浅析机床工具领域的尖端技术

　　随着IT关联产品、汽车、家电等工业制品的不断发展，高性能磨削、研磨加工的重要性日益增大。对于生产技术人员来说，高精度化、高效率化和自动化是永远的主题。磨削、研磨技术的研究开发成果推动着工业产品的更新，正脚踏实地向前发展。

　　（1）磨削、研磨技术的重要性日益增大

　　如今几乎已普及到所有家庭的个人电脑（PC）所配备的硬磁盘（HDD）过去是在超精密机床上用单晶金刚石刀具切削加工。近年来，磁盘面记录密度的年增长率达到100％，实现了每1平方英寸达1G的记录密度。这一技术是在经磨削加工后的铝合金基盘上镀上无电解NIP薄膜，再通过研磨加工使其表面平滑而得以实现的。而高性能加工技术的进步，也使得基盘材料从铝合金更换为刚性比更高的硅酸铝玻璃、晶化玻璃等，因此，磨削、研磨加工的重要性也更大了。

　　（2）高精度化

　　直线电机刚开始开发时，因其能实现高速加工而备受瞩目。但近年来，使用直线电机的目的已逐渐转向高精度化。也就是说，在直线电机的诸多优良特性中，很高的定位精度和圆弧插补精度尤其令人刮目相看。其原因是非接触式的驱动系统没有传统伺服电机旋转减速用的齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引起的误差，以及直线电机必然采用闭路控制。

　　今后，高精度化加工技术的发展将日益加速。在精密加工中，最重要的加工之一是高精密平面的加工。尤其是在精密测量仪器、光学仪器、硅片等超精密加工领域，要求加工出无限平滑的表面。为此，机床制造商开发出了超精密平面磨床，在采用独立的可变静压滑板技术实现高刚性加工的同时，又实现了即使存在偏载荷，油膜厚度也不会发生变化（工作台不发生倾斜），磨削平面度达到lμm/m2。此外，加工表面通过抛光可以实现0.03μm/m2的平面度。为了实现高精度加工，就必须克服热变形。具体来说，需要尽可能减少来自驱动电机和轴承、导向面等的加工发热。此外，为了不使加工中的工件发生热变形，还需要控制在加工点产生的热量和来自工件表面的汽化热。为此，该超精密平面磨床配置了既恒温又恒湿的隔离罩，作为完整的系统加以商品化。

　　（3）高效率化

　　加大砂轮进给量、降低工件进给速度的间歇进给磨削技术与使用电沉积磨轮的高圆周速度磨削技术相结合而形成的HEDG（HighEfficient Deep-CutGrinding）磨削技术在欧洲已经实用化了，但在日本还几乎无人采用。另一方面，减小砂轮进给量、提高工件进给速度的快走刀磨削（高速往复式磨削）在金属模具加工等行业正逐渐成为成型磨削的主流。这种磨削加工方法通过曲柄、液压伺服装置或直线电机增加单位时间的工作台往返次数（对行程较短的工件也可以采用砂轮连续进给），从而可以大幅度提高加工效率，也适用于金属模具穿孔等短行程磨削。该方法的缺点是工作台反转时的高加/减速运动容易引起振动，需要设法加以抑制。为此，可以采用减轻工作台重量、加重底盘、进行加/减速控制以及进行平衡等方法。快走刀磨床已被许多平面磨床生产厂家看好，认为可以进行商品化开发，今后将成为金属成型磨床的主流。

　　（4）小型化和环保（节能）化

　　在以前的JIMTOF（日本国际机床展览会）上，各厂家展出的小型机床很受瞩目，主要原因在于：为了适应多品种、小批量生产，需要灵活改组生产线，因此迫切需要统一机床的宽度。而且机床小型化可以带来许多预期的利好，如缩短生产线长度、减少占用空间、容易变更生产线、提高工厂内部的信息传递等。

　　某家公司推出了“节省能源和空间”的概念机种。该磨床占地面积不到普通磨床的40％，尤其是宽度尺寸缩小至1200mm以下。一般来说，占地面积缩小不便于维修保养，但该磨床将维修保养部分集中到机器的前后，提高了维修便利性。此外，该公司将磨削液供给量削减了50％（加工有的工件甚至可削减99％），减小了对环境的影响。

　　为了实现磨床小型化，需要减小砂轮直径。为了不降低砂轮速度，需要采用超高速主轴技术。该磨床减小了砂轮交换频度，也减薄了砂轮厚度，因此基本上用于轮廓加工。此外，为了节省空间，轴驱动系统采用了不需要齿轮箱的直线电机驱动，而且通过程序更换按钮，一次操作即可自动调整中心距。

