歲月如歌：超精密加工簡(jiǎn)史

寂靜天花板

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)。
       超精密加工技術(shù)市場(chǎng)是國家尖端技術(shù)集中的象征，尤其是國防、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)國家都把它放在國家技術(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)，國外技術(shù)封鎖嚴(yán)格，因?yàn)樯婕暗亩际歉呔�尖技術(shù)。
4 D( ]# f! `" X( k       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潤滑軸承，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。
6 Y  t' L2 a/ c2 [4 T3 k3 J% j       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。
       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％。—些高精度瞄準(zhǔn)系統(tǒng)要求小型化，所以用少量非球面鏡來代替復(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。
1 A) k# q9 z' M& J1 e: C0 Z: }4 h       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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7 x4 D$ q( _* G2 @20世紀(jì)80年代，美國聯(lián)合碳化物公司、Moore公司和美國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。
3 d# |) o5 ?! J% E: N0 ?       20世紀(jì)80年代中后期，美國通過能源部“激光核聚變項(xiàng)目”和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”，對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(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，美國著名的勞倫斯·利弗莫爾國家實(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)錄至今無人能及！

5 O$ J# h$ `  s       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，通過測(cè)量和修正來達(dá)到)，位移誤差不超過0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉儀來測(cè)量和反饋控制達(dá)到)，主軸溜板運(yùn)動(dòng)偏擺小于0.057″(通過兩路激光干涉儀測(cè)量，壓電陶瓷修正來實(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。
5 h1 ?4 W. V0 R* ]美國LODTM大型金剛石車床，代表了超精密加工設(shè)備的最高水平
3 Y; C+ |6 w! }! F' |( ~美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LivermoreLLNL）在超精密加工領(lǐng)域?qū)嵙π酆瘢�哈勃太空望遠(yuǎn)鏡鏡片、美國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。
https://www.llnl.gov/
        事實(shí)上，美國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年代就開始了，因?yàn)槊绹�政府發(fā)現(xiàn)私人企業(yè)沒有經(jīng)濟(jì)實(shí)力能夠承擔(dān)為國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)，取得了無與倫比的成就，至今無人能夠超越，20多年竟然無人超越，不禁讓人仰止！
5 b  s3 m( K* j: C  Q" NLLNL的另外一件神器DTM-3

- |# @4 K( C  a7 h' j# d& C       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。不過這臺(tái)設(shè)備不大，和OAGM2500不是一種級(jí)別的。
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，但只要一說起其精密工程研究所，則令工業(yè)界肅然起敬，這是英國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，但由于英國傳統(tǒng)學(xué)術(shù)背景強(qiáng)調(diào)的是理論研究，所以各國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�國沒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。

OAGM2500大型CNC超精密磨床是為美國的Kodak-Rochester開發(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。
) w: W2 M/ M3 U0 Y/ X& I$ N: `2 A( `
& Z8 w2 H/ C% g3 @0 V5 J* E目前,超精密加工技術(shù)領(lǐng)域里，美國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穆爾。
1 P- j4 E- Q4 j4 O8 p% s( Z; E3 n       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Rochester大學(xué)COM (CenterforOptics Manufacturing)加工中心合作，在美國國防部(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。

6 C4 r3 _0 Q* \- F0 G       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！
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。
剪切阻尼隔振系統(tǒng)

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

4 k; W! V0 X8 p( C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
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  n, O: o9 ^5 H# v6 C納米級(jí)快速機(jī)床伺服系統(tǒng)
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- p* m; ?0 e) \+ z帶位置控制的工作主軸
+ G) z2 Z- ]; b% t3 q9 J/ U
9 e0 N; c# l" {; K& H2 V# p* W氣浮軸承B軸，它采用了直接驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(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
; b+ q! e0 i1 p' h- Y4 @美國做超精密加工設(shè)備的另外一個(gè)強(qiáng)人公司AMETEK Precitech Inc. 將參加中國SIOE-上海國際光電展覽會(huì) (Shangahi International Optoelectronic Exposition)和中國CIOE–中國國際光電博覽會(huì) (China International Optoelectronic Exposition)深圳（2011 年 9 月 6 日至 9 日）
       這個(gè)公司是美國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。
       Precitech 是一家超精密機(jī)床制造商，于 1992 年開始運(yùn)營，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）。
0 n- p/ C8 }0 j1 `7 S       Precitech 是美國制造技術(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)。
$ I  `% b- U2 Y- \4 h  Q       Precitech 已在全球推出超過 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。
' M. ~" j2 p  }# C        這個(gè)公司有中文網(wǎng)站，大家可以去看http://www.precitech.com/zh
" h4 d* Q; P  b  c3 d        近年來，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，其實(shí)就是公司雇傭了大量中國員工，并在中國成立了辦事處。這說明了什么？這說明在超精加工領(lǐng)域已經(jīng)逐漸對(duì)華開放。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、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。
2 n3 D/ q& i( W  h- D9 ^. w1 f- N$ x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，怎么著都磨練出來了。

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qianglong 發(fā)表于 2015-12-26 22:24
學(xué)習(xí)了

+ \% q3 L! ?, e這寫的那么多，感覺號(hào)厲害

青bj

感謝總結(jié)分享。