我國機床工業(yè)的發(fā)展與展望

1我國制造強國的需求精密和超精確加工技術(shù)的發(fā)展直接影響到尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展。世界各國在這方面都極為重視,投入很大力量進行開發(fā)研究,同時技術(shù)保密,控制出口。由于航空航天、尖端技術(shù)、多種高精密儀器儀表、慣導(dǎo)平臺、光學(xué)和激光技術(shù)的迅速發(fā)展和多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,各種復(fù)雜高精度零件、光學(xué)零件、高精度平面、曲面和復(fù)雜形狀的加工,成為迫切任務(wù)。國外發(fā)展了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設(shè)備,發(fā)展了新的精密加工技術(shù)、精密測量技術(shù)。我國現(xiàn)在已是一個制造大國,僅次于美國、日本,最近又超過了德國,已處于世界第三位。中國的出口最近也接近德國,而成為世界第二出口大國。中國的出口統(tǒng)計中,機電產(chǎn)品已占多數(shù),但中國制造業(yè)大而不強,是制造大國而不是制造強國,出口的機電產(chǎn)品多數(shù)是技術(shù)含量較低、價格亦較低的產(chǎn)品,而進口的則是技術(shù)水平高、價格昂貴的產(chǎn)品。由于人民幣升值和實行新勞動法后,工人工資顯著提高,我國廉價勞動力的優(yōu)勢正在迅速喪失。迫切需要提高我國制造工業(yè)的技術(shù)水平,研發(fā)和生產(chǎn)先進的高水平精密產(chǎn)品,只有這樣才可能將我國從一個“制造大國”轉(zhuǎn)變成一個真正的“制造強國”。我國的機床制造業(yè)最近幾年雖發(fā)展很快,年產(chǎn)量和出口量都明顯增加,成為世界機床最大消費國和第一大進口國。近年在精密加工技術(shù)和精密機床設(shè)備制造方面,取得不小進展,但仍和國外有較大差距。從表1中我國機床生產(chǎn)、消費和進口情況的數(shù)字可看出,我國還沒有根本扭轉(zhuǎn)大量進口昂貴的數(shù)控和精密機床、出口廉價中低檔次機床的基本形勢。由于一些重要的高精度機床設(shè)備和儀器,國外對我們封鎖禁運,而這些精密設(shè)備儀器正是國防和尖端技術(shù)發(fā)展所迫切需要的,因此我們必須投入必要的人力物力,自主發(fā)展精密和超精密加工技術(shù),將我國的精密和超精密加工技術(shù)水平盡快提高到世界前列,這樣我國的國防和科技發(fā)展才不會受制于外國,我們才能出口世界一流的高技術(shù)機電產(chǎn)品。下面將介紹國內(nèi)外精密和超精密加工技術(shù)最近發(fā)展的情況。2高速高效五軸加工中心精密機床是精密加工的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在精密機床技術(shù)的發(fā)展方向是:在繼續(xù)提高精度的基礎(chǔ)上采用高速切削以提高效率,同時采用數(shù)控使其自動化。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)臥式坐標鏜床聞名于世,現(xiàn)在該廠生產(chǎn)的高精度鏜床DHP40(圖1)已加上多軸數(shù)控系統(tǒng)成為加工中心,同時為使用高速切削,已將主軸最高轉(zhuǎn)速提高到24000r/min。圖2所示是瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心,它的主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min,定位精度達到5μm,已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩臺機床的性能看,現(xiàn)在精密機床、加工中心和高速切削機床已不再有嚴格的界限區(qū)分。