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關(guān)于精密和超精密加工,，目前的定義還不統(tǒng)一,，在不同的歷史時(shí)期，不同的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平情況下,，有不同的理解,。通常我們把被加工零件的尺寸精度和形位精度達(dá)到零點(diǎn)幾微米，表面粗糙度優(yōu)于百分之幾微米的加工技術(shù)稱為超精密加工技術(shù),。/ J& | G% R3 {6 y0 g
超精密加工技術(shù)市場(chǎng)是國(guó)家尖端技術(shù)集中的象征,，尤其是國(guó)防、航天,、電子等工業(yè),，它既是高代價(jià)、高投入的工藝技術(shù),，又是高增值,、高回報(bào)的工藝技術(shù)，世界工業(yè)先進(jìn)國(guó)家都把它放在國(guó)家技術(shù)和經(jīng)濟(jì)振興的重要位置,。但是,，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用很窄，但是要求極高,，所以非常關(guān)鍵,，中國(guó)在普通機(jī)床領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展很快，但在這個(gè)行業(yè),，國(guó)外技術(shù)封鎖嚴(yán)格,，因?yàn)樯婕暗亩际歉呔饧夹g(shù)。
% s9 I: H' ~* P1 C* { 例如慣性導(dǎo)航儀器系統(tǒng)中的氣浮陀螺的浮子及支架,、氣浮陀螺馬達(dá)軸承等零件的尺寸精度,、圓度和圓柱度都要求達(dá)到亞微米級(jí)精度；人造衛(wèi)星儀器軸承是真空無(wú)潤(rùn)滑軸承,，其孔和軸的表面粗糙度Rα達(dá)到1 nm,，圓度和圓柱度均為納米級(jí)精度，這些零件都是用超精密金剛石刀具鏡面車削加工的,，也就是“單點(diǎn)金剛石車削”,。精密液壓控制系統(tǒng)中的精密伺服閥的閥芯與閥套的配合精度也常在亞微米等級(jí)，它是用超精密磨削方法加工的,。
) h4 \3 A' @ u; \2 |9 d6 } 超精密異形零件例如航空高速多瓣防滑軸承的內(nèi)滾道,、激光陀螺微晶玻璃腔體，都是用超精密數(shù)控磨削加工而成的,。陀螺儀框架與平臺(tái)是形狀復(fù)雜的高精度零件,，是用超精密數(shù)控銑床加工的。
9 c, s! X- E! f3 A, p 超精密光學(xué)零件加工如激光陀螺的反射鏡的平面度達(dá)0．05μm,，表面粉糙度Rα達(dá)0．001μm,、它是由超精密拋研加工、再進(jìn)行鍍膜而成，最終要求反射率達(dá)99．99％,�,！�高精度瞄準(zhǔn)系統(tǒng)要求小型化，所以用少量非球面鏡來(lái)代替復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),。這些非球鏡是用超精密車,、磨、研,、拋加工而成的,。
5 q6 Y1 a9 A' L% D 另外近期二元光學(xué)器件的理論研究進(jìn)展很大，二元光學(xué)器件的制造設(shè)備是專用的超精密加工設(shè)備,。比如在民用的隱形眼鏡就是用超精密數(shù)控車床加工而成的,。計(jì)算機(jī)的硬盤、光盤,、復(fù)印機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成的,。
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20世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司,、Moore公司和美國(guó)空軍兵器研究所制定了一個(gè)以形狀[size=+0]精度為0.1μm,、直徑為800mm的大型球面光學(xué)零件超精密加工為目標(biāo)的超精密機(jī)床研究計(jì)劃——POMA(Point One MicrometerAccuracy)計(jì)劃，這是一個(gè)里程碑式的研究計(jì)劃,。5 v: E, a3 N1 H0 X% t% P/ m: E
20世紀(jì)80年代中后期,，美國(guó)通過(guò)能源部“激光核聚變項(xiàng)目”和陸、海,、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃”,，對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開(kāi)發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力,，實(shí)現(xiàn)了大型零件的超精密加工,。到1984年，美國(guó)著名的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出一臺(tái)大型光學(xué)金剛石車床(Large Optics DiamondTurning Machine,，LODTM),，至今仍代表了超精密加工設(shè)備的最高水平，其創(chuàng)造的紀(jì)錄至今無(wú)人能及,！
