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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机械专业学术论文篇一
机械制造中的机械设计技术分析
[摘 要]随着社会的发展，生活和生产方式也发生了重大的变化。在机械设计与制造方面，工作技术也在不断的提高。机械设计与机械制造是密不可分的，机械设计其实为机械制造提供了理论，是机械制造的前提。机械制造在设计好的机械方案的基础上进行具体的实践与制造。但是无论在哪一个方面，技术是关键，特别是机械设计中要体现和应用的技术。
[关键词]机械制造 机械设计 技术分析
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)36-0091-01
一、 机械设计的基本认识
1.1机械设计的现状
机械设计伴随着社会生产力的发展逐渐走进生产活动中，给生产活动提供了科学的理论基础。在传统的机械制造过程中，机械设计人员根据原来的机械原理，按照传统的方式进行产品设计，并且是通过简单的设计构图和静态的计算分析得到方案数据的，这样一来，设计所需要的数据可能缺乏准确性，可能对机械制造工作带来不必要的麻烦。相对传统的设计理念来讲，采用增强安全性的机械设计方法是比较可靠的，但是它也具有一定的弊端。另外，科学技术的发展也为机械设计工作带来了科技化的成果，大大克服了之前传统方式设计的弊端。在产品开发周期、工作效率等方面得到了很大的提高，设计所需要的数据更加精确，设计水平大大提高，得到了社会上的广泛认同，机械设计的成果更加显著。
1.2 我国机械设计的特点
1.2.1应用广泛性
伴随着我国科学技术的快速发展，先进的机械制造技术在机械制造中是越来越重要，更是得到了广泛的应用。任何机械制造都离不开技术的支持，设计与技术的结合更给生产工作提供了强大的后盾。
1.2.2创新性强
在机械设计与机械制造过程中，任何技术与设备都需要进行不断的更新和创造。机械设计方面，所谓创新是指在原有的优秀技术的基础上，运用更加先进的技术作为发展动力，不断学习不断进取，通过更多的知识来填补现有工作中的不足，通过创新和发展，致力于将机械设计方案做的更好，为机械制造提供更好的设计方案，提高机械化水平。
1.2.3针对性市场广泛
在当今社会，任何产业的发展大多都离不开机械的辅助，机械在各行各业中的应用广泛带动了针对性市场的广泛性。机械产品可能涉及到餐饮行业、零部件加工行业等方面。而现今的机械设计也出现在各行各业，机械设计针对的市场对象广泛，满足了当今市场竞争的要求，同时也增强了市场竞争力，为机械设计与制造行业带来广阔的发展前景。
1.3 我国机械制造技术的发展方向分析
我国的机械制造技术现如今也在逐渐走向高端，结合以往经验总结可以发现，机械设计技术发展方向主要有三大类的方向可循：第一方向就是机械制造的管理，即健全规范的计算机管理制度，所以我国机械制造业要注重设计方向，更应该加强对机械制造技术的计算机管理;在近年来的设计技术发展站过程中，会发现机械制造的设计现代的机械产品的设计要求越来越要求智能化的实现，如相关的设计软件以及虚拟的设计技术的出现，这些虚拟软件将机械产品进行模拟设计，其实验结果可以通过高科技的方式显示，比如计算机软件的荧屏显示，数据报告等;接下来，机械制造的工艺越来越成熟，逐渐向精细加工高精密加工等技术方向发展，机械设计技术更加贴近细节。
二、机械制造中的机械设计技术分析
2.1 对机械设计方案的分析
机械设计的设计方案是设计中的关键，绝对影响着机械设计成品的实际效果与水平。在设计方案的过程中，许多细小的问题需要耐心发现并解决。尤其要注意的是，理论和实际实践是否能够有效的结合在一起，在实际操作过程中是否能够实施等问题。机械设计所设计的方案应该要考虑两方面的要求。一是要能够满足机器自身的基本性能和功能要求，二还要考虑工作者是否能够有效操作，工作人员是否能够掌握机器、是否熟悉操作流程等问题。机械设计的设计方案的主要设计步骤包括以下几个方面：
2.2 机械设计的主要技术设计分析
在机械设计的主要技术设计过程中，主要设计是占到重要地位的。在机械设计的主要技术设计阶段，首先要对设计图纸进行认真的核查，并且要细心认真对设计图纸中的数据进行分析，通过计算等方式实现数据的汇总。还有值得注意的是要对总图与部分图进行精心的对比分析，保证总图与部分图的统一。其次，要严格审核机械设计的主要技术设计的每个部分环节，保证设计质量，避免制造中不必要的麻烦。如果在实验过程中发现问题，就应该及时对每个环节进行重新校对。
2.3 机械设计的技术发展方向探讨
2.3.1智能化
现代机械产品的机械设计发展方向发生了极大的改变，发展方向更加多样化，这样给机械设计带来了更多可能性的同时也增加了难度。因为机械设计质量要求在不断提高，而机械设计在如今的高科技化趋势中抓住了机遇，为新技术的发展和创造提供了良好的环境。并且不得不承认，在当今的科技形势中，智能化逐渐成为现代的机械产品的设计一个重要发展方向。智能化的产品增强了产品的性能、产品精美的结构等相关功能，并且提高机械设计的质量与水平。
2.3.2系统化