3鉆石刀的精密切分3.1超精密切削金剛石刀具超精密切削是超精密加工中的很重要部份,不少國防尖端產(chǎn)品零件,如陀螺儀、各種平面曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)中的多種零件等,需要用超精密切削來加工。超精密切削使用單晶金剛石刀具,在超精密機床上可以加工出鏡面。超精密切削的切削厚度可以極小,最小切削厚度可以到1nm(如圖3所示)。超精密切削使用的單晶金剛石刀具是重要關(guān)鍵,要求刃口磨得極為鋒銳,刃口半徑在0.5~0.01μm。因刃口半徑甚小,過去測量極為困難,現(xiàn)在可以用原子力顯微鏡(AFM)進行測量,測量就比較方便。圖4中是用AFM測量金剛石刀具刃口半徑得到的測量結(jié)果。3.2切削厚度對破損痕跡的影響超精密切削機理的研究近年來亦有不少進展。例如超精密切削脆性材料時,加工表面可以不產(chǎn)生脆性破裂痕跡而得到鏡面,這涉及極薄切削時的脆性材料塑性切除的脆塑轉(zhuǎn)換問題,最近提出不少新見解。圖5中所示,是超精密切削玻璃時的實驗結(jié)果,可見到開始時切削厚度甚小,切除為塑性去除,加工表面無脆性破損痕跡。隨切削厚度增加,塑性切除逐漸轉(zhuǎn)化成脆性破裂去除,加工表面可看到明顯的脆性破損痕跡。對于超精密切削的過程機理研究,現(xiàn)在使用計算機仿真和分子動力學(xué)模擬等方法,獲得很好的效果,它一方面可以加深對極薄層材料切削去除機理的認識,同時可對切削效果作預(yù)報。圖6中所示是超精密切削時所形成的加工表面的計算機仿真模擬預(yù)測。圖7中所示,是對超精密切削過程的計算機仿真分子動力學(xué)模擬,采用該方法可看到切削極薄層材料時的動態(tài)切除過程,能對切除過程作動畫演示。超精密切削單晶材料時,由于單晶材料的各向異性、晶向不同,將明顯影響加工表面質(zhì)量和切削力。圖8中所示,是超精密車削單晶LiNbO3.3x光晶體的定向單晶金剛石刀具由于金剛石硬度極高,且晶體各向異性,刃磨極為不易。制造金剛石刀具和刃磨都需要晶體定向,過去使用X光晶體定向儀來定向,需要很貴重的儀器并且定向很費事。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功激光晶體定向新方法,設(shè)備較簡單,且操作方便,使金剛石晶體的定向大大簡化。圖10是金剛石激光晶體定向原理圖,圖11中是金剛石不同晶面的代表符號(上)、不同晶面的激光定向圖像(中)和顯示晶體結(jié)構(gòu)的各晶面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(下)。4超精機的進步4.1超精密機床發(fā)展超精密機床是發(fā)展超精密加工的極重要內(nèi)容。各發(fā)達國家都發(fā)展了多種超精密機床。超精密機床的發(fā)展方向:進一步提高超精密機床的精度,發(fā)展大型超精密機床,發(fā)展多功能和高效專用超精密機床。美國、英國、德國等在上個世紀70年代、日本在80年代,即開始生產(chǎn)超精密機床產(chǎn)品,可以批量供應(yīng)。大型超精密機床方面,美國于1986年由LLL國家實驗室研制成功加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床和加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學(xué)金剛石車床等兩臺大型超精金剛石車床,其中LODTM立式大型光學(xué)金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來又研制了大型6軸數(shù)控精密研磨機,用于加工大型光學(xué)反射鏡。