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! O& J$ z2 q7 F4 p9 i" X. | 該機(jī)床可加工直徑為2.1m,，重為4.5t的工件。采用高壓液體靜壓導(dǎo)軌,，在1.07m×1.12m范圍內(nèi)直線度誤差小于0.025μm(在每個(gè)溜板上裝有標(biāo)準(zhǔn)平尺,，通過(guò)測(cè)量和修正來(lái)達(dá)到)，位移誤差不超過(guò)0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉儀來(lái)測(cè)量和反饋控制達(dá)到),，主軸溜板運(yùn)動(dòng)偏擺小于0.057″(通過(guò)兩路激光干涉儀測(cè)量，壓電陶瓷修正來(lái)實(shí)現(xiàn))。激光測(cè)量系統(tǒng)有單獨(dú)的花崗巖支架系統(tǒng),，不與機(jī)床聯(lián)結(jié),。油噴淋冷卻系統(tǒng)可將油溫控制在（20±0.0025）℃。采用摩擦驅(qū)動(dòng),，運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)0.005μm,。最終可實(shí)現(xiàn)加工大型光學(xué)零件直徑達(dá)1.4m，面形精度為 0.025μm,，表面粗糙度Ra≤5nm,。3 x+ F* i% \9 U1 Z7 h
美國(guó)LODTM大型金剛石車床，代表了超精密加工設(shè)備的最高水平
; V7 N4 \9 J. N: l' T7 V美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LivermoreLLNL）在超精密加工領(lǐng)域?qū)嵙π酆�,，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡鏡片,、美國(guó)軍艦的激光陀螺儀平面發(fā)射鏡、紅外導(dǎo)彈制導(dǎo)頭反射鏡,、導(dǎo)彈慣導(dǎo)器件,、受控激光聚變反射鏡等這些產(chǎn)品的精密超精密光學(xué)加工，基本上都是該實(shí)驗(yàn)室的成果,。但LLNL是個(gè)科研性質(zhì)的單位,，有個(gè)精密工程precision engineering部，研制超精密機(jī)床主要就在這個(gè)部門,。但他們又不完全是為了單純研制機(jī)床,，而是深入研究包括基礎(chǔ)研究、新工藝,，以及超精密測(cè)量技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域,，所以象LODTM這樣的大型設(shè)備除非有國(guó)家需求，一般不是主要目的,，現(xiàn)在他們基本上是尋找合適的企業(yè)界合作伙伴完成,，如MOORE等。- W2 I+ B5 d: @ D
https://www.llnl.gov/! g% O2 u) @+ }
事實(shí)上,，美國(guó)做超精密的最早還是企業(yè),，聯(lián)合碳化物公司，他們62年就開(kāi)始做可加工100 mm 的半球,尺寸精度±0.18 μm ,粗糙度Ra01002 5μm的超精密車床,。其實(shí)LLNL研究超精密加工在50年代就開(kāi)始了,，因?yàn)槊绹?guó)政府發(fā)現(xiàn)私人企業(yè)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)實(shí)力能夠承擔(dān)為國(guó)家核武器工程提供高質(zhì)量的加工、測(cè)試手段,，所以才啟動(dòng)了這個(gè)計(jì)劃,，將那批人集結(jié)到LLNL，首先開(kāi)發(fā)出稱為“SPDT”( Single Point Diamond Turning) 的單點(diǎn)金剛石刀具的超精密切削技術(shù),，取得了無(wú)與倫比的成就,，至今無(wú)人能夠超越,，20多年竟然無(wú)人超越，不禁讓人仰止,！( q+ X! I1 O1 {# s: O
LLNL的另外一件神器DTM-3
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- I |: O! T% { 最新的是PO-GAL金剛石車磨復(fù)合機(jī)床,。這是LLNL2003年立項(xiàng)，為滿足更大口徑光學(xué)零件以及硬脆材料光學(xué)零件的超精密磨削加工的需求,，2006年開(kāi)發(fā)的下一代超精密光學(xué)加工設(shè)備PO-GAL光學(xué)車磨復(fù)合機(jī)床,，其主軸的軸向、徑向精度技術(shù)指標(biāo)為50nm,。不過(guò)這臺(tái)設(shè)備不大,，和OAGM2500不是一種級(jí)別的。
