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超精密加工技术的发展趋势

    超精密加工技术基础理论和实验还需进一步不断发展。

    超精密加工技术基础理论是指在超精密加工过程的基本规律和现象的描述。例如,超精密加工工艺系统在力、热、电、磁、气等多物理量/场复杂耦合下的作用机理以及系统的动态特性、动态精度及稳定性如何保证等都需要得到新理论的支持。利用分子动力学仿真技术研究纳米级机械加工过程,可描述原子尺寸、瞬态的切削过程,在一定程度上反映了材料的微观去除机理,但这一切还有待于实验验证。

被加工材料和工艺方法也在不断扩展。

    随着导弹飞行速度的增加,对头罩材料的耐磨性和耐高温性要求提高,头罩材料已从红外向蓝宝石乃至金刚石发展,形状也从球形向非球面乃至自由曲面发展,这对超精密加工设备、工艺及检测技术提出了新的要求。抗疲劳制造技术要求控制工件表层及亚表层的损伤及组织结构、应力状态等参数,为超精密加工技术提出了新的发展方向。?

    微纳结构功能表面的超精密加工技术得到重视。

    微结构功能表面具有特定的拓扑形状,?结构尺寸一般为10~100微米,面形精度小于0.1微米,其表面微结构具有纹理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点,如凹槽阵列、微透镜阵列、金字塔阵列结构等,这些表面微结构使得元件具有某些特定的功能,可以传递材料的物理、化学性能等,如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性,或者具备特定的光学性能等。例如,在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构形成功能性表面,不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻,还可以避免结冰层形成,提高空气动力学和热力学功能,从而达到增速、增程、降噪等目的,同时表面特定的微结构特征还能起到隐身功能,增强突防能力。未来零部件将会增加一项功能表面结构的设计与制造,通过在零件表面设计和加工不同形状的微结构,从而提高零部件力学、光学、电磁学、升学等功能,这将是微纳制造的重要应用领域,2006年成立的国际纳米制造学会经专家讨论并认为,纳米制造中的核心技术将从目前以MEMS技术逐步转向超精密加工技术。

    超精密加工开始追求高效。

    超精密加工技术发展之初是为了保证一些关键零部件的最终精度,所以当初并不是以加工效率为目标,更多关注的是精度和表面质量。但是随着零件尺寸的进一步加工增大和数量的增多,例如,激光核聚变点火装置需要7000多块400毫米见方的KDP晶体,如果没有高效超精密加工工艺,加工时间无法想象。

    超精密加工技术将向极致方向发展。

    大到10米口径的天文望远镜反射镜、小到数微米的微结构特征的加工都需要超精密加工设备及工艺的支持,自由曲面光学曲面精度要求高、形状复杂,有的甚至无法用方程表示,但由于其具有卓越的光学性能近年来应用范围不断扩大,其设计、制造及检测等技术还有待于进一步发展。超精密加工技术正向极大零件的极高精度、极小零件及特征的极高精度、极复杂环境下的极高精度、极复杂结构的极高精度等极致方向发展。

    超精密加工技术将向超精密制造技术发展。

    超精密加工技术发展之初是为提高零件的精度和表面质量,通常用于最终工序。随着产品要求的提高,某些零部件整个制造过程或整个产品的研制过程都涵盖了“超精密”的概念。例如,随着高精度惯性传感器结构的微小型化、尺寸及形位精度的亚微米化,微小结构零组件装夹、定位、找正的精细化,刀具的小型化、尺寸测量显微化,微小结构零组件加工和装配工艺等一系列技术难题要求建立系统的超精密微细加工设备及工艺、微细测量、组装工艺技术平台,实现由单工序的超精密加工向全过程的超精密制造的演变。


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