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精益求精的制造

时间:2021-10-13 百科知识 版权反馈
【摘要】:超精密加工技术起源于美国20世纪60年代初期,它是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺。超精密加工的加工精度目前正在向纳米级发展。装有高精度陀螺仪精确制导的导弹就是这样一种百发百中的武器。通常精确制导武器包括精确制导的导弹、航空炸弹、炮弹、鱼雷、地雷等武器。超精密加工机理涉及微观世界和物质内部结构,可利用的能源有机械能、光能

第三节 精益求精的制造

一、超精密加工技术的地位

回顾刚刚过去的20世纪,人类取得的每一项重大科技成果,几乎都与制造技术,尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上,超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。

超精密加工技术起源于美国20世纪60年代初期(于1962年首先研制成功超精密车床),它是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺。它综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、计算机技术和测量技术等新技术。超精密加工的加工精度目前正在向纳米级发展。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。

如果你对现代战争有一点了解,就一定对制导武器尤其是制导导弹有深刻的印象。而制导技术中的一个关键设备就是陀螺仪,陀螺仪是在动态中保持相对跟踪状态的装置。陀螺仪的关键是轴的不变性。这样的特性,看起来虽然简单,但能应用在许多不同的场合。制导武器就是陀螺仪的重要应用之一。在惯性制导中,陀螺仪是控制武器飞行姿态的重要部件,在剧烈变化的环境中,没有精心设计的陀螺仪以保证稳定性和准确性,再好的控制规律也无法命中目标。除了制导之外,陀螺仪还能够应用在其他的尖端的科技上。著名的哈勃天文望远镜的3个遥感装置中每个都装有一个陀螺仪和一个备份。3个工作的陀螺仪是保证望远镜指向所必不可少的。

陀螺仪正是因为它的平衡的特性,已经成为了飞行设备中关键的部件,从航模、制导武器、导弹、卫星、天文望远镜,无处没有它的身影,陀螺仪默默的工作保证了这些飞行设备能按照指定的方式去工作。

陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术,导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率,1kg的陀螺转子,其质心偏离对称轴0.0005μm,则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。中国有一句话叫做“百发百中”,由于超精密加工技术的支撑,现代的战争离这个目标越来越近了。装有高精度陀螺仪精确制导的导弹就是这样一种百发百中的武器。

军事历史上,第一次大规模使用精确制导武器的是1982年的英国和阿根廷的马岛之战。而在海湾战争和对南联盟的轰炸中更是大量使用了最新的精确制导武器。所谓精确制导武器,是以微电子、电子计算机和光电转换技术为核心的,以自动化技术为基础发展起来的高新技术武器,它是按一定规律控制武器的飞行方向、姿态、高度和速度,引导战斗部准确攻击目标的各类武器的统称。通常精确制导武器包括精确制导的导弹、航空炸弹、炮弹、鱼雷、地雷等武器。武器的精确制导系统通常由测量装置和计算机、敏感装置、执行机构等部分组成,主要是依靠控制指令信息修正武器的飞行姿态,保证武器的稳定飞行,直至命中目标。由于精确制导武器的优异特性,因此受到各国军界的青睐。

有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究,发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面,与超精密加工技术有密切的关系。可以说,没有高水平的超精密加工技术,就不会有真正强大的国防。

当前,超精密加工是指被加工零件的尺寸误差小于0.1μm,表面粗糙度Ra小于0.025μm以及所用机床定位精度分辨率重复性高于0.01μm的加工技术,亦称之为亚微米级加工技术,并且正在向纳米级加工技术发展。

二、超精密加工的技术现状

超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高,而且商品化的程度也非常高。

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末,由于航天等尖端技术发展的需要,美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为“SPDT技术”(single point diamond turning)或“微英寸技术”(1微英寸= 0.025μm),并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。如美国LLNL实验室和Y-12工厂在美国能源部支持下,于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM-3型,该机床可加工最大零件Φ2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜(包括X光天体望远镜)等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径),圆度和平面度为12.5nm,加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。

在超精密加工技术领域,英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉,它是当今世界上精密工程的研究中心之一,是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削,又带有磨头,也可进行超精密磨削,加工工件的形状精度可达0.1μm,表面粗糙度Ra<10nm。该研究所还研制成功了可加工X射线望远镜的金刚石切削机床。哈勃太空望远镜(图2-4)上的大型非球面反射镜超精密加工所用的OAGM2500六轴CNC超精密磨床也出自该研究所,OAGM2500六轴CNC超精密磨床主要用于光学玻璃等硬脆性材料的加工,其加工形状精度可达0.1μm。

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图2-4 哈勃太空望远镜

日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国,前者是以民品应用为主要对象,后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面,更加先进和具有优势,甚至超过了美国。

我国的超精密加工技术在20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一,研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等,成绩显著。但总体来说,我国在超精密加工的效率、精度可靠性,特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外比,与生产实际要求比,还有相当大的差距。

三、面向21世纪的超精密加工技术

1.不断探索新型超精密加工方法的机理

超精密加工机理涉及微观世界和物质内部结构,可利用的能源有机械能、光能、电能、声能、磁能、化学能、核能等,十分广泛。不仅可以采用分离加工、结合加工、变形加工,而且可以采用生长堆积加工;既可采取单独加工方法,更可采取复合加工法(如精密电解磨削、精密超声车削、精密超声研磨、机械化学抛光等)。

2.向高精度、高效率方向发展

随着科技的不断进步及社会发展的需求,对产品的加工精度、加工效率及加工质量的要求愈来愈高,超精密加工技术就是要向加工精度的极限冲刺,且这种极限是无限的,当前的目标是向纳米级加工精度攀登。

3.研究开发加工、检测一体化技术

由于超精密加工的精度很高,为此急需研究开发加工精度在线测量技术,因为在线测量是加工测量一体化技术的重要组成部分,是保证产品质量和提高生产率的重要手段。

4.提高在线测量与误差补偿的能力

由于超精密加工的精度很高,在加工过程中影响因素很多且复杂,而要继续提高加工设备本身的精度已十分困难,为此就必须采用在线测量加计算机误差补偿的方法来提高精度,保证加工质量。

5.向大型化、微型化方向发展

由于航天航空工业的发展,需要大型超精密加工设备来加工大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜)等。而开发微型化超精密加工设备则主要是为了满足发展微型电子机械、集成电路的需要(如制造微型传感器、微型驱动元件等)。

21世纪初的十年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键十年。磁性记录装置、激光打印机、液晶显示器、CD、DVD等使超精密加工获得了很大的发展。激光打印机也向彩色化、高速化、高品位、低价格化方向发展,液晶显示器也致力于大型化、高辉度化,这些对超精密加工来讲,提出了更高要求的技术课题。

超精密加工技术是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。目前超精密加工技术正处于蓬勃发展的阶段,各国竞相发展。随着与其相应的金刚石刀具刃磨、测量及环境控制等技术水平的不断提高,达到纳米级尺寸的加工已为期不远了。超精密加工技术对军事工业和民用工业已产生巨大的影响,它的发展和应用也必将给先进制造技术注入新的活力。

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