英國Cranfield精加工中心于1991年研制成OAGM-2500(工作臺面積2500mm×2500mm)多功能三坐標聯(lián)動數(shù)控磨床,可加工(磨削、車削)和測量精密自由曲面,并且用此機床采用加工件拼合方法,加工成天文望遠鏡中的直徑7.5m的大型反射鏡。日本的多功能和高效專用超精密機床發(fā)展較好,促進了日本微電子和家電工業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的中型超精密機床產(chǎn)品的精度已明顯提高,美國Moore公司2000年生產(chǎn)的五軸聯(lián)動500FG超精密機床(見圖12),可作為典型代表,該機床不僅可加工精密回轉(zhuǎn)體非球曲面,并可加工精密自由曲面。機床空氣軸承主軸轉(zhuǎn)速20~2000r/min,主軸回轉(zhuǎn)誤差≤0.025μm。液體靜壓導(dǎo)軌由無刷直線電機驅(qū)動,直線度誤差≤0.3μm/300mm,定位精度0.3μm。烏克蘭某研究所研制成新工作原理超精密機床,如圖13a所示,工作原理如圖13b所示。工作時金剛石車刀圍繞刀具轉(zhuǎn)軸O-O4.2大直徑超精密機床。u過去相當長時期,由于受到禁運限制,我們難以進口國外的超精密機床。但在1998年我國數(shù)控超精密機床研制成功后,國外馬上對我國開禁,我國現(xiàn)在已經(jīng)進口了多臺超精密機床。我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位,現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機床。圖14a所示是北京機床研究所制成的加工直徑800mm的超精密車床,圖14b所示是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密車床,這兩臺機床有兩坐標精密數(shù)控系統(tǒng)和兩坐標激光在線測量系統(tǒng),可加工非球回轉(zhuǎn)曲面。圖14c所示是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用于激光倍頻,是大功率激光系統(tǒng)中的重要元件。在超精密機床技術(shù)方面,必須承認我們和國外相比還有相當大的差距,國產(chǎn)超精密機床的質(zhì)量尚待繼續(xù)提高。美國、英國、俄羅斯等三國都自己研制并擁有大型超精密機床。我國過去沒有大型超精密機床,因而無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件,這些大型超精密零件國外不賣給我們,因而對發(fā)展國防尖端技術(shù)受到很大限制?，F(xiàn)在我國正在研制加工直徑1m以上的立式超精密機床。目前我國在多功能和高效專用超精密機床方面基本還是空白。5精密研磨和研磨技術(shù)的發(fā)展5.1elid立法精密磨削和精密研磨技術(shù)國外這幾年也有不少進展。日本國家理化學(xué)研究所的大森整教授研制成功在線修整砂輪的ELID鏡面磨削新工藝,可以對多種不同材料零件(如鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃、硅片等)的平面、外圓和內(nèi)孔進行磨削,達到鏡面。圖15a是ELID鏡面磨削的原理圖。使用專制的鐵基結(jié)合劑的細粒度金剛石(或CBN)砂輪,在磨削時在線電解修整砂輪,電解修整砂輪用的電解液同時用作磨削液,要求電解液不腐蝕機床。圖15b中是用ELID鏡面磨削新工藝磨出的不同試件:光學(xué)玻璃平面、硅片平面和陶瓷內(nèi)孔,磨削表面粗糙度可以達到鏡面R5.2硅基片的生產(chǎn)精密研磨技術(shù)近年來亦有不少進展,特別是精研大直徑硅基片(用于大規(guī)模集成電路)的技術(shù)有很大提高。硅基片要求極嚴,不僅要求表面粗糙度值極小、沒有劃傷、平面度好,而且要求表面沒有加工變質(zhì)層。