系统化也是现代机械产品发展方向之一，现代化的机械产品设计越来越注重系统化，在设计过程中通过系统化实现各个部分的优化，将各个部分有效的整合在一起，实现设计产品的整体效能的提高。
2.3.3模块化
除了智能化与系统化的倾向之外，现代的机械产品的设计要求也体现出倾向于模块化的特征。相比较而言，模块化的设计思路比较清晰敏捷，在完成机械性能与功能的结合方面优势是比较突出的，从而在很大程度上提升了产品的整体优势，能够最佳的完成机械设计方案的要求。
2.4未来机械设计设想
2.4.1机械设计人员设计理念
伴随着人们的生活质量的提高，机械设计的要求也在提高，工作人员的意识也要更加为人们的生产着想，本着更加“贴近生活、注重细节”的理念设计出更好的产品。因此，要求机械产品设计人员在进行设计时要特别重视机械产品设计的性能、质量等问题，为产品质量做好保障。
2.4.2机械设计的市场
现代机械产品在市场竞争中要占有优势，设计技术机械产品的设计就要将生产的最终目的视为各类市场。在当今的市场竞争趋势中，设计人员要积极开发和创新设计理论，运用创新精神和先进的科学技术，研究出机械产品的新技术与新功能，从而提高机械产品质量，实现能够在市场竞争中更占优势。针对各类市场进行多样的设计，占领市场才能有利润和发展前景。通过提升产品的市场竞争力来让适应当今市场经济的竞争趋势。
2.4.3与时代相关
现代机械产品也要和时代要求相结合。比如，节能环保的绿色设计理念等新式健康理念等。近年来，绿色环保不断成为各行各业发展的主题，环保意识更是深入人心。如今生活中，处处可见低碳生活的影子，绿色产品也不断进入市场，并且受到大家的欢迎。所以机械设计也能结合低碳消耗、绿色生产等进行设计，更好实现其理念价值。
三、结语
本文主要对机械制造中的机械设计进行分析，对机械设计的特点以及设计过程中应注意的问题进行探究，结合未来发展趋势提出部分见解，为机械设计提供更多的意见。
参考文献：
[1] 王宝香.机械设计与机械制造的技术分析[J].煤炭技术，2013-04-12.
[2] 王晓晨.浅析机械设计与机械制造技术[J].科技创新与应用，2014-08-11.
机械专业学术论文篇二
机械设计与机械制造技术
摘要：现代设计的特点是面向市场和用户的设计，现代设计不仅要实现产品的基本功能，更应体现人性化和环境保护的设计理念。同时，我国近年来机械设计制造技术得到了长足的发展，但是，与传统工业发达国家相比，我们还存在着十分明显的差距。由于技术、管理、投入不足等多方面的的因素，我国的制造业正承受着国际市场的巨大压力。本文就此阐述机械设计与机械制造的技术。
关键词：机械设计 机械制造 技术
引言
机械设计制造技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。随着科技的发展，计算机网络技术的普及，机械设计方法已经有了实质性改变，科技新成果，不断丰富着机械设计的思想、理论以及方法，不断促进了机械设计发展和变革。在我国，机械制造技术经过多年的发展取得了极大的进步，但是相比较国外一些发达国家而言，还存在着一定的差距。不断地完善机械设计与加强机械制造技术，是保证我国机械制走向世界领先水平的前提条件。
1. 当前机械制造业设计的方法及内容
当前机械制造业设计方法是在对过去传统的机械设计理念进行深刻反思的基础上，综合运用现代化的设计技术手段实施的相应机械设计，可以概括为以下三个方面主要内容。
1.1 数字化成为当前机械设计的核心特点
随着科技的进步，尤其是数字化技术的高速发展，在机械设计进行之前久能够围绕整个设计生命周期进行相应的建模工作。同时可以充分利用计算机技术进行模拟设计，并对产品设计的整个生命周期进行过程模拟，给实际机械设计提供最佳的参考素材。在设计当中，还能够综合运用大量的数字化的设计技术及方法，广泛应用计算机辅助设计以及数字管理手段对全部设计的过程进行科学管理，确保资源配置最优化、设计效率最大化。
1.2 并行化成为当前机械设计的最大趋势
依托计算机支持，机械制造设计团队能够实现更多信息的共享，从而打破了时间和空间阻隔障碍。不同地区的机械设计工作者能够在同一平台下实现协同设计工作。在机械设计的过程中能够更多地赢得技术方面的支持和帮助，实现各种优势的互助互补，不断提高设计能力和设计水平。而过去传统的机械设计往往是单方面串行的设计，每项产品均需要实施分步骤设计，在一个设计步骤完成后，才能够进行下一个步骤的设计，设计资源利用度不高。此外在设计过程中各个设计环节也缺少必要的沟通手段，无法对设计中发现的问题在第一时间进行修正，使机械设计的开发周期变得更长，并增加了设计人员的工作量。随着当前机械大型化、综合化的发展，各种机械的构造及功能都变得更加多样和复杂，机械设计开发初期确立的思路对于后期影响较大，由于设计过程比较复杂，如果前期的设计思路一旦出现纰漏，那么将很难进行及时的修正。
1.3 智能化成为当前机械设计的迫切要求
随着自动化技术在机械设计领域的广泛应用，机械的自动化程度已经变得越来越高，相应地对机械自动化设计进程也提出了更高的要求。机械设计师需要充分利用智能技术进行相应的机械设计工作，构建完善的智能化的体系。
2. 我国机械设计制造技术发展的现状分析
