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什么是精密制造技術(shù)
一、技術(shù)概述
精密制造技術(shù)是指零件毛坯成形后余量小或無(wú)余量、零件毛坯加工后精度達(dá)亞微米級(jí)的生產(chǎn)技術(shù)總稱(chēng)。它是近凈成形與近無(wú)缺陷成形技術(shù)、超精密加工技術(shù)與超高速加工技術(shù)的綜合集成。
近凈成形與近無(wú)缺陷成形技術(shù)改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品毛坯成形實(shí)現(xiàn)由粗放到精化的轉(zhuǎn)變，使外部質(zhì)量作到無(wú)余量或接近無(wú)余量，內(nèi)部質(zhì)量作到無(wú)缺陷或接近無(wú)缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、輕量化、低成本的成形。該項(xiàng)技術(shù)涉及到鑄造成形、塑性成形、精確連接、熱處理改性、表面改性、高精度模具等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。
超精密加工技術(shù)是指被加工零件的尺寸精度高于0．1µm，表面粗糙度Ra小于0．025µm，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0．01µm的加工技術(shù)，亦稱(chēng)之為亞微米級(jí)加工技術(shù)，且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展。
超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機(jī)理，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)，超精密加工工具及刃磨技術(shù)，超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)，超精密加工工作環(huán)境條件。
超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。
超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認(rèn)為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過(guò)1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min，鈦合金達(dá)150～1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為2000～9000m/min。各種切削工藝的切削速度范圍為：車(chē)削700～7000m/min，銑削300～6000m/min，鉆削200～1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技術(shù)主要包括：超高速切削與磨削機(jī)理，超高速主軸單元制造技術(shù)，超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)，超高速加工用刀具與磨具制造技術(shù)，超高速加工在線自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)等。
二、現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
1．技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
近凈成形與近無(wú)缺陷成形技術(shù)在下世紀(jì)初有以下發(fā)展趨勢(shì)：
（1）近凈成形技術(shù)生產(chǎn)的成形件精度會(huì)進(jìn)一步提高，可以做出形狀更加復(fù)雜的成形件，更加接近于凈成形。
（2）近凈成形技術(shù)會(huì)不斷有新發(fā)展，一方面原來(lái)的工藝方法會(huì)得到不斷改進(jìn)提高，另一方面綜合利用各種成形手段會(huì)出現(xiàn)新的復(fù)合成形新工藝。
（3）隨著新材料的出現(xiàn)，不少材料用傳統(tǒng)加工方法很難加工，從而推動(dòng)了新材料近凈成形技術(shù)的發(fā)展。
（4）計(jì)算機(jī)的發(fā)展、非線性問(wèn)題計(jì)算方法的發(fā)展，推動(dòng)了非線性有限元等技術(shù)發(fā)展，使數(shù)值模擬技術(shù)由學(xué)校、研究單位走向工廠，將廣泛用于成形工藝分析，并且將由宏觀模擬進(jìn)一步向微觀的組織模擬和質(zhì)量預(yù)測(cè)方向發(fā)展。
（5）解決自動(dòng)化大批量生產(chǎn)與用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化要求的矛盾，生產(chǎn)過(guò)程的柔性化將會(huì)得到發(fā)展。
（6）由于高效、節(jié)能、節(jié)材帶來(lái)的材料和資源的節(jié)約和有效利用、成形技術(shù)和裝備的進(jìn)步、無(wú)污染工藝材料的采用，使成形技術(shù)由污染大戶(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵣a(chǎn)技術(shù)。
超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。
在超高速加工技術(shù)中，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)歷高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）；切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。因此有人認(rèn)為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。
2．國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的近凈成形技術(shù)在近20多年來(lái)有很大發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)械制造業(yè)主要的制造技術(shù)，在鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和表面改性方面都已占據(jù)了總產(chǎn)量的主要地位。在我國(guó)近凈成形技術(shù)在整個(gè)成形生產(chǎn)中比重還比較低，成形件精度總體平均要比國(guó)外低1～2個(gè)等級(jí)，一些先進(jìn)的近凈成形技術(shù)在我國(guó)只有少數(shù)企業(yè)采用，一些復(fù)雜難成形件我國(guó)還不能生產(chǎn)，部分先進(jìn)成形設(shè)備、機(jī)械手和機(jī)器人、很大一部分高水平自動(dòng)化生產(chǎn)線建線技術(shù)，我國(guó)還不能全部立足國(guó)內(nèi)，因而總體水平上要比先進(jìn)國(guó)家落后15～25年。每一個(gè)專(zhuān)業(yè)方向上，國(guó)外近20年來(lái)都出現(xiàn)了一批新技術(shù)，有一些我們還沒(méi)有掌握，有一些雖然做了試驗(yàn)研究，還沒(méi)有用于生產(chǎn)。
過(guò)去人們往往側(cè)重于單項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用研究，今天市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，人們?yōu)榱烁酶?jīng)濟(jì)成形零部件，越來(lái)越多地注意到多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合運(yùn)用，可以獲得更好的效果。例如利用材料超塑特性進(jìn)行焊接在航空件成形中的應(yīng)用，利用低合金成份的非調(diào)質(zhì)鋼通過(guò)控鍛控冷可以取代調(diào)質(zhì)熱處理，把鑄造和鍛壓結(jié)合起來(lái)的半固態(tài)成形，粉未燒結(jié)的坯料再經(jīng)過(guò)鍛造獲更好性能近凈形零件，都是國(guó)外發(fā)展較快應(yīng)用效果好的技術(shù)。我國(guó)專(zhuān)家把成形輥鍛和精鍛相結(jié)合，用于汽車(chē)前梁生產(chǎn)比國(guó)外通用技術(shù)建設(shè)生產(chǎn)線，一條線就可節(jié)約上億投資。