我國現(xiàn)在己能生產(chǎn)8~10寸的硅基片,正研制加工12寸的硅基片,但都是采用國外引進的工藝,使用進口的設(shè)備。亟需自主研究開發(fā)10~12寸硅基片的制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備。6非球俱樂部精密加工技術(shù)的進步6.1回轉(zhuǎn)體非球曲面超精密機床高精度非球曲面和自由曲面現(xiàn)在應(yīng)用日廣,相應(yīng)的加工制造技術(shù)亦發(fā)展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可以用磨削方法加工。日本以超精密車床為基礎(chǔ),結(jié)合ELID鏡面磨削技術(shù),發(fā)展了加工回轉(zhuǎn)體非球曲面的ELID精密數(shù)控鏡面磨床(見圖16);后來又發(fā)展了三坐標聯(lián)動數(shù)控ELID精密鏡面磨床,可加工精密自由曲面,達到鏡面?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的超精密數(shù)控金剛石車床,一般都帶有磨頭,可以用磨頭代替金剛石車刀來磨制回轉(zhuǎn)體非球曲面。國外還發(fā)展了多種多坐標數(shù)控磨床,可用于磨制各種精密自由曲面。6.2曲面拋光技術(shù)高精度自由曲面現(xiàn)在多數(shù)最后使用拋光工藝。國外已有多種帶在線測量系統(tǒng)的多坐標數(shù)控研磨拋光機床,圖17所示是日本Canon公司的一臺用于最后拋光曲面光學(xué)鏡片的精密曲面拋光機床,它具有三坐標數(shù)控系統(tǒng),使用在線測量。加工曲面時,可根據(jù)實測的鏡片曲面的誤差,控制拋光頭的拋光時間和壓力,使曲面拋光工藝達到半自動化。美國過去研制了大型6軸數(shù)控精密研磨機,已用于加工大型光學(xué)反射鏡。不久前美國在南卡里羅那州又研制成直徑8.4m的大型光學(xué)反射鏡,如圖18所示。制造此大型光學(xué)反射鏡,沒有制造大型研磨拋光機床,采用現(xiàn)場光學(xué)玻璃熔化鑄造,在現(xiàn)場用多路激光對型面進行在線精度檢測,根據(jù)測得的幾何形狀誤差,用帶研磨頭的小設(shè)備進行局部研磨拋光,用螞蟻啃骨頭的方法研制成大型高精度光學(xué)反射鏡。國外最近發(fā)展了幾種曲面的精密研磨拋光新加工方法:磁流體拋光、氣囊拋光和應(yīng)力盤拋光。(2)磁流體拋光加工磁流體拋光的原理是用永久磁鐵或電磁鐵工具,將混有磨料的磁流體吸附在工具端部,對工件表面進行拋光。圖19a所示為磁流體拋光用的電磁鐵工具,通電后磁流體可吸附在這工具的端部,進行拋光加工。圖19b為另一種形式的磁流體拋光加工系統(tǒng),原理都是類似的。由于磁流體外形可以隨工件外形而自動變化,因此對磁鐵工具外形要求不嚴格,較容易加工制造?？梢杂闷矫婊蚯蛎婀ぞ呶酱帕黧w進行拋光。也可用桿狀工具,一端吸附磁流體,代替立銑刀在多軸聯(lián)動數(shù)控機床上對自由曲面進行拋光。磁流體拋光可使加工表面達到很高的質(zhì)量。(3)膠皮氣流的加工氣囊拋光新工藝方法是不久前英國Zeeko公司研制成功的,這是一種加工精密曲面的新工藝方法。圖20a所示是Zeeko氣囊拋光曲面方法的工作原理。拋光工具工作端是外面包有磨料薄膜層的膠皮氣囊,拋光工具結(jié)構(gòu)如圖20b所示。拋光工作時,工具氣囊旋轉(zhuǎn)形成拋光運動,工件對氣囊拋光工具作相對的進給運動,(一般是工件作三軸聯(lián)動的進給運動),使工件的全部表面都被能拋光加工到。拋光工作時,工具氣囊還需同時作擺動(擺動中心為汽囊曲面的曲率中心),使磨料薄膜層的磨損均勻。由于工具氣囊充氣后具有彈性,可以自動適應(yīng)工件的曲面形狀,故同一工具可用于拋光外形曲率不同(但相近)的曲面。