　　（5）复合化

　　某厂家采用立轴磨削技术和车床技术，开发出了融磨削与切削于一体的小型复合磨床，通过一次装夹工件，就可以高精度、高效率地完成从车削加工到圆筒、内表面的磨削精加工。由于立轴磨床比横轴磨床宽度更窄，因此更容易编入生产线。人们期待该复合磨床能尽快投入商业化生产。其他各种复合机床（如激光加工与磨削加工的复合）也在开发之中。

　　随着经济全球化的不断发展，越来越多的机床开始出口到语言与文化完全不同的国家和地区。作为耐用资产的机床，其维修保养和定期检查不可或缺。因此，用视频图像来表示报警的位置及内容的功能、利用互联网对机床进行自动监测等也成了重点技术之一。

　　微细加工的现状与未来

　　在微电子和光电技术快速发展和产品小型化、复合化、集成化的背景下，为了实现微细复杂形状和微型构件的加工，发端于超精密车床的超精密加工机床正向自由度更多的多轴控制超精密铣床和多轴控制超精密加工中心发展。由于控制技术的进步，超精密加工机床及加工技术也获得了很大进展。

　　（1）何谓超精密切削加工

　　超精密切削加工是将正确制作的刀具形状精确复映到工件上的加工方法，其特点是用刀具的刀尖切削工件，制成所需形状，即根据机床的“母性”原理在运动中实现复制。

　　制作微细形状的过程被称为微细加工（或微细机械加工）。众所周知，微细加工可以使用半导体制造技术，也可以使用微电子机械系统（MEMS）。但是，采用光学和粒子束加工技术并不擅长加工斜面和曲面形状，对被加工材料也有一定限制。就此而言，金刚石切削虽然属于传统机械加工，却能够应用于几乎所有材料，因此所起的作用很大。

　　源于超精密车床的超精密加工机床正向具有更多自由度的多轴控制超精密铣床和超精密加工中心转变，主要用于加工需求量很大的CD传感器透镜及其金属模具、隐形镜片、菲涅耳透镜等具有复杂形状的微型构件。由于微电子和光电技术的快速发展以及对产品小型化、复合化、集成化的要求，人们对这些产品的加工效率十分关注。

　　（2）何谓多轴控制加工

　　通过控制机床的直线运动轴、旋转轴等轴系，巧妙地调节刀具（包括旋转刀具和非旋转刀具）与工件的位置与姿势，就可以加工出各种各样的工件形状。与普通机床一样，超精密机床大多也由构成直交坐标系的X、Y、Z三个直动轴和在其周围的A、B、C三个旋转轴构成，为了使刀具在工件加工点附近可处于任意位置和姿势，就需要对6个轴全部实施控制。此时刀具不能作自由旋转运动，所以需要使用非旋转刀具。而使用旋转刀具时，无需对其旋转轴的位置进行控制，因此采用5轴控制就足够了。这种4轴以上的控制称为多轴控制。一般的加工很少同时进行5轴或6轴控制，但为了不进行重新设定就一次完成对复杂形状的加工，或工件加工部位以外的部分与刀具发生干涉时，多轴控制加工就必不可少。

　　（3）多轴控制超精密机床的现状

　　多轴控制超精密铣床或超精密加工中心的结构可以根据将刀具和工件沿进给轴以纳米精度进行定位的结构来加以区分；也可以通过是采用集成在电机上的丝杠来传递驱动（丝杠又可分为滚珠丝杠和静压丝杠），还是采用直接驱动方式的直线电机来区分。为了实现低摩擦、高直线度地移动工作台，被驱动工作台的导向方式也可分为滚动导轨和静压（油、空气）导轨。对于旋转部分和轴承也同样如此。

　　现在有几种强调操作方便性和加工性能的超精密五轴控制加工机床已经上市销售，其定位精度一般都达到了1nm。

　　为了超精密加工带有自由曲面等的三维复杂微细形状，需要有作为旋转刀具的微小直径金刚石球头立铣刀，但这种刀具在市场上并无销售，所以在数十年前，使用的是将微小直径单晶金刚石刀头切去片侧，从旋转轴中心略微偏移（偏置）的刀具（称为近似球头立铣刀）。但是。如果通过多轴控制可以实现刀具的倾斜加工以避免零速度切削，那么也就不需要采用偏置了。现在，已不需要使用近似球头立铣刀，而是使用常规球头立铣刀通过多轴控制对带有复杂曲面的微小工件进行超精密加工。曲面加工所需的NC数据可利用三维CAD系统或对模型进行扫描测量来获得。

　　（4）对未来超精密加工的要求

　　加工机床的精度正从纳米级向超纳米级过渡。今后对超精密加工的要求包括日益微型化的刀具及其安装换刀技术的开发、便于操作的微细加工用三维CAM与误差补偿技术，以及硬脆材料加工技术。

