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我國研磨拋光設備的產業化進程
作者:管理員    發布于:2018-12-11 18:43:05    文字:【】【】【
摘要:我國研磨拋光設備的產業化進程

    光學表面制造技術,特別是中大口徑光學元件的加工,由于其材料的特性和光學本身對精度要求的嚴格性,導致了其幾個世紀以來發展緩慢,且嚴重依賴操作者的經驗和技巧。傳統光學加工技術是在17世紀牛頓開發的平、球面鏡加工技術基礎上發展而來的,基本原理是磨具與鏡面在全口徑范圍接觸下的相對研磨和拋光,其加工效率低、加工周期長、質量不穩定,且難以加工相對孔徑大于1 : 2的鏡面。這種加工工藝不苛求加工設備本身的精度(此時機床只是起到運動傳遞的作用),而更多地依賴于人工經驗,被稱為非確定性超精密加工工藝。
    隨著現代科技的發展,由于光學元件幾何尺度的極端性、材料的多樣性、形面的復雜性使傳統的非確定性超精密加工工藝和設備已不能適應現代光學元件加工的需求。隨著機床功能部件精度的提高以及計算機控制技術的發展,確定性超精密加工工藝和加工設備的出現有效地解決了上述問題。當今主流的超精密加工設備主要是指確定性超精密加工設備,按照設備精度、加工方式和加工工藝分可以分為以下兩大類,這兩類設備采用不同的超精密工藝都能達到亞微米或更高的零件精度。
  第一類是指利用軌跡可控的刀具(如單晶金剛石刀具、砂輪等),以極高的空間運動精度完成具有光學元部件的加工,典型的設備如單點金剛石超精密車床、超精密銃床、超精密磨床等,這類超精密研磨拋光設備的主軸及導軌均采用液體靜壓或空氣靜壓軸承,一般主軸回轉精度小于0.1 Jim,導軌運動直線度0.1~0.3 |jim/300mm,運動分辨率可達到lnm,此類設備也可稱為運動復印型設備,即將設備的運動精度復制到被加工工件上。需要通過控制影響部件精度的各因素才能達到超精密數控機床最終的精度,而這些影響因素通常要求做到極限:如機床的機械功能部件、機床位置檢測反饋系統、伺服運動控制系統以及設備總體等必須具有極高的精度、極好的動靜態特性、極高的數據處理和實時控制能力、極高的穩定性、極嚴格的環境要求等。
  第二類是指基于計算機控制光學表面成型技術(ComputerControlled Optical Surfacing, CCOS )的超精密加工設備,這類超精密研磨拋光設備與第一類相比精度要求較低,主軸及導軌一般均采用機械滾動軸承,運動精度及定位精度均在0.01mm量級,典型的基于CCOS的超精密研拋設備包括小磨頭拋光設備、應力盤拋光設備、氣囊拋光設備、磁流變拋光設備、離子束拋光設備等叫在此類設備進行的超精密加工工藝是隨著測量測試、計算機控制等先進技術的發展,從20世紀70年代開始相繼發展的用數學模型描述工藝過程、以計算機數控技術為主導的先進光學制造技術,其原理是利用可控的去除函數,在相對確定的位置進行確定量的材料去除,從而得到高精度高表面質量的產品。
  上述兩類設備構成了當今通用超精密數控加工設備的主體,也代表了一個國家超精密加工技術研究和應用的水平。通用精密加工設備一般由各大機床制造廠商提供貨架式商品,用戶根據加工需求進行選擇訂購。如果用戶有特殊加工需求,如加工件的規格尺寸、材料、工藝等方面的特殊要求,可以由機床廠商為之量身設計制造專用設備,對于超精密加工設備也有類似情況。與精密加工設備相比,生產通用性超精密加工設備的廠商較少,在全世界范圍內僅有幾十家,大部分集中在美國、歐洲和日本。而到目前為止,國內還沒有一家專業化超精密加工設備生產廠商。美國Moore公司、Precitech公司等生產的超精密切削設備,SatisLoh公司、Optech公司生產的光學銃、磨、拋設備等都屬于通用設備,這些機床具備齊全的功能和較高的精度,但價格較昂貴。而專用的超精密加工機床,如磁盤車床、KDP晶體超精密飛切加工機床、大口徑非球面反射鏡研拋機等。這種機床結構較為簡單,價格相對便宜,但功能單一,可加工零件種類較少,而且需要單獨專門設計,研制周期長、不能快速響應用戶的需求。