9 s" c+ u- M! G- ?7 n* P; t另外一個(gè)在超精密加工領(lǐng)域處于頂級(jí)水平的就是英國(guó)Cranfield大學(xué)的精密工程研究所,。盡管同牛津,、劍橋相比不那么有名，但只要一說(shuō)起其精密工程研究所,，則令工業(yè)界肅然起敬,，這是英國(guó)5所工程技術(shù)類大學(xué)之一，在航空航天,、汽車,、制造業(yè)領(lǐng)先科技方面是英國(guó)最好的之一。CUPE和LLNL雖然都是做光學(xué)零件的超精密加工,，但側(cè)重點(diǎn)不同,。CUPE從事超精密加工研究也很早，但由于英國(guó)傳統(tǒng)學(xué)術(shù)背景強(qiáng)調(diào)的是理論研究,，所以各國(guó)超精密研究成果很多就是在CUPE的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行,。CUPE的約翰•洛薩姆和帕克•麥柯溫教授至今仍是超精密加工領(lǐng)域的大牛。因?yàn)橛?guó)沒(méi)有可以讓人施展的產(chǎn)業(yè)化空間,，從CUPE出去了很多人,，包括LLNL。如果以金剛石車床而言,，LLNL可以算第一,；但以大型超精密機(jī)床而言，公認(rèn)是OAGM2500,。該所研制的ORGM2500六軸數(shù)控超精密磨床至今仍和LODTM并稱超精密加工領(lǐng)域的2面紅旗,。此外Nanocenter250、Nanocenter600非球面光學(xué)零件車床和大型超精密金剛石鏡面車床也是該所的經(jīng)典之作,。
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' R$ @' r H" Y+ P( \- _3 X! TOAGM2500大型CNC超精密磨床是為美國(guó)的Kodak-Rochester開(kāi)發(fā)的加工大型離軸非球面光學(xué)零件的機(jī)床,。加工尺寸:2.5m×2.5m×0.61m, 采用液體靜壓軸承和摩擦傳動(dòng)方式，激光干涉儀位置測(cè)量與反饋,，分辨率為2.5nm,；平面加工精度可達(dá)1μm,；表面粗糙度2～3nm，離軸非球鏡加工精度達(dá)2.5μm,。該超精密磨床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工工件拋光后再用柯達(dá)公司的2.5米離子束拋光設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行修形處理,，工件可達(dá)到很髙的精度。床身采用輕型鋼焊接結(jié)構(gòu),。中間用S100花崗巖和聚苯乙烯制成的人造花崗巖填充，可保證高剛度,，高度穩(wěn)定度和很強(qiáng)的振動(dòng)衰減能力,。' `) ^3 Q) F/ V- }: u
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目前,超精密加工技術(shù)領(lǐng)域里，美國(guó)MOORE公司仍然算得上是老大,，目前LLNL的很多設(shè)備都是該公司提供,。說(shuō)起MOORE，大家都知道他們的坐標(biāo)磨床很有名,，你可以股溝或擺渡下“二手坐標(biāo)磨床”,，不是瑞士豪澤就是美國(guó)穆?tīng)枴?font class="jammer">3 [& f1 M- q: J9 e7 Q0 R
該公司1997年為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要，將超精密加工部門分離組成了Moore Nanotechnology system,，生產(chǎn)研制Nanotech系列超精密機(jī)床,。1999年同美國(guó)Rochester大學(xué)COM (CenterforOptics Manufacturing)加工中心合作，在美國(guó)國(guó)防部(DoD)的資助下,，共同研制了Nanotech 500 FG五軸聯(lián)動(dòng)超精密自由曲面研磨機(jī)床,，該機(jī)床集成了Nanotech系列機(jī)床的所有優(yōu)點(diǎn)，機(jī)床床身采用整塊天然花崗巖并在z軸方向配有同類材料的升降裝置,，用以消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱變形,；床身與地面采用空氣隔振墊隔離；真空吸盤裝夾,，直流電機(jī)+精密滾珠絲杠驅(qū)動(dòng),，F(xiàn)anuc 15i數(shù)控系統(tǒng)，既可以單點(diǎn)金剛石車削有色金屬,、晶體和高分子材料,，也可以超精密磨削光學(xué)玻璃、陶瓷,、硬質(zhì)合金和黑色金屬,，最大加工工件范圍：軸對(duì)稱工件6500mm ×250mm，非軸對(duì)稱工件50mm×250mm×150ram,，最大加工工件重量55kg,，加工~b250mm高純度鋁合金或OFHC紫銅凸球面，面形精度0．2 n 5mm,，表面粗糙度Ra 6nm,，加工q,250mm SF12光學(xué)玻璃凸球面,，面形精度0．3t~m／4,75mln，表面粗糙度Ra 10nm,。機(jī)床具有多軸磨削和金剛石車削的能力,能夠加工大離軸扇形零件,實(shí)現(xiàn)了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ,加工工件具有光學(xué)表面質(zhì)量,通常很少需要或不需要后續(xù)拋光,。為了同該機(jī)床配套,還使用了磁流體拋光(MRF) 技術(shù)和可測(cè)量自由曲面的納米級(jí)測(cè)量精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。使用該機(jī)床能夠直接磨削出共形光學(xué)零件,加工零件的面形精度優(yōu)于0. 375μm( P - V 值) ,表面粗糙度優(yōu)于Ra0. 002 7μm,。
