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超精密加工技術在新形勢下面臨的任務?

2018-12-27  來自: 焦作市誠恩機械有限公司 瀏覽次數:65

  超精密加工技術在新形勢下面臨的任務超精密加工技 術是適應現代高技術需要而發展起來的先進制造技術,它綜合應用了機械技術發展的新成果以及現代電子、傳感技術、光學和計算機等高新技術,是高科技領域中的 基礎技術,在國防科學技術現代化和國民經濟建設中發揮著至關重要的作用,同時作為現代高科技的基礎技術和重要組成部分,它推動著半導體技術、光電技術、材 料科學等多門技術的發展進步。超精密加工技術已成為國防工業研制現代化武器裝備的關鍵技術,也是衡量一個國家科學技術水平的重要標志。

1 從現代幾次戰爭的特點認識超精密加工技術的重要性

  從上個世紀九十年代 開始的幾次局部戰爭中,包括第一次海灣戰爭(1992年)、科索沃戰爭(1996年)、阿富汗戰爭(1999年)以及剛剛結束的 第二次海灣戰爭(2003年),世界各國已經越來越清楚地認識到高科技對戰爭進程及最終結果的影響。如果說過去的戰爭主要靠“數量”和“速度”的話,現在 高科技、智能化武器則起了決定作用。高技術、智能化武器具有高能效、高精度等特點,武器的高精度必然要求其元部件的高精度,從而必須具備高精度的制造技術 才能生產出來。美國及其盟國正是由于多年來大力發展包括超精密加工技術在內的先進制造技術,突破了制造技術中的許多關鍵使其發展到實用階段,才具備了生產精確制導、夜視設備等高技術武器的能力。

1.1 精確制導武器的大量使用和超視距攻擊能力的提高

  剛剛結束的第二次海灣戰爭與第一次海灣戰爭、科索沃以及阿富汗戰爭相比,使用精確制導炸 彈的比例已經從6.8%、34%、66%上升到這次的接近 100%,制導方式也由慣性制導(INS)向激光制導、數字景像匹配末端制導以及全球衛星定位系統(GPS)制導方式發展,其中應用最廣的激光制導中所用 的許多激光元件如激光反射鏡、激光陀螺腔體、非球面透鏡等都要求非常高的精度和表面質量,這些元件將直接影響到制導精度。激光反射鏡的高精度高反射率的平 面、數字景像匹配末端制導需用的紅外探測及接受、紅外成像(碲鎘汞)等要求的高表面質量平面,只能通過超精密研磨才能進行高質量批量生產,而非球面反射鏡 和透鏡可利用CNC 超精密車削、磨削及拋光制成。

機載雷達是空中超視距攻擊的關鍵,其中微波器件波導管的制造技術對雷達性能有重要影響,波導管的品質因素與其表面粗糙度、精度有關,用超精密車削技術可以較容易地保證要求,從而最終保證雷達的性能。

1.2 夜戰能力的提高

  夜戰是未來戰爭空襲的主要手段,它可以使許多不受電子干擾而使用光學瞄準系統的常規武器失效,從而減小攻擊方的傷亡。夜戰中可利用前視紅外探測器、 激光測距器、微光夜視以及光柵電視等清楚的看到地面成像。夜視設備的使用包含直升機、裝夾車輛、導 彈、人員等。由于沙漠氣候炎熱,為了便于晚間作戰,這次 海灣戰爭中美國為每個士兵都配備了高清晰度的夜視設備,而且與前幾次戰爭相比重量大大減輕(400g),可以直接固定在頭盔上,從而提高了士兵作戰的靈活 性。上述裝置中,紅外成像是關鍵技術,其中關鍵元件碲鎘汞晶體要求很高的表面質量(低粗糙度、無劃痕、無變質層),需要用特殊的超精密研磨(如非接觸研 磨、機械化學研磨等)加工。夜視設備中同樣用到了非球面曲面光學元部件。

1.3 電子對抗技術的進步

  第二次海灣戰爭美軍大量使用了電子干擾和反輻射導 彈壓制了伊軍的通訊與雷達,使伊軍徹底失去了指揮、預警等能力,由于各地駐軍失去了與指揮部的聯 系,只能各自為戰,所以美軍的進展異常順利。電子對抗中本方的電子裝備必須具有極好的抗干擾能力與快速反應能力,利用砷化鎵半導體制成的大規模集成電路與 傳統的半導體硅相比,具有速度快、工作可靠、抗輻射能力強等特點。砷化鎵半導體器件的制造需要一整套超精密磨削、研磨、拋光工藝以及刻劃等外延設備。此 外,美國軍用大規模集成電路的刻劃必須要有一整套超精密加工及微細加工設備。