國內超精密加工機床的發展及應用


  生產母機精度的不斷提咼是產品精度與質量提高的保證。以單點金剛石車削為例,第一代超精密車削加工技術是20世紀60年代由美國發展的金剛石刀具及氣體、液體靜壓軸承及導軌技術等推動發展起來的。其標志性成果是1984年美國勞倫斯利弗摩爾國家實驗室(LLNL )研制的大型超精密金剛石車床(LODTM),以及以大型非球面光學零件超精密加工為目標的超精密機床研究計劃--POMA ( Point One MicrometerAccuracy廿十劃的推進。進入21世紀,第二代的超精密單點金剛石車床采用了直線電機驅動及快刀伺服技術等,使超精密車削加工技術發展到非回轉對稱及微結構自由曲面等加工,設備的精度也有所提高。
   自20世紀80年代,國內有關單位在研制氣體靜壓主軸及導軌等基礎上開始了單點金剛石切削加工設備的開發,90年代初北京機床研究所、北京航空精密機械研究所等陸續研制成功結構功能簡單的超精密車床(圖1 )、超精密鎮床等設備,可以進行平面、外圓及內孔等簡單特征的超精密切削加工。
   國內超精密加工技術發展的里程碑是非球面曲面超精密加工設備的研制成功。光學非球面零件由于具有優越的光學性能,可以提高成像質量并簡化光路和結構,在軍工及民用行業得到了廣泛應用。當年只有歐美及日本等國能夠制造非球面超精密加工設備,而國內引進受限且價格昂貴。于是非球面超精密加工設備的研制成為國家九五期間先進制造技術領域的重點任務,到九五末期,北京航空精密機械研究所、航天科技九院興華機械廠以及哈爾濱工業大學等單位陸續研制成功代表當時國內超精密加工最高技術水平的非球面超精密切削加工設備(圖2 ),打破了國外的技術封,隨之國內超精密加工技術在慣性器件、光學制造等行業得到了較快的應用和發展,之后還陸續研制成功了中大口徑的非球面超精密車床(圖3)。由于國內超精密加工設備的發展,英、美等國陸續解除了該類型超精密裝備對我國的禁運,并且設備價格一路下滑,這對國內的超精密基礎部件研究和超精密加工裝備研制產生了很大的沖擊,使我國多數超精密裝備研制單位并沒有形成完整的基礎研究能力與工程化及產業化規模。
  隨著產品功能和性能的進一步提高,從21世紀初開始對光學自由曲面、微小精密零件以及微結構功能表面等需求日益迫切,例如光學自由曲面能改善校正像差、改善像質、擴大視場等系統性能,同時能簡化光學系統結構、減輕重量,因而已成為新—代光學系統的核心關鍵器件,特別在光成像系統中在軍工和民用領域具有廣泛的應用背景;微結構功能表面的微結構具有紋理結構規則、高深寬比、幾何特性確定等特點,由于這些呈特定的拓撲結構分布的表面微結構使得元件具有某些特定的功能,如粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性等物理、化學性能等。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巴不僅可以減小飛行器的風阻、摩阻,減小摩擦,同時可避免結冰層形成,提高空氣動力學、熱力學功能以及突防能力,從而達到增速、增程、降噪、隱身等目的叫 隨著高精度傳感器等器件結構的微小型化、工作部位尺寸及形位精度等級的亞微米化,以及新型材料的應用,微小結構零組件裝夾、定位、找正的精細化,刀具的小型化和加工進給量的微量化、非接觸面型和尺寸測量顯微化等一系列技術難題對傳統精密超精密加工設備及工藝也提出了嚴峻挑戰。
  原有的第一代超精密加工設備已經無法滿足復雜結構特征的超精密加工需求,國內從事超精密加工技術研究的多家高校和研究所緊密跟蹤國外的先進技術,在研究基于直線電機驅動的液體靜壓導軌、超精密位置伺服控制主軸、超精密數控系統及復雜曲面軌跡規劃及編程等關鍵技術的基礎上,研發了多軸超精密數控切削加工設備(圖4),并開發了快速刀具伺服及慢拖板伺服超精密切削加工等工藝,完成了太赫茲束控賦值曲面、微透鏡陣列、雙正弦曲面等典型復雜曲面和微結構特征的超精密加工,進一步縮小了與國外在超精密數控加工設備和工藝方面的差距。同時,針對典型產品的工程化應用,國內開發了超精密數控磨床、微結構特征大尺寸模輻超精密加工設備、振動切削刀架等,實現了典型模具材料的超精密加工,從而為實現光學功能元件的確定性、經濟性與柔性大批量復制生產奠定了基礎。
  隨著光學探測、空間遙感以及極大規模集成電路等領域的需求牽引,對大口徑光學透鏡及反射鏡的高效超精密加工提出了要求。大口徑高精度光學元件的制造一直是超精密加工技術的重要研究方向之一,確定性超精密研拋是其工藝原理。確定性超精密研拋技術也稱為可控柔性加工技術,其基本原理是通過改變柔性研拋頭的形狀、壓力、運動形式等參數,得到研拋頭的去除函數,同時
通過駐留時間的控制達到工件面型誤差的收斂,最終提高工件面型精度和表面質量。確定量超精密研拋加工工藝技術的研究熱點包括可控性良好的研拋新原理新方法、殘余誤差的定量去除算法、中高頻誤差控制和抑制技術等。高精度非球面光學零件(包括大型非球面鏡、高陡度非球面鏡、離軸非球面鏡和拼接子鏡、自由曲面鏡等)的確定性超精密研拋工藝及加工設備已成為超精密加工技術發展的重點之一。
  近年來國內以空間遙感衛星相機的大口徑光學透鏡、激光核聚變楔形透鏡、極大規模集成電路紫外/極紫外光刻機物鏡等重大需求為牽引,高校、中科院及各軍工集團的專業研究所等在小磨頭拋光的基礎上,研發了一系列超精密數控研拋加工工藝及設備,例如磁流變拋光化離子束拋光、射流拋光、應力盤拋光和氣囊拋光等,這些設備有的已接近國際先進水平,并得到了較好的工程化應用。
  此外,在一些特殊的專業領域對超精密加工設備及工藝也提出了新的要求,例如近年來發展的抗疲勞制造技術與第一代成形制造技術及第二代表面完整性制造技術相比,可用于航空發動機主承力件、運動件以及連接件等關鍵構件(如齒輪、軸承、葉片、盤軸類零件、對接螺栓等)的制造,將會顯著提高航空武器裝備的使用壽命。抗疲勞制造技術的核心技術之一是精密超精密加工工藝,提高關鍵構件的加工精度及表面質量、控制加工工件表面完整性,提高構件的疲勞強度,改善表面應力狀態及疲勞性能,最終提高零件的疲勞壽命叫普通精密數控加工設備已經無法滿足航空關鍵構件的抗疲勞制造需求,針對不同材料、不同結構的航空構件需要采用超精密數控磨床、超精密數控加工中心等通用超精密加工設備,同時還需研發一些專用超精密加工設備,才能最終達到航空關鍵構件抗疲勞制造技術的要求。


