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為什麽航空製造如此追求極致?

2018-07-03

20世紀50年代,隨著航天、宇航的發展,精密超精密加工技術首先在美國被提出,並由於得到了政府和軍方的財政支持而迅速發展。英國從60年代起開始研究超精密加工技術,現已成立了國家納米技術戰略委員會,正在執行國家納米技術研究計劃,德國和瑞士也以生產精密加工設備聞名。1992年後,歐洲實施了一係列的聯合研究與發展計劃,加強和推動了精密超精密加工技術的發展。到了20世紀70年代,日本也成立了超精密加工技術委員會並製定了相應發展規劃,將該技術列入高新技術產業。下麵半球加工廠家小編為大家介紹一下:

近年來,美國開始實施了“微米和納米級技術”國家關鍵技術計劃,國防部成立了特別委員會,統一協調研究工作。同時利用這些超精密加工設備進行了陶瓷、硬質合金、玻璃和塑料等材料不同形狀和種類零件的超精密加工,應用於航空、航天、半導體、能源、醫療器械等行業。

國內真正係統地提出超精密加工技術的概念是從20世紀80年代~90年代初,由於航空、航天等軍工行業的發展對零部件的加工精度和表麵質量都提出了更高的要求,這些軍工行業投入了資金支持行業內的研究所和高校開始進行超精密加工技術基礎研究。由於當時超精密加工技術屬於軍用技術,無論從設備還是工藝等方麵,國外都實施了技術封鎖,所以國內超精密加工技術的開展基本都是從超精密加工設備的研究開始。由於組成超精密加工設備的基礎是超精密元部件,包括空氣靜壓主軸及導軌、液體靜壓主軸及導軌等,所以各家單位也正是以超精密基礎元部件及超精密切削加工用的天然金剛石刀具等為突破口,並很快就取得了一些進展。哈爾濱工業大學、北京航空精密機械研究所等單位陸續研製了超精密主軸及導軌等零部件,並進行了天然金剛石超精密切削刀具刃磨機理及工藝研究,同時陸續搭建了一些結構功能簡單的超精密車床、超精密鏜床等超精密加工設備,開始進行超精密切削工藝實驗。

非球麵曲麵超精密加工設備的研製成功是國內超精密加工技術發展的裏程碑,非球麵光學零件由於具有獨特的光學特性在航空、航天、兵器以及民用光學等行業開始得到應用,從而簡化了產品結構並提高了產品的性能。當時加工設備隻有美國、日本及西歐等少數國家能夠生產,國內引進受到嚴格限製而且價格昂貴,國家從“九五”開始投入了人力物力支持研發超精密加工設備。到“九五”末期,北京航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學、北京興華機械廠、國防科技大學等單位陸續研製成功代表當時超精密加工Z高技術水平的非球麵超精密切削加工設備,徹底打破了國外的技術封鎖。之後其他各類超精密加工設備,如超精密磨削設備、小計算機數控磨頭拋光設備、磁流變拋光設備、離子束拋光設備、大口徑非球麵超精密加工設備(如圖1所示)、自由曲麵多軸超精密加工設備、壓印模輥超精密加工設備等也陸續研製成功,縮小了超精密加工技術國內外的差距。同時由於有了超精密加工設備的支撐,在超精密加工工藝方麵也有了很大進展,如ELID超精密鏡麵磨削工藝、磁流變拋光工藝、大徑光學透鏡及反射鏡超精密研拋及測量工藝、自由曲麵的超精密加工及測量工藝、光學薄膜模輥超精密加工工藝,超精密加工技術的應用領域也從軍工行業轉向了民用行業。

超精密加工技術的發展隨著時代的進步其加工精度也不斷提高,目前已經進入到納米製造階段。納米級製造技術是目前超精密加工技術的巔峰,其研究需要具有雄厚的技術基礎和物質基礎條件,美國、日本及歐洲一些國家以及我國都在進行一些研究項目,包括聚焦電子束曝光、原子力顯微鏡納米加工技術等,這些加工工藝可以實現分子或原子級的移動,從而可以在矽、砷化镓等電子材料以及石英、陶瓷、金屬、非金屬材料上加工出納米級的線條和圖形,Z終形成所需的納米級結構,為微電子和微機電係統的發展提供技術支持。

