材料的均匀性是很重要的。因为多孔质供气轴承材料内部的空洞会形成气腔，如不加以控制会引起气锤振动，为此必须对表面进行堵塞加工。 3 直线导轨
作为刀具和工件相对定位机构的直线导轨，是仅次于主轴的重要部件。对超精密加工机床的直线导轨的基本要求是：动作灵活、无爬行等不连续动作；直线精度好；在实用中应具有与使用条件相适应的刚性；高速运动时发热量少；维修保养容易。超精密加工机床中的常用导轨有V-V型滑动导轨和滚动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨。传统的V-V型滑动导轨和滚动导轨在美国和德国的应用都取得了良好的效果。后两种都属于非接触式导轨，所以完全不必担心爬行的产生。从精度方面来考虑后两种也是最适宜的导轨。液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力而发热量比较大，因此必须对液压油采取冷却措施。另外液压装置比较大，而且油路的维修保养也麻烦。气体静压导轨由于支承部是平面，可获得较大的支承刚度，它几乎不存在发热问题，如�畛醯纳杓坪侠恚�蛟诤笮�奈�薇Q�矫婕负醪换岱⑸�裁次侍狻5�匦胱⒁獾脊烀娴姆莱尽？掌�脊斓募湎督鑫��肝⒚祝��匀绱舜笮〉某景H庋凼强床坏降模�庋�某景＜词故墙嗑皇乙膊荒芡耆����景B淙肟掌�脊烀婺诨嵋�鸬脊烀娴乃鹕恕W芴蹇蠢矗�掌�惭沟脊焓悄壳白詈玫牡脊欤��舨荒鼙Vし莱咎跫��蛐敫挠靡禾寰惭沟脊臁D壳翱掌�惭怪毕叩脊斓闹毕叨瓤纱?.1～0.2μm/250mm。
HCM-Ⅰ超精密加工机床上使用的即是空气直线导轨，其气浮面上的压力分布如图1所示。
图1 气浮面上的压力分布
通过安装调整空气静压导轨得出如下结论：(1)必须保证足够的排气通道，否则溜板将产生位置扰动，扰动量有时达数微米。(2)从理论上讲减小节流孔径和气膜厚度，可以提高溜板刚度，但带来工艺上的困难。用传统机械加工手段很难加工出＜f0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也对防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型导轨的侧气浮块和下气浮块均由螺钉紧固，形成悬臂结构，当用螺钉紧固和有空气压力作用时，有可能产生变形，使气膜厚度不均匀以致于影响其性能。但经过计算证明，使用长螺钉时，气浮块和螺钉变形均稍大；使用短螺钉时，气浮块和螺钉的变形都在亚微米级，可忽略不计。
4 进给与微量进给系统
进给系统中最常用的是各种进给丝杠，在超精密加工机床中滚珠丝杠因其反向间隙小、传动效率高而得到了广泛的应用。精度更高的静压丝杠和摩擦驱动装置也逐渐用于超精密加工机床。
超精密加工机床的滚珠丝杠一般的精度等级为C0级。由于是闭环控制，利用最好等级的滚珠丝杠，可获得现行最高水平0.01μm的定位精度。滚珠丝杠不需要静压丝杠所必需的附属装置，是使用极为方便的丝杠。但作为亚微米级超精密加工机床的进给丝杠必须考虑到由于滚珠的转动和滚珠间的接触滑动有微小的振动及与滑动丝杠等相比较振动衰减特性差等问题。HCM-Ⅰ超精密加工机床采用的滚珠丝杠，在严格保证伺服电动机与丝杠、丝杠和螺母与底座和溜板的联接装配的基础上，加大溜板气浮面积、提高其气浮刚度，从而减小由于丝杠的误差对溜板运动精度的影响。并且丝杠螺母与溜板采用了浮动连接结构，从而减小了溜板起伏造成滚珠丝杠受压波动而引起的丝杠瞬间或永久的变形。同时也避免了由于滚珠丝杠本身弯曲引起的因丝杠旋转而造成的溜板运动误差，因此实现了运动的最小位移分辨率≤0.01μm。 >
静压丝杠副的丝杠与螺母由于不直接接触，而是有一层高压液体膜相隔，所以没有由于摩擦而引起的爬行和反向间隙，因此可以长期保持精度，进给分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高进给精度，在较长的行程上可以达到纳米级的定位分辨率。但是静压丝杠装置较大，且必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，另外还存在环境污染问题。
摩擦驱动是通过摩擦把伺服电动机的回转运动转换成从动杆的直线运动，实现无间隙传动，其工作原理如图2所示。从微观上看，压紧轮与从动杆之间的油膜处于液体润滑状态，润滑油的剪断特性决定牵引系统。因而要选择系数较高的润滑油。压紧轮滚动时实现进给，进给分辨率取决于伺服电动机回转一周的步进数。采用摩擦驱动进给的一个重要问题是预压，若预压力过小，则接触面有可能产生滑动；若预压力过大，由于弹性变形，则很难实现正确的驱动。另外由于预压力的存在，还容易产生磨损问题。新的研究表明，用扭曲滚轮摩擦驱动可以实现埃(?)级定位。
图2 摩擦驱动原理图
各种进给丝杠及摩擦驱动特性如表2所示。