超精密加工設備研發和生產現狀及對策


  通過多年來國內相關研發機構的努力,我國超精密加工設備的水平與國外相比,已經從20多年前的望塵莫及到目前的望其項背,少數設備甚至能并駕齊驅。但是,也應看到我國在超精密數控機床領域尚未形成產業化,研制的專用機床或設備樣還無法大規模推廣使用。我國數控超精密加工設備產業化方面存在以下不足:各單位各自為戰,自主研發能力相對薄弱;功能部件發展滯后,對外依存度高,尚未形成較為齊全的專業化配套體系;缺乏超精密基礎元部件及加工設備設計、制造專業化標準;設備精度保持性、運行可靠性及可操作性較差;設備的控制軟件及系統開發能力較弱等叫為此,在今后超精密加工設備的研發和產業化生產中,應從以下方面加以關注:
  (1 )重視超精密加工設備功能部件的研發,形成專業化的配套體系。
  超精密車床、超精密磨床等超精密加工設備是利用主軸、導軌以及控制系統等超精密基礎元部件的精度保證零件的加工精度,對于此類設備研發的關鍵是超精密基礎元部件及其集成技術。國外超精密基礎元部件都有專業的生產廠商,如英國Loadpoint公司專業生產超精密主軸、超精密導軌,德國Hyprostatik公司專業生產液體靜壓主軸、液體靜壓導軌以及液體靜壓絲杠等基礎元部件,這些產品已經形成系列化、標準化。國內雖然具備了超精密基礎元部件研制和生產能力,精度指標也達到了國外產品的水平,但在模塊化、系列化、標準化等方面還存在差距,目前國內沒有一家專業化生產廠家。國內生產的電機、編碼器、光柵及多軸運動控制卡等在性能及可靠性等方面與國外存在較大差距,目前國內研制的超精密加工設備,檢測及電控元器件基本依賴進口。
  應繼續加強超精密基礎元部件的研發和生產能力建設,建立模塊化設計及生產的標準,在國內形成超精密基礎元部件專業配套生產廠家,為超精密加工設備的產業化生產提供支撐。
  (2)注重超精密加工設備的設計、建立制造及檢驗標準,提高工程化水平。
  除了關注超精密加工設備關鍵技術的攻關,也應重視設備的可使用性設計,例如超精密車床的金剛石刀具對刀系統、在線動平衡系統,確定性研拋設備的工件誤差在位測量系統等,這些部件除了有利于設備精度的提咼,更多的是提咼超精密加工設備的效率及增加操作的便利性。此外在設備的外觀造型設計及設備噪音控制等人性化設計方面更應符合滿足操作者的舒適性需求。
  在目前技術水平下,超精密加工設備尚存在制造誤差、驅動誤差、聯動誤差、伺服匹配誤差、受熱變形、受力變形、非對稱剛度、數控精度等誤差來源,使零件加工輪廓不能完全與設計輪廓重合,表面粗糙度也體現各類頻率誤差的存在。隨著超精密機床軸系的增多和精度的提高,一方面需要新的設備精度測量表征方法和檢測檢驗手段;另一方面也可以逆向進行超精密加工設備的精度表征。為此,必須有一整套超精密設備制造技術規范與檢驗檢測標準等,這樣才能正確評價超精密加工設備的精度,實現對超精密加工設備的各類需求。
  此外,建立超精密機床制造行業標準也是實現產業化推廣的一個重要因素叫這些標準包括超精密部件靜態及動態檢測、部件間位置關系的檢測與調整、超精密機床總體驗收標準等。
  (3 )將超精密加工工藝與設備相結合,為用戶提供一體化的解決方案。
  國外超精密加工設備解禁以后,國內高校、民企和相關國防領域各工業部門陸續引進了大量的各類超精密加工設備,但是真正能充分發揮設備性能、應用效果良好的單位很少,