精密超精密加工技術的作用

1, 精密超精密加工技術可促進現代基礎科學和應用基礎科學的發展

量子力學和相對論是近代物理學和其他基礎科學的核心,20世紀30年代已經建立,但是其中一些理論還未得到實驗驗證,例如愛因斯坦的廣義相對論中的2個預言,即重力場彎曲效應和慣性係拖曳效應,這些理論在天文學、空間探測等方麵有著重要的指導意義。例如航天器圍繞地球旋轉,在牛頓的宇宙模型中指針會指向同一方向,而在愛因斯坦的模型中,由於地球對周圍時空的扭曲和拖拽,陀螺儀指針會傾斜一個非常小的角度(一年內指針僅移動6000mas),這就是所謂的重力場彎曲效應和慣性係拖曳效應,這兩種現象十分微弱,通過實驗室驗證是不可想象的。

美國航空航天局(NASA)為了驗證愛因斯坦廣義相對論的上述2項預言從1963年開始計劃,但直到2004年才發射了一個利用高精度陀螺儀的測量裝置——引力探測器,用於檢測地球重力對周圍時空影響。其中陀螺儀的核心部件——石英轉子(φ38.1mm)的真球度達到了7.6nm,若將該轉子放大到地球的尺寸,要求地球表麵波峰波穀誤差僅為2.4m,如此高的加工精度可以說將超精密加工技術發揮到了極限,Z終陀螺精度達到了0.001角秒/年。

20世紀80年代以前,太赫茲(THz)波段(介於微波與紅外之間)的研究結果和數據非常少,主要是受到有效太赫茲產生源和靈敏探測器的限製。隨著80年代一係列新技術、新材料、新工藝的發展,使得太赫茲技術得以迅速發展。近年來由於太赫茲的獨特性能將給寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、安全檢查等領域帶來了深遠的影響,太赫茲基礎及應用基礎技術已經逐漸成為研究熱點。

太赫茲技術在航空領域的重要應用是太赫茲雷達可用於隱身飛行器探測,其中束控元件是太赫茲探測係統的重要功能部件,其透鏡主要采用矽基遠紅外透射材料,反射元件麵形有拋物麵、橢球麵、離軸非球麵以及賦形曲麵等,采用鋁等金屬基材料。我國正研的主反射元件尺寸已有φ300mm、φ800mm、φ1000mm等,麵形精度要求已要求達微米級,表麵質量為鏡麵,並且要求零件精度質量具有良好的穩定性。我國中期發展的太赫茲係統擬采用φ4~5m的主鏡,遠期主鏡直徑將達30m或更大,太赫茲係統束控主反射元件麵形也將采用主動控製的拚接式平麵、離軸非球麵等形狀。基於上述要求,需要大型單點金剛石超精密車削設備、複雜曲麵超精密加工工藝技術、大型複雜曲麵的高精度三坐標測量技術等支撐。

2 ,精密超精密加工技術是現代高新技術產業發展的基礎

國家目前非常重視交通、能源、信息、生物醫藥等高新技術產業的發展,但是目前這些產業的核心技術國內還沒有掌握,關鍵設備或零部件仍然依賴進口。如高性能軸承是飛機發動機、高鐵、風電等產品的關鍵,但由於目前國內材料、工藝等方麵的原因,其使用壽命遠遠不能滿足要求,其他一些承受高頻載荷的部件同樣麵臨這些問題。近年國內開始研究的抗疲勞製造技術則是以被加工件的抗疲勞強度及疲勞壽命為判據,其中的核心技術之一是精密超精密加工工藝,可提高表麵質量、改善表麵應力狀態,從而提高零件的疲勞壽命,這不僅要求具有超精密加工設備及工藝,而且還需研製材料及零部件的疲勞壽命精密測試設備。