超精密加工机床中还广泛应用微量进给机构，以满足对更高定位精度和进给分辨率的要求。常用的方法有采用滚动丝杠进给和弹性进给并用的方法和由粗调和微调压电元件组合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工机床采用的是压电式微量进给刀架。 表2 各种进给机构特性表 种类 优点 缺点 定位精度
进给丝杠 滑动
丝杠 制造容易，但需有研磨加工技术，衰减性好 需注意爬行 经仔细研磨加工后定位精度为0.01μm
前加工需达到0.1μm
滚珠
丝杠 已有规格化，容易搞到(C0)级 衰减性不好，
需注意爬行，
注意微小振动 最高可达0.01 μm
前加工需达到0.1μm
液体静
压丝杠 精度高，衰减性小 装置大，辅助设备多和维护难，油污染 相当好的定位精度为0.01μm，通常是
0.03 μm
气体静
压丝杠 精度高，维护容易 加工难 0.01μm
摩擦驱动 精度高，结构简单 需要适宜的预压和管理 当前的目标是0.01μm
压电元件 超微细的分辨率(亚纳米，nm) 行程微小(几微米～十几微米) nm，
5 环境条件
超精密加工的环境条件有三。其一是污染，超精密加工机床必须置于洁净的超净室内才能充分发挥其优势。室内的洁净度以一立方英尺中0.5μm以上的灰尘的数量表示。作为超精密加工机床的工作环境应为20000～3000级以下。
其二是振动。环境振动的干扰不仅会引起机床本体的振动，更主要的是会引起切削刀具与被加工零件间的相对振动位移，后者将直接反映到被加工零件的精度和表面质量上。因此超精密加工机床必须设置性能优异的隔振装置。目前国外超精密加工机床中，大多数采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时，具有较低的刚度。弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境干扰频率，提高隔振效果。经理论分析研究和计算比较，HCM-Ⅰ超精密加工机床采用了直筒约束膜式结构，并取内、外变角均为0°。这样不仅弹簧刚度的线性度好，而且结构简单，便于模具的制造以及装置的安装和调整。
表3 提高超精密加工精度的计划目标 误差原因 日本精度(μm) POMA计划值(μm)
位置检测精度
定位精度
偏摆、俯仰、倾斜
直线度
轴向跳动
径向跳动
主轴的延伸
主轴驱动
热的影响
工件的装夹
形状精度(综合精度) 0.005
0.005
(0.05")
0.02
0.005
0.005
0.025
0.01
0.025
0.025
0.05 0.05
0.01
0.02
0.02
0.02
0.02
0.05
0.01
0.05
0.05
0.1
注：POMA是在将直径为800mm的大型非球面反射镜的形状精度提高到0.1μm的前提下出来的。
p>其三是温度。超精密加工机床的加工必须在恒温室内进行，加工过程中温度的变化，会造成机床运动精度下降，不能获得所定的加工精度。为了解决这一问题，通常从两个方面入手，一是选择合适的部件材料，超精密加工机床中使用的和候选的材料有氧化铝陶瓷、铸铁、钢、殷钢、花岗岩、树脂混凝土和零膨胀玻璃。从实际出发，HCM-Ⅰ超精密加工机床几乎全部采用花岗岩。二是保持温度的恒定控制。在总结国内外经验之后，哈尔滨工业大学提出了“有效冷流速率”的概念，在此基础上进行的超精密恒温供油系统的温控精度达到了世界先进水平。
6 结束语
亚微米级超精密机床HCM-Ⅰ的诞生，标志着我国的超精密加工研究跨入了国际行列。但它毕竟还没有走出实验室，没有商品化，要赶上国际先进水平还需加倍的努力。表3列出的是美国POMA的精度目标值和日本学者认为的今后精度目标值。
图形请参照此网站。
特种加工技术的发展可以追溯到20世纪50年代。20世纪以来，科学技术发展到了一个崭新阶段，特别是在新技术革命浪潮推动下，生产和科学技术的发展更为迅速。在许多工业部门特别是国防工业部门，高技术产品要求向高精度、高速度、高温、高压、大功率和小型化方向发展，对材料的要求越来越来高。相应地涌现出大量的具有高熔点、高强度、高硬度、高脆性和高纯度等特殊性能的材料。为了满足高技术产品的高性能要求，零件的结构形状愈来愈复杂，对精度、表面粗糙度和表面质量的特殊要求愈来愈高，特别是对表面完整性提出了更加严格的要求。50年代以来，航空航天技术迅猛发展，高性能的航空产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，而且要求在高温、高压、高速、大载荷和强腐蚀等苛刻的条件下长期而可靠的工作。飞机、航空发动机、航空电子及仪表设备以及其他高技术武器装备的工作条件随着性能的提高而不断恶化。为此高性能的飞机、航空发动机等高新武器装备，必须不断发展和采用新结构和新材料。现代高性能的飞机和航空发动机上大量采用了钛合金、复合材料、粉末冶金和定向凝固高温合金材料。在高性能 战斗机上钛合金用量已经达到30%以上如F-22战斗机钛合金用量已经达到36%、碳纤维增强树脂基复合材料用量达到25%，而且先进复合材料的用量在先进战斗机上有不断增加的趋势。