這新的曲面拋光方法可以加工非球回轉(zhuǎn)曲面,也可加工自由曲面,加工出的拋光表面可達很高的表面質(zhì)量。(4)應(yīng)力盤拋光技術(shù)這方法用大尺寸彈性盤為工具基盤,在周邊可變應(yīng)力的作用下,盤的面形可以實時地變形成所需要的面形,與非球面工件的局部面形相吻合,進行研磨拋光加工。應(yīng)力盤拋光技術(shù)具有優(yōu)先去除表面最高點或部位的特別點,具有平滑中高頻差的趨勢,因此不僅加工表面質(zhì)量好,并且有較高的加工效率。圖21a中是這種應(yīng)力盤拋光設(shè)備,圖21b是應(yīng)力盤實現(xiàn)方法的原理結(jié)構(gòu)圖。6.3彩色圖形的計算機檢測精密自由曲面的檢測技術(shù)是一個技術(shù)難題,近年有較大進展?，F(xiàn)在常用非接觸式激光干涉形貌測量法,如WykoNt8000型非接觸式激光干涉形貌測量儀,測量分辨率0.1nm,測高量程8mm,在低分辨率測量擋時,測量范圍更大。用精密形貌測量儀測出表面廓形上各點的坐標尺寸,再將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維立體彩色圖形。圖22所示,就是將激光干涉形貌測量結(jié)果進行計算機圖形處理,得到三維立體彩色圖形的過程。自由曲面測量結(jié)果的評定,將因自由曲面性質(zhì)不同而異。自由曲面可分為已知設(shè)計模型(CAD模型)和未知設(shè)計模型兩類,這是一項較難的技術(shù),需將實際測得的工件廓形和理論正確的廓形對比,而得出工件廓形的誤差,這需要進行極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。但由于近年來計算技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)在已有多種軟件可進行測量結(jié)果的評定。激光干涉形貌測量儀的測量分辨率很高,測出的自由曲面的表面輪廓圖形是包含了表面形貌和表面粗糙度(微觀形貌)的綜合圖形,因此不能像測平面那樣直接根據(jù)被測表面的微觀廓形作其表面粗糙度的評定,而需要將該表面的基準自由曲面進行分離,然后才能得到能作表面粗糙度評定的表面微觀廓形。圖23所示為測量自由曲面時粗糙度評定的實例,其中圖23a所示為用激光干涉形貌測量儀測得的原始測量面,圖23b所示為該自由曲面的理論基準曲面,圖23c所示為經(jīng)理論基準曲面分離后的可進行粗糙度評定的微觀廓形表面。7mems/光刻技術(shù)過去30年集成電路技術(shù)獲得飛躍的發(fā)展,現(xiàn)以全球最大的芯片制造商英特爾公司(Intel)的計算機芯片為例說明集成電路的發(fā)展。英特爾公司自1971年開始生產(chǎn)計算機芯片以來,已更新?lián)Q代十多次。芯片的性能和集成度,在這一次次的更新?lián)Q代中得到大幅度提高。1971年英特爾公司的4004芯片,時鐘速度僅為108kHz,內(nèi)含晶體管2300個,最小線寬為10μm;1999年英特公司的PentiumIII芯片(奔騰III芯片),時鐘速度已經(jīng)高達1GHz,在面積為217mm現(xiàn)在制造集成電路的光刻技術(shù)使用的光波是紫外光(光波長為0.24μm),已達到的最小線寬為0.13~0.1μm。從理論分析該光刻加工技術(shù)的極限線寬為0.08μm。光刻中最小的光刻線寬和光波的波長有關(guān),光刻時的光斑直徑等于半波長。國外正在研究進一步縮小芯片上電子元件的尺寸和光刻的線寬,這需要使用更短波長的超紫外光曝光光源。使用超紫外光的光刻方法,將有可能使光刻的線寬達到70nm以下。但是超紫外光會被空氣吸收,因此,光刻需在真空中進行,這對大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)將增添困難。