新能源產業(如太陽能)國內雖然發展很快,但核心技術還是掌握在國外,如矽片切割、研磨、拋光、刻劃設備,高倍聚光菲涅爾透鏡模具超精密加工設備等與國外還存在較大差距。信息產業的發展推動了芯片、存儲等發展,隨著存儲密度越來越大,對磁盤的表麵粗糙度以及相應的讀寫設備的懸浮高度及磁頭的上下跳動量的要求大大提高,目前國外已經可以把磁頭、磁盤的相對間隙Z高控製在1nm左右。在醫療器械行業,超精密加工技術也起著很大的作用,人造關節采用鈦合金或其他貴金屬材料,這些高精度零件的表麵處理對清潔度、光整度和表麵粗糙度具有極高要求,需要進行超精密研拋,形狀要根據個人的身體結構定製,國外價格昂貴,而國內無論從使用壽命和安全性等方麵存在較大差距。其他如微型內窺鏡中的微小透鏡及器件、心髒搭橋及血管擴張器、醫用微注射頭陣列等國內現在還無法生產。

3 精密超精密加工技術是現代高技術戰爭的重要技術支撐

超精密加工技術對國防武器裝備的發展具有重大影響,掌握超精密加工技術並具備相應的生產能力是國防工業涉入現代國防科技和武器裝備尖端技術領域的必要手段, 20世紀90年代初,美國就將其列為21項美國國防關鍵技術之一。

超精密加工技術的發展對飛機、導彈等慣性器件的發展做出了突出貢獻。美國1962年就研製成功了激光陀螺,但因未突破硬脆材料的陀螺腔體和反射鏡的超精密加工技術,使激光陀螺在飛機上的應用整整延遲了20年,超精密車削、磨削、研磨以及離子束拋光等工藝的相繼突破才使激光陀螺投入了批生產,並將陀螺性能指標提高了2個數量級。半球諧振陀螺儀中半球諧振子采用超精密振動切削工藝達到了精度和性能指標。激光加工和離子刻蝕等超精密加工技術是製造矽微型慣性傳感器的重要工藝,這將對飛機和導彈慣性係統的小型化起重要作用。采用超精密銑削工藝及超精密研拋工藝提高了慣性傳感器中撓性件的精度和尺寸穩定性。此外,飛控係統中的液壓零件采用超精密磨削及研磨拋光、超精密清洗工藝,對提高飛機的可靠性、可維修性和壽命起到了至關重要的作用。

發動機噴嘴零件(如旋流槽、微小孔等特征)的精密加工與檢測技術、發動機葉片型麵及進排氣邊的精密加工與檢測技術、整體葉盤的精密加工與檢測技術等發展為航空發動機零部件的加工與檢測提供了可靠保證,促進了航空發動機性能的提升。圖3為發動機零部件專用五軸非接觸掃描精密測量機。

超精密加工技術使導彈關鍵元器件的精度和質量產生了飛躍,進而大大提高了導彈的命中率。例如導彈頭罩形狀由球形向適應空氣動力學的複雜形狀發展,材料由紅外材料向藍寶石乃至金剛石發展,這也對超精密加工設備和超精密加工工藝提出了新的要求。


人體關節股骨頭

精密超精密加工技術發展趨勢

1 超精密加工技術基礎理論和實驗還需進一步不斷發展

所謂超精密加工技術基礎理論,是指在了解並掌握超精密加工過程的基本規律和現象的描述後才能駕馭這一過程,取得預期結果。例如上世紀90年代初,日本學者用金剛石車刀在LLNL的DTM3上加工出Z薄的連續切屑的照片,當時認為達到了1nm的切削厚度,已成為世界Z高水平,並至今無人突破。

隨著計算機技術的發展,分子動力學仿真技術從20世紀90年代開始在物理、化學、材料學、摩擦學等領域得到了很好的應用,美國、日本等國首先應用該技術研究納米級機械加工過程,國內從21世紀初在一些高校開始應用分子動力學仿真技術對納米切削及磨削過程進行研究,可描述原子尺寸、瞬態的切削過程,在一定程度上反映了材料的微觀去除機理,但這一切還有待於實驗驗證。