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# w/ X. a7 D" R$ O, a 這個(gè)自由曲面磨床是加工共型光學(xué)元件的關(guān)鍵設(shè)備,，所謂共型共形光學(xué)零件Freeform Optics，就是一種高性能任意形狀的光學(xué)零件,，比球面,、平面、輕度非球面具有更好的空氣動(dòng)力性能,。共形光學(xué)指的是設(shè)計(jì),、制造和使用既不是平面也不是球面的光學(xué)窗口和整流罩，包括軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱零件,，以及與非球面,、球面、圓柱面,、圓錐面,、平面和尖頂形狀組合的零件。飛機(jī)的光學(xué)窗口和導(dǎo)彈上的整流罩安裝有光學(xué)系統(tǒng),，用于導(dǎo)航,、跟蹤和偵察，其形狀一般為球面和平面,，這有一定的阻力,。以前，設(shè)計(jì)師對(duì)此沒(méi)有別的選擇,但現(xiàn)在可以采用共形光學(xué)零件,，它能夠優(yōu)化飛機(jī)外形以符合動(dòng)力性能要求,，顯著減小阻力；同時(shí)能優(yōu)化飛機(jī)形狀,，以使雷達(dá)上的(或用其他方法檢測(cè)出的) 反射截面積最小,，從而具有更好的隱身性能。共形光學(xué)元件替代球面光學(xué)窗口還能夠提供大的視場(chǎng),。這個(gè)共形光學(xué)零件最典型的就是F-35上的光電跟蹤系統(tǒng)（EOTS）窗口,！4 p8 I x* n& G
MOORE作為超精密加工設(shè)備制造企業(yè)，還有很多產(chǎn)品,，也就是超精密加工附件,，下面就給大家簡(jiǎn)單介紹，以方便大家了解超精密加工,，這些附件都是超精密加工不可缺少的,，從原理上說(shuō)和傳統(tǒng)加工方法類似,，但是其中涉及到精密測(cè)量、精密控制,，這些是實(shí)現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵,。
. ]0 f8 R9 j) R) Q3 J$ N# S剪切阻尼隔振系統(tǒng)# s1 n* M+ Q9 F8 r
; L$ \& _3 B5 p. h$ g: f風(fēng)淋室溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作間溫度控制+/-0.1度
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M4 e* B t! g( X# k可拆卸垂直Y軸,，具有1納米編程能力和34皮米反饋控制精度( z, d, k* s, b* c- p3 V# z
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納米級(jí)快速機(jī)床伺服系統(tǒng)% k G* n3 A" R6 K8 X
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帶位置控制的工作主軸
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氣浮軸承B軸,，它采用了直接驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和高分辨率編碼器，徑向和軸向運(yùn)動(dòng)誤差小于50納米
/ I$ z1 A8 K' {& @ K0 ]5 w美國(guó)做超精密加工設(shè)備的另外一個(gè)強(qiáng)人公司AMETEK Precitech Inc. 將參加中國(guó)SIOE-上海國(guó)際光電展覽會(huì) (Shangahi International Optoelectronic Exposition)和中國(guó)CIOE–中國(guó)國(guó)際光電博覽會(huì) (China International Optoelectronic Exposition)深圳（2011 年 9 月 6 日至 9 日）" s( O2 K7 ]8 g
這個(gè)公司是美國(guó)新罕布什爾州基恩市的一家超精密機(jī)床制造商,。公司大約有 100 名才華橫溢的員工,，最近竣工的辦公大樓占地60,000 平方英尺。! U" j, }; J; W, A* i6 H