机械设计制造包括研究产品的设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程。它是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。我国机械制造业的快速发展，主要依靠技术引进和赶超型发展战略，严重缺乏自主研发环节，这在很大程度上限制了中国机械制造业的发展，加之中国劳动力资源丰富而资金相对短缺，致使机械制造业的科技研发明显滞后。虽然中国机械制造业的产品数量已经位居世界前列，但主要依赖于劳动密集型产品，具有自主知识产权的高、精、尖产品比较少，在国际竞争中取得了相对的劣势。同时，我国械制造业产品的质量虽然有了很大程度的提高，但大量的机电产品的质量可靠性、外观设计、内在性能还存在一些问题。所以，就目前实际情况总体来说，中国的制造业大而不强，中国是制造大国而不是制造强国。
3. 机械产品的现代设计方法
3.1 智能化
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体等工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。
3.2 系统化
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素既具有独立性又存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
3.3 模块化
模块化设计方法的主要特点是：视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。
3.4 基于产品特征知识
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机实现产品的方案设计。
4. 机械制造中先进技术分析
随着科技的发展，产品的形状和结构的优化，对零件加工质量的要求也越来越高。数控加工技术就是在这种环境下发展起来的，适用于精度高，零件形状复杂的单件和中小批量生产的高效、柔性的自动化加工技术。目前，数控技术发展迅速，应用领域已从航空航天普及到汽车、机床等制造业及其他中小批量生产的机械制造行业中。
4.1 精密与超精密加工技术
随着航空航天、计算机、材料科学、激光和自动控制系统等高科技产业的迅猛发展，综合应用当今先进的加工技术，使机械加工精度已经提高到了0.01μm的亚纳米级，并向纳米级发展。精密加工和超精密加工技术是现代制造技术的前沿和主要发展方向之一，它已经成为国际科技竞争中能否取得成功的关键技术，尤其是精密加工技术在尖端产品和现代武器制造中有举足轻重的地位。
4.2 超高速切削、磨削技术
超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料去除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。具有切削力小、热变形小、加工精度高和降低加工成本等优越性。
4.3新一代制造装备技术
4.3.1 少无夹具制造技术
在常规制造系统中，产品生产所需大量夹具不仅耗费大量资金，更严重的是延长了产品的准备时间，形成制造过程中的“瓶颈”，这是造成柔性差、响应速度慢、生产成本高、企业竞争能力弱的主要因素之一。鉴于少无夹具制造技术所具有的重要学术意义和实用价值，国内外多个单位均在这一领域开展了研究工作。
4.3.2 虚拟轴机床
新型并联构型制造装备虚拟轴机床实质上是机器人与机床的混合物，其在结构上完全不同于传统的数控机床，具有模块化程度高，结构简单，速度、动态响应快，造价低等优点，克服了传统的机床设备一些无法避免的固有缺陷。
4.4 微细制造与纳米技术
随着人们对许多工业产品的功能集成化和外观小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。这些需求导致了自20世纪70年代起出现了微细加工和纳米制造技术，他们促使了微型机器向系统化方向发展，并形成了有广阔发展前景的微机电系统(MEMS)。
结束语
综上所述，随着科技水平的不断提升，我国机械制造业取得一定的成绩，但是我国的机械设计与制造技术还存在着一定的不足，这些都严重的影响到我国机械制造业的发展。在机械设计与制造中掌握时代发展的趋势，不断地对设计方法与制造技术进行完善，采用先进的机械制造技术，从而推动我国机械制造水平的提升。
参考文献：
[1]张宝坤，王淑霞，王艳.机械设计制造及其自动化的发展方向[J].化工装备技术，2011.
[2]陈静，机械设计技术的发展现状与趋势[J].中国石油和化工标准与质量，2011.
[3]杨元红.浅谈机械设计制造及其自动化专业的前景[J].文艺生活・文海艺苑，2010
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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。
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