1.4 軍用衛星系統的發展

  現代戰爭已經不能離開各種衛星,如偵查用間諜衛星、GPS 用的衛星網等。目前世界上正在運行的衛星導航定位系統有美國的全球定位系統(GPS) 和俄羅斯的G23N4SS,二者都提供軍碼和民碼兩種信號,主要用于戰機及作戰部隊的導航定位、精確制導以及救援服務等用途,與第一次海灣戰爭相 比,GPS 制導占精確制導的比例已由10%提高到這次海灣戰爭的90%,而且與激光制導相比,GPS 制導具有精度更高,不受氣候條件等外界因素干擾等優點。但美、俄目前GPS 開放的僅僅是民碼,如果不盡快發展本國的衛星導航定位系統,勢必在未來戰爭中受制于人,處于被動挨打的局面,我國近年來也開始研制導航定位衛星正是在努力 改變這種局面。

  衛星上的姿態控制極為重要,必須有超精密的真空無潤滑軸承,其孔軸幾何精度為毫微米級,表面粗糙度為納米級,必須用超精密磨削與研磨才能達到。此外 對于偵查用的間諜衛星,必須裝備先進的光學望遠系統、高分辨率電視攝像系統、高靈敏度紅外成像系統等,這其中高精度非球面透鏡、高分辨率電視中的光柵、紅 外成像的碲鎘汞半導體元件等都必須用超精密加工技術才能制造出來。GPS系統中也要求具有抗干擾、反應快等特點,同樣也離不開砷化鎵半導體制成的大規模集成電路。

1.5 軍用微型武器系統是未來的發展趨勢

  微小型武器是20世紀90年代美國等先進工業國家開始發展的新概念武器,它不但在基礎理論、設計、制造與計量測試技術等方面是革命性創新,而且對 21世紀戰爭的模式將會帶來變革性的影響?;谖⒚?、納米、微機電系統技術發展起來的微小型武器技術的內涵是:根據微小型武器特殊功能和特性,應用微機電 系統(MEMS)、計算機、感知、控制等先進技術,通過軟、硬件接口,綜合集成為微小型武器系統的光機電一體化技術。

  微小型武器的種類主要包括微型飛行器、微小型水下無人潛器、微小型軍用機器人技術、微小型偵察傳感器系統。微小型武器具有以下重大作用:微小型無人 武器由于體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點,特別適用于城市和惡劣環境下(如核、生、化戰場等)的局部戰爭。

  由于微小型武器系統的發展,許多非硅材料以及其他結構材料的應用,只靠傳統的(光刻掩模、電鑄、LIGA等)MEMS加工工藝已經無法滿足要求,而普通精密加工又無法滿足尺度及精度的要求,所以可以利用超精密加工技術的特點,對一些非硅結構材料進行加工,滿足使用要求。

2 超精密加工技術的發展思路及面臨的任務

2.1 超精密加工技術的發展思路

  對于超精密加工技術來說,最大的需求就是國防軍事工業。我國的超精密加工技術與國外,特別是美、俄等發達國家相比,落后較多,面臨的最大任務是根據目前的需求如何在較短的時間內盡快提高超精密加工技術(包括設備及工藝)的水平,使之能夠適應應用要求。主要包括以下幾個方面:

重視超精密加工工藝和特種超精密加工設備的研究

  美國、俄羅斯在超精密加工技術的研究上發展思路完全不同。美國充分利用其科技優勢,研制了一系列先進的超精密加工設備和超精密檢測儀器,利用這些先進的設備加工出高精度的零件。而俄羅斯則很少有非常先進的超精密加工設 備,但是同樣能夠加工出所需的高精度零件,原因在于它掌握著先進的工藝。例如從有關資料分析俄羅斯研磨機的性能指標并不先進,甚至不如國內某些實驗室設 備,但是他們有自己獨特的工裝夾具以及研磨工藝,最終加工零件的精度及其穩定性卻優于國內。所以根據我國的國情,盲目地靠引進先進設備和儀器只能受制于 人,況且許多超精密加工設備儀器禁運。而在一定時期內要靠自行研制所有超精密加工設備和儀器也不現實,所以應該走俄羅斯的路子,即重視超精密加工工藝的研究。

  國內目前還有進口了先進設備,卻由于工藝不過關無法加工出合格的產品的例子,如Nanoform250非球面超精密加工設備國內引進了有多臺,但只有某家研究所由于有以前的工藝經驗而使用效率以及使用效果較好。