國外現(xiàn)在制造超大規(guī)模集成電路使用12″晶片,制造時用數(shù)字控制柔性生產(chǎn)線加工,因此,新設(shè)計的集成電路塊能很快試制出來,并且能接受生產(chǎn)批量不很大的集成電路,價格也不很貴。我國微電子工業(yè)近年獲得飛躍發(fā)展,已能生產(chǎn)多種較復(fù)雜的大規(guī)模集成電路芯片,但使用的設(shè)備和生產(chǎn)工藝基本都是從國外引進,一些最新技術(shù)和加工設(shè)備,國外還對我們封鎖保密。我國現(xiàn)在制造大規(guī)模集成電路的水平是:已能用10″硅晶片生產(chǎn)制造大規(guī)模集成電路,光刻能達到的最小線寬為0.18~0.13μm。我們正在努力自主研究開發(fā)12″晶片和線寬0.13~0.1μm的超大規(guī)模集成電路的制造技術(shù),希望微電子工業(yè)的制造水平能盡快趕上世界先進水平。8微細機械制造技術(shù)的發(fā)展隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展和擴大應(yīng)用,微型機械和微機電系統(tǒng)技術(shù)亦迅速發(fā)展并應(yīng)用日廣,相應(yīng)的精密微細加工和微型零件及微機械的精密制造技術(shù)亦獲得迅速的發(fā)展。為了制造微型零件和微機械,精微機械加工發(fā)展迅速,現(xiàn)己達較高水平。精微電火花加工、精微超聲振動加工、精微準分子激光加工、精微塑性成型加工等,均已用于加工精密微米級尺度的微小機構(gòu)零件。此外還發(fā)展了不少專用的新工藝:例如立體光刻技術(shù)、LIGA技術(shù)、犧牲層工藝等。并已開發(fā)了微型機械的自動裝配技術(shù)和微型機械制造廠等。這里只介紹精密微細機械加工技術(shù)的最新進展。8.1微圖形結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡(AFM)的探針尖一般是使用高硬度材料制造,例如用金剛石或Si圖25中所示,是哈工大納米技術(shù)中心用AFM探針尖雕刻加工出的三個不同的微圖形結(jié)構(gòu)。其中圖25a是“HIT”圖形結(jié)構(gòu),從它的截形可看到,用這種方法可以雕刻出較窄而深的溝槽,溝槽側(cè)壁陡峭,表面光滑。圖25b是一個圓形凹坑結(jié)構(gòu),這圓形凹坑直徑約20μm,深度約350nm。圖25c是雕刻出的另一微結(jié)構(gòu),微結(jié)構(gòu)中有4個4μm×4μm方形凹槽。從上面的實例可看到用AFM針尖可以在試件表面直接雕刻出有較高精度的不同圖形微結(jié)構(gòu)。8.2微機械零件加工精微機械加工是微機械及微機電系統(tǒng)中制造微型器件的重要方法,其特點是能加工復(fù)雜微結(jié)構(gòu),并且加工效率高,加工精度和質(zhì)量高。近年來國外新發(fā)展了多種精密微型機床,能夠高精度高效率地制造微型零件?，F(xiàn)在已能用金剛石刀具車削直徑10~20μm的微針,使用精密磨削已加工出8μm鎢針,使用微鉆頭能加工出直徑30~50μm的微孔。現(xiàn)在國外已生產(chǎn)主軸轉(zhuǎn)速50000~100000r/min的微型銑床和加工中心,能用微型立銑刀進行微結(jié)構(gòu)的銑削。圖26是用微型立銑刀加工精密微結(jié)構(gòu)的示意圖。圖27是銑制的端部微細密齒件,由于端部的齒極細極密,精度要求嚴格,加工難度甚大。加工微結(jié)構(gòu)的銑刀,現(xiàn)在常用金剛石磨成,圖28中是現(xiàn)用的微細銑刀的不同結(jié)構(gòu),其中雙刃形銑刀因磨制困難,很少使用;三角形截面銑刀現(xiàn)在用得較多,但因是負前角切削,使用效果不佳;半圓截形的單刃銑刀,磨制方便,使用效果最好。微細銑刀根據(jù)加工件要求,可以磨成圓柱形或圓錐形;加工曲面時,端刃可磨成圓弧形?，F(xiàn)在國外(美國、日本等)還生產(chǎn)了能加工自由曲面