主要原因是設備可以從國外引進,而用戶需求的相關工藝卻無法引進。國內生產廠家則可以通過為用戶提供超精密加工設備與工藝一體化的解決方案,提高國產超精密加工設備的市場競爭力。
  對于超精密研磨拋光設備這點尤為重要,由于此類設備是通過可控的去除函數保證零件的加工精度,因此設備研發廠家可以將設備工藝參數、不同工具及磨料、不同材料及不同形狀零件的去除函數等超精密加工工藝參數以專家系統或數據庫的形式集成到設備中供用戶選擇使用,同時跟蹤用戶對設備的使用效果,對設備的硬件及軟件不斷改進和升級,從而提升國產超精密研拋設備的水平。
  (4)以國家重大項目需求為牽引,優先發展專用超精密加工設備。
  專用超精密加工設備結構功能相對簡單,從國外定制價格及周期用戶可能無法承受,這也是國產設備實現產業化的一條捷徑。例如我國激光核聚變點火工程(神光III工程)48路激光所需的二千多塊KDP晶體材料采用單點金剛石飛切加工,其專用設備全部由國內研制冏,性能指標達到了國際先進水平,并形成了很好的批量化生產能力,保證了國家重點任務的需求。
  從“十一五”開始國家根據產業和技術的發展需求,設立了包括“高檔數控機床與基礎制造裝備重大專項”在內的16個國家科技重大專項,這也為高檔功能部件和超精密加工設備整機的研制和發展提供了契機,相關成果已應用于航空航天領域復雜零部件的加工。此外“高分辨率對地觀測系統”、“極大規模集成電路制造裝備與成套工藝”等重大專項的啟動對大口徑及超高精度光學元件的產業化提出了需求,國內相關單位研制成功了磁流變拋光設備、離子束拋光設備等,從而為專項的實施提供了有力技術保障和裝備支撐,提升了我國先進裝備制造水平。即將啟動的發動機專項也將為軸承、葉片、噴嘴等發動機關鍵元部件的國產精密超精密專用加工和檢測設備的研制和產業化提供有力的保障。
  (5)聯合國內從事超精密加工技術研究的單位、優勢互補,組建超精密加工設備研發及產業化生產基地。
  目前,國內從事超精密加工技術研究的單位眾多,其中包括高校、中科院和各個軍工集團研究所以及應用單位等,但大部分單位均各自為戰,研究內容雷同、條件建設重復,從宏觀戰略層面缺乏統一的規劃,有時甚至存在惡意競爭,而且主要目標都是為了解決行業內的任務或型號難題。國內目前雖然也設立了國家超精密機床工程技術研究中心(科技部)、國防超精密機械加工技術研究應用中心(國防科工局)等機構,但成員單位覆蓋面有限,且管理松散,從體制和機制上很難真正做到各成員單位優勢聯合。
  聯合國內技術優勢單位,打破行業壁壘,建立超精密加工設備研發和產業化實體,同時可考慮吸收民間資本,實現超精密加工設備的產業化,滿足國內各行業的需求。


結論


  超精密加工機床的特點是超高精度、高剛度、高穩定性、高自動化等,與普通精密機床相比其應用范圍較窄,但主要是面向國家重點任務和型號的尖端科技領域,同時超精密加工技術也是體現一個國家制造技術水平的重要標志,是實現從制造大國向制造強國轉變的基礎技術。為此必須充分重視超精密加工技術的研究,建立我國超精密加工設備研發與產業化基地,形成產業化能力和商品化系列。



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