  對于一些特殊要求零件的加工,可以在現有成熟的超精密元部件如超精密主軸、高精度導軌等基礎上,并利用模塊化技術,研制一些特種超精密加工設備,這樣既能縮短研制周期,又能降低研制成本。

  注重降低超精密加工技術研究成本,擴展超精密加工技術的應用范圍

  由于超精密加工技術的研究需要潔凈的環境、嚴格的溫度控制、昂貴的加工設備及檢測設備,這一切都需要高投入,這在一定程度上限制了其研究和應用??梢酝ㄟ^各種途徑,例如應用模塊化技術降低超精密加工設備研制成本,采用局部小環境控制技術降低對整體環境的控制成本等。在此基礎上,可以將先進的超精密加工技術應用于某些民用行業,取得較好的經濟效益。

在國防預研的基礎上,加強應用性以及可靠性、快速響應性的研究

  我國在八五、九五期間,在國防預研上取得了一些具有先進水平的成果,但是目前這些成果還局限于實驗室,離實際工程應用還有一定距離,或者說其加工效 率以及穩定性還有待提高。所以在繼續重視先進技術預研的同時,更重要的是加強成果的應用,使之能夠及時服務于先進武器裝備系統和其它民用行業。

需求為牽引,強強聯合

  由于超精密加工技術的研究是一項需要高投入的項目,所以國內各單位不能各自為戰,應當充分發揮國家重點實驗室的龍頭作用,聯合行業內的人力、物力努力提高我國的超精密加工水平。此外在現階段,根據我國的實際情況,進行超精密加工技術的研究應該強調以需求為牽引,這樣可以爭取更大的投資,也才可能更快地取得成果,直接應用于武器任務。

2.2 超精密加工技術目前面臨的研究任務

超精密加工設備及工藝的研究

  經過多年的努力,國內超精密加工設備的研制已經初具規模,包括非球面曲面復合加工系統在內的許多設備的指標已經達到或接近世界先進水平,但是從設備的可靠性、可操作性等方面來看還有一定的差距,如何更好地發揮設備的作用,需要進一步的人力、物力投入。

  隨著科技的發展,將有更多先進的新型功能材料及結構材料得到應用,包括新型高強度、高硬度材料、智能材料、新型半導體材料等,首先要解決的是其加工 問題。例如在衛星相機上用的SiC 增強復合材料的加工工藝的研究,紅外材料諸如鍺、單晶硅、氟化鈣玻璃的超精密車削工藝研究,KDP 晶體(激光核聚變)飛切加工工藝的研究等。

復雜曲面超精密加工及檢測技術研究

  非球面零件的應用十分廣泛,它可以減輕光學系統重量,提高成像質量,提高系統的可靠性。特別是非軸對成非球面曲面的應用,更是將整個系統的性能大大提升,目前國內還不能加工此類曲面。

大中型非球面曲面超精密加工設備及工藝研究

  目前國外對于非球面的加工設備已經部分解禁,如Nanoform250 國內已經進口了幾臺,但是對于加工 口徑在300mm 以上的非球面加工設備嚴格禁運,但是這部分零件數量在某些行業占有相當大的比例,所以盡快研制中大型非球面曲面超精密加工設備已經成為當務之急。包括實驗室在內的國內幾家單位對非球面曲面超精密加工設備及加工工藝的研究已經有了一定的技術積累,應在此基礎上聯合力量集中攻關。

非軸對稱光學曲面加工設備的研制(五軸CNC超精密加工中心)

  非軸對稱光學曲面的性能比軸對稱非球面曲面更加優越,目前只有美國、俄羅斯能夠加工此類產品。國內雖有不少大專院校進行了非軸對稱光學曲面各種加工工藝的研究,如用數控拋光、超精密車削等方法,但是還不能真正加工出產品。所以國內應加緊研制五軸CNC 超精密加工中心,并在此基礎上進行非軸對稱光學曲面加工工藝的研究。

非球面曲面超精密檢測技術研究

  非球面檢測技術是光學非球面加工首先要解決的關鍵問題,特別是針對我國的國情,至少在目前還只能靠人工輔助研磨加工光學非球面,測量問題顯得更為突 出。只有準確、快速測量出加工過程中零件的誤差,工人才有可能相應研磨從而獲得高精度的非球面光學零件。相對于非球面加工技術來說,其測量技術與國外相比 落后更多。光學非球面檢測技術應當具備能在鏡面加工過程中迅速判斷面型誤差狀況,隨機反饋給出進一步修正指令,又要解決零件的終了檢驗。