2 被加工材料和工藝方法也在不斷擴展

鈦合金是航空Z常用的材料之一,氫作為有害雜質元素對鈦合金的使用性能有極其不利的影響,如會引起鈦合金氫脆、應力腐蝕及延遲斷裂等,但是近年來研究表明通過合理有效地控製滲氫、相變及除氫等過程,獲得鈦合金組織結構的變化,從而可以改善其加工性能,提高加工表麵質量和效率。同樣通常認為黑色金屬是無法利用天然金剛石進行超精密切削加工的,多年來也一直在進行各種工藝研究,如利用低溫流體(液氮或二氧化碳)冷卻切削區進行低溫冷卻車削、采用超聲振動切削黑色金屬、采用金剛石塗層刀具等,采用離子滲氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進行處理,但上述方法到目前為止還無法工程化應用。近年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能,實現矽等硬脆材料複雜形狀的高效超精密切削。

抗疲勞製造技術的發展為超精密加工技術提出了新的發展方向,超硬材料的精密加工工藝要求控製表層及亞表層的損傷及組織結構、應力狀態等參數,如航空發動機軸承材料M50NiL表麵處理後硬度超過了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤和單晶渦輪葉片在航空發動機上的應用,要求被加工材料沒有重融層和變質層,從而對精密加工工藝提出了新要求。隨著導彈馬赫數的增加,要求頭罩材料的抗耐磨性提高,已從紅外材料向藍寶石材料頭罩乃至金剛石材料發展,形狀也從球形向非球麵乃至自由曲麵發展,對超精密加工設備、工藝及檢測技術提出了新的要求。

3 微納結構功能表麵的超精密加工技術

微結構功能表麵具有特定的拓撲形狀,結構尺寸一般為10~100μm,麵形精度小於0.1μm,其表麵微結構具有紋理結構規則、高深寬比、幾何特性確定等特點,如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結構等,這些表麵微結構使得元件具有某些特定的功能,可以傳遞材料的物理、化學性能等,如粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性,或者具備特定的光學性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表麵加工出微納結構形成功能性表麵,不僅可以減小飛行器的風阻、摩阻,減小摩擦,還可以避免結冰層形成,提高空氣動力學和熱力學功能,從而達到增速、增程、降噪等目的,同時表麵特定的微結構特征還能起到隱身功能,增強突防能力。

在民用方麵Z典型的例子是遊泳運動員的泳衣表麵增加了一些微結構,俗稱鯊魚皮泳衣,結果使運動員的成績有了大幅度的提高,使國際泳聯不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結構功能表麵在光學係統、顯示設備、聚光光伏產業、交通標誌標牌、照明等領域被廣泛應用,如LCD 顯示器的背光模組的各種光學膜片,背光模組關鍵件—導光板、擴散板、增光膜等,聚光光伏太陽能CPV 係統的菲涅爾透鏡,道路標示用微結構光學膜片、新一代LED 照明用高效配光結構等。

在未來零部件設計與製造將會增加一項功能表麵結構的設計與製造,通過在零件表麵設計和加工不同形狀的微結構,從而提高零部件力學、光學、電磁學、升學等功能,這將是微納製造的重要應用領域,2006年成立的國際納米製造學會經專家討論並認同,納米製造中的核心技術將從目前以MEMS技術逐步轉向超精密加工技術。