Precitech 是一家超精密機(jī)床制造商,，于 1992 年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，具有豐富的機(jī)床制造史,，其前身是 1962 年成立的 Pneumo Precision,。1997 年 10 月，Taylor Hobson 的 Pneumo 超精密機(jī)床部門（之前的 Rank Taylor Hobson / Rank Pneumo）與 Precitech 合并,。Precitech 作為此合并公司實(shí)體的名稱繼續(xù)沿用,。目前，所有辦事處和制造工廠均位于 44 Blackbrook Road in Keene, New Hampshire（新罕布什爾州基恩市的 44 Blackbrook 大街）,。
f" Y) C" c5 V& Q& H! Q: f! E; } Precitech 是美國(guó)制造技術(shù)協(xié)會(huì) (Association of Manufacturing Technology, AMT) 的成員之一,，并與多家專業(yè)協(xié)會(huì)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有著密切協(xié)作，例如,，德國(guó)弗勞恩霍夫研究所 (Fraunhofer Institute) 的超精密技術(shù)研究社區(qū) (Research Community for Ultra Precision Technology),、美國(guó)精密工程學(xué)會(huì) (American Society for Precision Engineering, ASPE) 和歐洲精密工程與納米技術(shù)學(xué)會(huì) (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, EUSPEN)。
3 L4 w* o1 ^$ @% H8 f Precitech 已在全球推出超過(guò) 1200 款機(jī)床,，主要為單晶,、有色金屬和黑色金屬材料旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和自由形態(tài)應(yīng)用提供全面的超精密多軸金剛石車削、研磨,、切槽和銑削機(jī)床,。另外，我們還提供其他解決方案,，例如,，采用快刀和慢刀伺服加工技術(shù)的伺服加工。Precitech 現(xiàn)已推出由 Precitech 獨(dú)家設(shè)計(jì)和制造的下一代氣浮主軸,。我們的新型 HydroRound 靜壓旋轉(zhuǎn)軸承專門用于 3 軸普通金剛石車削和平行研磨機(jī)床及 4 軸和 5 軸銑削和研磨機(jī)床,。核心產(chǎn)品線包括 Nanoform®、Freeform®,、Optoform® 和 Planoform®,。這些系統(tǒng)主要應(yīng)用于可見(jiàn)光和紅外線,、光學(xué)模塑成型、眼科,、機(jī)械組件和光通信領(lǐng)域,。) Y1 n: f; T% a
這個(gè)公司有中文網(wǎng)站，大家可以去看http://www.precitech.com/zh$ x9 w6 A6 h6 z4 T
近年來(lái),，很多做超精密加工的企業(yè)如雨后春筍般地加上了中文網(wǎng)頁(yè),，其實(shí)就是公司雇傭了大量中國(guó)員工，并在中國(guó)成立了辦事處,。這說(shuō)明了什么,？這說(shuō)明在超精加工領(lǐng)域已經(jīng)逐漸對(duì)華開(kāi)放。建議大家去機(jī)床展看看,，會(huì)收獲不小,。 具有做精密儀器傳統(tǒng)的瑞士、德國(guó),、日本的很多企業(yè)都是中小型的,但是他們的員工很少跳槽,，經(jīng)年累月地呆在一個(gè)企業(yè)里專干一種或者幾種活，所以手藝磨練的爐火純青,。
# }5 i% S/ [% }0 K$ i% v) _; b, x: Q瑞士人為什么在鐘表,、機(jī)床、精密儀器等領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,？他們的祖先都是農(nóng)民,，當(dāng)年也是從周邊地區(qū)逃入山地的，冬天時(shí)候大雪封山,，所以這些人就做手工藝,，制作鐘表零件和機(jī)械零件，逐漸的形成了傳統(tǒng),，并產(chǎn)生了獨(dú)特的“學(xué)徒制”職業(yè)教育模式,。所以瑞士青年2/3不上大學(xué)而是做學(xué)徒，能拿工資還能學(xué)技術(shù),，使得瑞士產(chǎn)品的品質(zhì)譽(yù)滿全球,。日本這類公司很多也帶有家族性質(zhì)，人不多,，但長(zhǎng)年在這里做,，怎么著都磨練出來(lái)了。
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發(fā)表于 2015-12-26 19:56:38
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