  目前非球面面型測量應用最多的方法是光波的干涉測量法,具有較高的測量精度和較好的空間分辨率。它可以快速進行整個表面的測量,最高分辨率可達到亞納米級。但是對于不同的光學非球面,必須準備相應的光學模板才能進行測量,這套測量系統通常結構非常復雜。

  利用全息干涉法可以測量非球面,但是無論是采用標準非球面還是采用計算機生成(CGH)都必須制作一張全息片,而且對于不同方程的非球面就必須有相 應的全息片。但是直到目前為止國內制作全息片的工藝還只局限于一些傳統的工藝,對于非球面超精密測量所需的全息片基本上依賴于進口,這極 大地限制了光學非 球面零件的測試及加工。目前進口一張非球面超精密測量用的全息片大約需要一萬多美金,而且需要告訴對方非球面的方程,對于型號任務這就牽涉到保密等問題。 特別是對于一些預研或在研以及沒有定型的項目,由于牽涉到非球面的種類和數量較大,所需經費十分可觀,所以自行研制非球面測量用的全息片已經成為當務之 急。

  國外目前最 先進的工藝是采用計算機直接生成測量非球面用全息片(Computer generated Hologram)并采用激光直接刻劃技術(Laser Writing System)制作全息片,不僅大大降低了制作成本,而且還縮短了制作周期。最典型的樣機德國斯圖加特大學研制的Laserplotter CLWS 300激光刻劃系統,激光記錄點直徑為0.5μm, 徑向坐標定位精度為0.08μm(RMS),角方向定位精度為0.1s"(RMS)。

高精度激光刻劃系統主要包括以下幾個方面:

  光學部分:包括激光器、聲光調制器、自動聚焦系統以及光路總體設計及布置等;
  機械部分:高精度空氣軸承、高精度運動導軌、隔振平臺等;
  電控部分:高精度機械系統的運動及定位控制,激光器、調制器以及自動聚焦的控制,同時包括機械、光學系統的協調控制;
  軟件部分:機械、光學系統的控制軟件、計算機生成非球面測量用全息片的軟件。

非硅材料三維微小型零件超精密加工技術的研究

  MEMS加工技術主要有從半導體加工工藝中發展起來的硅平面工藝和體硅工藝。八十年代中期以后利用X射線光刻、電鑄、及注塑的LIGA技術誕生,形 成了MEMS加工的另一個體系。MEMS的加工技術可包括硅表面加工和體加工的硅微細加工、LIGA加工和利用紫外光刻的準LIGA加工、微細電火花加工 (EDM)、超聲波加工、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、立體光刻成形等。

  但是構成這些微型機械的零件是各種各樣而紛繁復雜的,要想使微型機械性能真正地過關并達到實用的程度,必須要盡快地提高微型機械零件的制造工藝與設 備的水平。目前微型機械零件的制造工藝最為成熟的技術就是光刻,許多經典的微型機械零件制造的成果,基本上都是采用光刻或電鑄技術完成的。然而這些成熟的 工藝方法所加工的微型機械零件只能是二維的(或準三維),而實際真正的三維形狀零件用光刻技術是完成不了的。在微型機械中,存在著許多三維的微小零件,如 微型模具、直徑為70μm的微小螺紋、微型齒條、直徑為50μm的銷子、各段直徑分別為200μm、100μm、50μm的階梯軸、外徑為300μm的旋 轉拋物面等,這些典型的三維微小零件的加工,不僅用光刻、三束加工等工藝方法實現不了,用傳統的機械制造系統也是不可能實現的。因此,必須針對三維微小機 器的特點,開發和研制微型制造系統,在這種新概念制造系統中實現微小機器零件的加工、檢測和裝配。由微小型設備組成的制造微小型機器的系統稱為微型制造系 統,其中技術難題包括微小型機器零件的加工、檢測和裝配等,關于這方面的研究工作主要集中在日本和美國。日本在這方面首先提出了微型桌面工廠的概念。

  但是加工微機械零件不一定非要用微型加工機床,例如加工儀表零件機床的特點并不是其體積有多小,而是與普通機床相比精度較高。所以微機械零件的機械加工設備的最關鍵指標是機床的精度,況且一味地追求減小機床體積只能加大成本。超精密加工技術由于其加工精度高、切削力小等特點,特別適合進行微機械零件的加工,這也將為微機械零件的加工開辟了一條新的途徑。

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