　　第二代激光加工技术

　　激光加工作为一种新型加工技术被广泛应用于制造业已经有1/4世纪。激光加工技术是作为传统热加工的替代技术发展起来的，随后又开发出了独立的激光加工技术。激光加工机床与加工技术就像车子的两个轮子。现在评述一下仍在不断获得显着进步的激光加工机床和加工技术的发展动向及今后的展望。

　　（1）激光振荡器与加工技术的变迁

　　激光诞生于1960年。随后，在60年代至70年代前半期，集中出现了许多应用于产业的激光发明。激光应用技术的探索几乎是与激光的诞生同时开始的。将激光应用于加工的初步研究主要于70年代在研究机构和大学开展。以80年为分水岭，出现了日本国产的激光加工机，标志着产业界的激光时代已经到来。

　　激光加工技术将光的波长由原来的红外光领域进一步扩大至紫外光领域，并成功地将脉冲震荡时间缩为极短，进一步扩大了新的应用可能性。激光加工因应用可能性的不断扩大与可持续发展性，在很短时期内便作为一种主要加工技术在产业界扎下了根。最近，以德国为中心，开发出了新的激光振荡器，并于2003年前后投入市场。此前的激光热加工在其发展过程中伴随着高功率化也有不少技术改进，但随着波长和脉冲缩短所引发的新的加工技术的崛起，可以说激光加工技术现在已进入了第二代。

　　（2）第二代激光加工技术

　　传统的加工用激光主要使用CO2激光、YAG激光基波以及准分子激光等。这些激光都在实现高功率化，装置的性能也在不断提高。近10年来，二极管激光已实现了阵列化、存储栈化和高功率化，使直接使用激光进行加工成为可能，而高功率化又使高速加工成为可能。与此相比，第二代新型激光加工使用由YAG基波、钛蓝宝石等形成的超短脉冲激光、由YAG高次谐波形成的短波长激光、KrF准分子激光等，使利用紫外光进行加工成为可能（多用于微细孔加工、开槽加工和表面改性等）。加工对象和材料也扩大到各种金属和硅、聚合物、玻璃、陶瓷等非金属材料，以及铝、钛、镁等有色金属薄膜。激光加工已从大件加工扩展到微细加工，其应用范围还在继续扩大。

　　（3）激光加工的发展动向

　　在欧美，对材料加工进行理论性研究、开发新的加工概念以及各种基础性探索方兴未艾。飞秒级超短脉冲激光等的应用虽然蕴藏着无限的可能性，但从短期来看，快速实现高功率化仍然可望而不可及。可以预期，激光与材料表层的相互作用将是今后激光加工的应用重点。从这个意义上来讲，将激光应用于表面处理和表面改性是最值得期待的领域之一。

　　另一方面，在生产现场应用激光加工技术的实用化研究也在如火如荼地开展，其中既有提高激光加工效率以获得高生产效益的研究、激光高精度控制技术的开发、激光发生装置的高性能化、准确控制激光的光学技术，也有包括软件和机器人等硬件在内的加工控制技术等，这些研究正致力于开发能将激光加工理论确实变为生产手段的共性基础技术。

　　激光厚板加工技术也在快速发展。应用于机床等的工业用激光技术的开发也十分活跃。以德国为中心，开发出了用于汽车工业的“远距离激光”、“扫描射线”等新的激光焊接方法。

　　（4）激光加工的未来

　　在加工技术日新月异的发展中，要开发新技术，就必须对各种加工现象、对加工性能有影响的各种因素的相互关系、加工现场激光与材料的相互作用等有透彻的了解，为此需要从多方面进行跨学科的探索。

　　因为激光的加工手段是光能，因此需要进行“光管理”，从光的发生到传送、聚光等，都必须正确掌握和管理光的特性。随着模拟技术和监控技术的进一步智能化，有可能实现更加准确的计算机预测。

　　出于经济性和加工效率的考虑，现有的各种激光发生装置将会在用途上有所限定，一些低效率的装置将会被逐渐淘汰。虽然现在流行的各种激光加工技术五花八门，但在加工用途上，应该说波长选择的时代即将来临。在不久的将来，“飞秒加工”等目前尚处于萌芽性的研究将逐步变为实用化研究，甚至有一部分将广泛应用于生产实际。

　　激光加工技术的发展需要“光发生技术”、“光控制技术”和“光利用技术”的强有力支持，激光加工是这些技术相互作用的拓展，并在很大程度上与这些技术相互依存和相互影响。激光技术潜在可能性之广阔将通过新的激光不断涌现而得以进一步显现。加工技术虽然朴实无华，但贵在持续，新的发展寓于其持续性上。蕴藏着极大可能性的激光加工技术对于生产技术的发展至关重要。

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