傳統(tǒng)的成形技術(shù)是建立在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的技術(shù)，制定一個(gè)新零件成形工藝在生產(chǎn)時(shí)還要進(jìn)行大量修改調(diào)試。計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)發(fā)展，特別是非線性有限元的發(fā)展，使得難度很大的成形過(guò)程有可能進(jìn)行模擬分析和數(shù)值計(jì)算。發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面已經(jīng)開(kāi)展了大量研究工作，并形成一些商業(yè)軟件用于成形工藝分析。我國(guó)在這方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，一些單位也研制了一些軟件，但由于投入不足，形成商業(yè)軟件的很少。
近凈成形與近無(wú)缺陷成形技術(shù)通常用于大批量生產(chǎn)，要求企業(yè)建設(shè)不同技術(shù)水平的生產(chǎn)線，需要有相應(yīng)的機(jī)械手和機(jī)器人。由于工作的條件、環(huán)境比較惡劣，對(duì)這些機(jī)器人的需要數(shù)量相對(duì)較少、品種較多，所以需要由本專(zhuān)業(yè)人員參與研制。當(dāng)今，人們對(duì)產(chǎn)品需求逐步提出了一些個(gè)性化要求，所以在建設(shè)自動(dòng)生產(chǎn)線時(shí)，提出了建設(shè)柔性生產(chǎn)線的要求，國(guó)外在近凈成形生產(chǎn)方面已經(jīng)出現(xiàn)了少量柔性生產(chǎn)線，我國(guó)必須注意這一動(dòng)向，應(yīng)該根據(jù)用戶(hù)需求和投資強(qiáng)度，建設(shè)不同自動(dòng)化程度和滿(mǎn)足柔性化需求的生產(chǎn)線。
國(guó)外企業(yè)為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，一方面加強(qiáng)質(zhì)量管理，做好生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量控制，另一方面通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化和智能控制，以保證近凈成形生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，能作到無(wú)缺陷或近無(wú)缺陷。
在超高速加工技術(shù)方面，1976年美國(guó)的Vought公司研制了一臺(tái)超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000rpm。特別引人注目的是，聯(lián)邦德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所從1978年開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行超高速切削機(jī)理研究，對(duì)各種金屬和非金屬材料進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，聯(lián)邦德國(guó)組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬(wàn)馬克支持該項(xiàng)研究工作。自80年代中后期以來(lái)，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車(chē)銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國(guó)、日本也相繼推出自己的超高速機(jī)床。日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)36000～40000r/min，工作臺(tái)快速移動(dòng)速度為36～40m/min。采用直線電機(jī)的美國(guó)Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進(jìn)給移動(dòng)速度為60m/min。近年來(lái)，我國(guó)在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域，如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國(guó)外尚有較大差距。
在超精密加工技術(shù)方面，美國(guó)是開(kāi)展研究最早的國(guó)家，也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國(guó)家。早在50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(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。如美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室和Y－12工廠在美國(guó)能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車(chē)床DTM－3型，該機(jī)床可加工最大零件Φ2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡（包括X光天體望遠(yuǎn)鏡）等。該機(jī)床的加工精度可達(dá)到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12．5nm，加工表面粗糙度為Ra4．2nm。該機(jī)床及該實(shí)驗(yàn)室1984年研制的LODTM大型超精密車(chē)床一起仍是現(xiàn)在世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車(chē)床。
日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美、英來(lái)說(shuō)起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國(guó)，前者是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象，后者則是以發(fā)展國(guó)防尖端技術(shù)為主要目標(biāo)。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，是更加先進(jìn)和具有優(yōu)勢(shì)的，甚至超過(guò)了美國(guó)。
我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。北京機(jī)床研究所是國(guó)內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類(lèi)型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等，如精度達(dá)0．025µm的精密軸承、JCS－027超精密車(chē)床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車(chē)床、超精密車(chē)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、超精密振動(dòng)－位移測(cè)微儀等，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方面進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、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)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤(pán)加工及檢測(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世。此外中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、成都工具研究所、國(guó)防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究，成績(jī)顯著。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在超精密加工的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術(shù)配套性方面與國(guó)外比，與生產(chǎn)實(shí)際要求比，還有相當(dāng)大的差距。