预计到2000年的高性能航空发动机的结构材料中超级合金、粉末冶金和定向凝固合金的结构重量约占55%，复合材料用量约占20%，钛合金重量约占10%高强度结构钢用量占15%，陶瓷材料占2%。航空发动机的热端部件将继续发展高温高强高韧合金特别是各向异性的超级耐热合金、热障陶瓷涂层材料、陶瓷结构材料。涡轮叶片已广泛采用定向凝固、单晶合金、快速凝固合金、粉末冶金合金和陶瓷材料；正在研制陶瓷和陶瓷基复合材料的涡轮叶片。为了提高和确保现代飞机和航空发动机的性能、可靠性和严格的质量要求采用了大量的新型结构。如根据高性能航空发动机对结构效率的要求，发动机的结构发生了重大变化，大量采用整体结构、蜂窝结构、钣金焊接结构和复杂的冷却结构。推重比20发动机将采用整体鼓筒式全复合材料压气机转子结构，以减轻结构重量；上述新材料和新结构的大量采用使得高性能飞机、航空发动机等现代武器装备的可加工性和可生产性急剧恶化，对制造技术提出更加苛刻的要求。许多新型材料和新型结构采用常规加工方法是难以加工甚至是根本无法加工的。为此必须解决：①难加工材料的加工；②复杂型面的加工；③高精密表面的加工(微米级、纳米级精度；表面粗糙度Ra≤0.01μm)；④特殊要求零件的加工(壁厚≤0.1mm薄壁和弹性零件等)。20世纪50年代以来国外工业界通过各种渠道，借助各种能量形式，探寻新的加工途径，相继推出了多种与传统加工方法截然不同的新型的特种加工方法，如电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工以及高能束加工等。20世纪70年代以来，以激光、电子束、离子束等高能束流为能源的特种加工技术获得了迅速发展和广泛应用。目前以高能束流为能源的特种加工技术和数控精密电加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支。在难加工材料、复杂型面、精密表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为关键制造技术。特种加工技术的发展和扩大应用大大促进了航空产品的发展，使一些先进的高性能飞机、发动机和机载设备的制造和生产得到可靠的保证。国内外经验表明，没有先进的特种加工技术，现代高性能航空产品难以制造和生产。因此先进的特种加工技术的开发和应用是与现代航空技术的发展息息相关，国外对此项技术的发展和应用给予了高度重视。
特种加工技术的发展趋势：随着现代航空技术的发展，特种加工技术在现代航空武器装备的发展中起着愈来愈重要的作用，已经成为现代航空武器装备的关键制造技术.工业发达国家国防工业部门和国防军事部门高度重视先进特种加工技术的发展。70年代以后，先进特种加工技术有了长足的发展，到了80年代已经成为先进飞行器制造中定型的制造技术，从而解决了先进飞行器制造中难加工材料和复杂结构稳定的高质量加工问题。目前为了加速先进技术战斗机和高性能民用客机的发展，对特种加工技术的技术水平、经济性和自动化程度(降低成本、提高质量)提出了更高的要求，从而促进了先进特种加工技术的发展。先进加工技术的总体发展趋势是：①广泛采用自动化技术，实现计算机数控化。充分利用计算机数控技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置和数据库等，进而建立特种戛的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势；②开发应用复合工艺和新工艺方法。现代高性能航空器的发展新型结构材料和高精密复杂结构的大量采用，进一步加剧了结构工艺性的恶化，单一的特种加工方法难以达到高精度、高质量、高效率和低成本综合技术与经济指标要求，因而进一步加速开发和应用新型特种加工技术和由多种能源组成的复合工艺。目前由二种能源复合的特种加工技术，如电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)、电火花机械复合加工、机械超声波复合加工等复合工艺已成为国外国防工业和机械工业着力发展的特种加工技术。由于复合工艺可以扬长避短， 经济高效，可取得明显的技术经济效果，因此受到先进工业国家的工业部门的普遍关注。③大力开展精密化研究。高技术的发展促使高技术产品在向小型化和精密化方向发展，对产品零件的精度和表面粗糙度提出更高更严格的要求。如飞机惯性仪表中关键零件的制造要求达到微米级以上。气浮陀螺和静电陀螺的内外支承面的球度达到0.5--0.05μm,尺寸精度为0.6μm,表面粗糙度为0.025-0.012μm;激光陀螺的平面反射镜平面度为0.03-0.06μm,表面粗糙度小于0.012μm。飞机控制系统的23%零件精度达到微米级以上。随着高新技术的发展，超精密加工技术有了很大的发展，正从亚微米级向毫微米(10-9m)和纳米级(10-15m)发展。为适应这一发展趋势的需要，以高能束流加工技术为代表的先进特种加工技术的精密化研究引起工业界的高度重视。因此大力发展超精加工的特种加工技术是今后相当长的时期内的重要发展方向。