4 超精密加工開始追求高效

超精密加工技術從發展之初是為了保證一些關鍵零部件的Z終精度,所以當初並不是以加工效率為目標,更多關注的是精度和表麵質量,例如一些光學元件Z初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進一步加工增大和數量的增多,目前對超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察天體範圍和清晰度,需不斷加大天文望遠鏡的口徑,這就同樣存在天文版的摩爾定律,即每隔若幹年,光學望遠鏡的口徑增大一倍,如建於1917年位於美國威爾遜山天文台的Hooker望遠鏡的口徑為2.5m,是當年全世界Z大的天文望遠鏡;到1948年被Hale望遠鏡取代,其口徑達到了5m;1992年新建成的Keck望遠鏡的口徑達到了10m,目前仍在發揮著巨大的作用。目前正在計劃製造的巨大天文望遠鏡OWL主鏡口徑達到100m,由3048塊六邊形球麵反射鏡組成,次鏡由216塊六邊形平麵反射鏡組成,總重約1~1.5萬t,按照目前現有的加工工藝,可能需要上百年的時間才能完成。此外,激光核聚變點火裝置(NIF)需要7000多塊400mm見方的KDP晶體,如果沒有高效超精密加工工藝,加工時間也無法想象。為此需要不斷開發新的超精密加工設備和超精密加工工藝來滿足高效超精密加工的需求。

5 超精密加工技術將向極致方向發展

隨著科技的進步,對超精密加工技術已經提出了新的要求,如要求極大零件的極高精度、極小零件及特征的極高精度、極複雜環境下的極高精度、極複雜結構的極高精度等。

歐洲南方天文台正在研製的超大天文望遠鏡VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃,經過減重後重量仍然達到了21t。法國REOSC公司負責加工,采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝,加工周期為8~9個月,Z終滿足了設計要求,目前許多新的超精密加工工藝如應力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現為大鏡加工提供了技術支撐。前麵提到的微納結構功能表麵結構尺寸小到幾個微米,如微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm,而其尺寸精度卻要求±1μm。

美國國家標準計量局研製的納米三坐標測量機(分子測量機)是實現如何在極複雜環境下的極高精度測量的典型例子,該儀器測量範圍50mm×50mm×100μm,精度達到了1nm,對環境要求及其嚴格,Z內層殼溫度控製17±0.01℃,次層殼采用主動隔振,高真空層工作環境保持1.0×10-5Pa,Z外層殼用於噪聲隔離,Z後將整體結構安裝在空氣彈簧上進行被動隔振。自由曲麵光學曲麵精度要求高、形狀複雜,有的甚至無法用方程表示(如賦值曲麵),但由於其具有卓越的光學性能近年來應用範圍不斷擴大,但自由曲麵光學零件的設計、製造及檢測等技術還有待於進一步發展。

6 超精密加工技術將向超精密製造技術發展

超精密加工技術以前往往是用在零件的Z終工序或者某幾個工序中,但目前一些領域中某些零部件整個製造過程或整個產品的研製過程都要用到超精密技術,包括超精密加工加工、超精密裝配調試以及超精密檢測等,Z典型的例子就是美國的美國國家點火裝置(NIF)。

為了解決人類的能源危機,各國都在研究新的能源技術,其中利用氘、氚的聚變反應產生巨大能源可供利用,而且不產生任何放射性汙染,這就是美國國家點火工程。我國也開始了這方麵的研究,被稱為神光工程。NIF整個係統約有2個足球場大小,共有192束強激光進入直徑10m的靶室,Z終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數量極多(7000多片),精度和表麵粗糙度極高(否則強激光會燒毀鏡片),傳輸路徑調試安裝精度要求極高,工作環境控製要求極高。對於直徑為2mm的靶丸,壁厚僅為160μm,其中充氣小孔的直徑為5μm,帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困難在於其深徑比大、變截麵,可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝,或采用原子力顯微鏡進行超精密加工。係統各路激光的空間幾何位置對稱性誤差要求小於1%、激光到達表麵時間一致性誤差小於30fs、激光能量強度一致性誤差小於1%等。如此複雜高精度的係統無論從組成的零部件加工及裝配調試過程時刻都體現了超精密製造技術。

 江蘇國航星晨球麵技術研究院有限公司生產的高精度球麵加工設備與四軸整球體加工設備已廣泛應用在我國航天、航空、船舶製造以及民用中的液壓附件、球閥製造、人體關節製造等領域。致力於為客戶提供全麵球麵加工技術服務,提供球麵加工技術的係統解決方案。



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