3．國(guó)內(nèi)研究基礎(chǔ)
在行業(yè)需要的關(guān)鍵技術(shù)方面我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了較多單項(xiàng)研究，其中一部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但總的說(shuō)難度高的復(fù)雜技術(shù)還未能掌握。
三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容
1．目標(biāo)
（1）通過(guò)科技攻關(guān)，使近凈成形與近無(wú)缺陷成形技術(shù)主要方面趕上或接近國(guó)際先進(jìn)水平，并結(jié)合我國(guó)情況在部分技術(shù)上有發(fā)展創(chuàng)新；關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)做到成熟化、成套化、產(chǎn)業(yè)化，可以向企業(yè)提供成套技術(shù)，滿(mǎn)足企業(yè)技改和生產(chǎn)發(fā)展需要。
（2）超高速加工基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min，進(jìn)給速度達(dá)40～60m/min，砂輪磨削速度達(dá)100～150m/s；超精密加工基本實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工。
2．主要研究?jī)?nèi)容
（1）近凈成形技術(shù)研究
①近凈成形新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
含近凈成形無(wú)缺陷鑄造技術(shù)、精確塑性成形技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高效精確連接技術(shù)、精確熱處理改性技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高效表面改性及涂層技術(shù)、復(fù)雜高精度模具技術(shù)以及上述各項(xiàng)技術(shù)的綜合運(yùn)用。應(yīng)針對(duì)行業(yè)在下世紀(jì)重點(diǎn)需要的、復(fù)蓋面廣的技術(shù)開(kāi)展研究，提供新工藝、新方法、積累、完善相關(guān)數(shù)據(jù)，并達(dá)到實(shí)用化。
②近凈成形工藝模擬分析和優(yōu)化技術(shù)
研究解決成形工藝模擬的關(guān)鍵技術(shù)，使三維軟件程序完善化、成熟化、商品化。并且宏觀分析向微觀分析發(fā)展。
③成形生產(chǎn)線用機(jī)械手和機(jī)器人
研究成形生產(chǎn)線所需典型機(jī)械手和機(jī)器人，使之達(dá)到系列化、成熟化，滿(mǎn)足企業(yè)技術(shù)改造的需要。
④近凈成形生產(chǎn)自動(dòng)線和柔性生產(chǎn)線建線技術(shù)
以工藝為核心，研究掌握近凈成形與近無(wú)缺陷成形自動(dòng)生產(chǎn)線建設(shè)技術(shù)，側(cè)重研究掌握生產(chǎn)線控制和在線檢測(cè)，達(dá)到根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)綱領(lǐng)和實(shí)際資金，建設(shè)不同自動(dòng)化、機(jī)械化程度生產(chǎn)線，也要根據(jù)發(fā)展需要，建設(shè)部分柔性生產(chǎn)線。
⑤制造過(guò)程的質(zhì)量控制技術(shù)
發(fā)展在線智能控制技術(shù)，發(fā)展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制技術(shù)，達(dá)到對(duì)近凈成形的全過(guò)程質(zhì)量控制，從而保證最終產(chǎn)品質(zhì)量和精度。
⑥近凈成形技術(shù)的虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)
針對(duì)本行業(yè)中小企業(yè)多的特點(diǎn)，以協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、生產(chǎn)力促進(jìn)中心為核心，吸收成果所屬單位和同行企業(yè)參加，建立虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，解決企業(yè)對(duì)信息、技術(shù)的需求，企業(yè)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受訂貨，進(jìn)行技術(shù)咨詢(xún)，從而有利于提高企業(yè)整體水平。
（2）超高速加工技術(shù)研究
①超高速切削、磨削機(jī)理。對(duì)超高速切削和磨削加工過(guò)程、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種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藝參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行系統(tǒng)研究。
②超高速主軸單元制造技術(shù)。主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開(kāi)發(fā)；主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)研究；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研究。
③超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機(jī)參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機(jī)械傳動(dòng)鏈靜、動(dòng)剛度研究；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等。
④超高速加工用刀具磨具及材料。研究開(kāi)發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術(shù)，使刀具的切削速度達(dá)到國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家90年代末的水平，磨具的磨削速度達(dá)到150m/s以上。
⑤超高速加工測(cè)試技術(shù)。對(duì)超高速加工機(jī)床主軸單元、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部件和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對(duì)超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過(guò)程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究。
（3）超精密加工技術(shù)研究
①超精密加工的加工機(jī)理。“進(jìn)化加工”及“超越性加工”機(jī)理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對(duì)各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過(guò)程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究。
②超精密加工設(shè)備制造技術(shù)。納米級(jí)超精密車(chē)床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機(jī)床總成制造技術(shù)研究。
③超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)。金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。
④精密測(cè)量技術(shù)及誤差補(bǔ)償技術(shù)。納米級(jí)基準(zhǔn)與傳遞系統(tǒng)建立；納米級(jí)測(cè)量?jī)x器研究；空間誤差補(bǔ)償技術(shù)研究；測(cè)量集成技術(shù)研究。
⑤超精密加工工作環(huán)境條件。超精密測(cè)量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究。
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CMRR極大的精密電平移位電路08-06