超精密加工技术的发展现状

传感器技术 2019-04-05

自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后,中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展,很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平,甚至成为世界的顶级水平,但中国制造业总体还是落后的,其落后就在于精密制造的落后。


超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向。



现代科学技术的发展以试验为基础,所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一,当前超精密加工已进入纳米尺度,纳米制造是超精密加工前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。


超精密加工的发展阶段


目前的超精密加工,以不改变工件材料物理特性为前提,以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗 糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤,包括微裂 纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。


超精密加工的研究内容,即影响超精密加工精度的各种因素包括:超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来,国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。


1)20世纪50年代至80年代,美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术,用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。


2)20世纪80年代至90年代,进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司,日本的东芝和日立,以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下,将超精密加工设备的商品化,开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵,主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床,但其加工效率无法和金刚石车床相比。


3)20世纪90年代后,民用超精密加工技术逐渐成熟。在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下,超精密加工技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。随着超精密加工设备的相关技术,例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟,超精密加工设备成为工业界常见的生产设备。此外,设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工工件的尺寸范围也变得更大,应用越来越广泛。随着数控技术的发展,还出现了超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。

 

国外超精密加工的发展情况


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50年代未发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为“SPDT技术”(Single Point Dia-mond 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。


金刚石刀具的超精密切削加工


在大型超精密机床方面,美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床:一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床,另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中,LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精密研磨加工。


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)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<10 nm。


Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床(工作台面积2500mm×2500mm),可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法,还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

OAGM-2500大型cnc超精密磨床


日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。


我国超精密加工的发展情况


在过去相当长一段时期,由于受到西方国家的禁运限制,我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后,西方国家马上对我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。

  

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所(航空303)、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。


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,如精度达0.025μm的精密轴承、JCS—027超精密车床、JCS—031超精密铣床、JCS—035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动-位移测微仪等,达到了国内领先、国际先进水平。


NAM-800 型纳米数控车床是北京机床研究所最新一代的纳米级加工机床。它是当今数控技术、伺服技术、机械制造技术完美的统一。该机床为我国最前沿的科技发展提供了良好的加工手段。


NAM-800 型纳米数控车床


航空航天工业部303 所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。


哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。


清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究,并有相应产品问世。


此外, 中科院长春光学精密机械与物理研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究, 成绩显著。


但总的来说, 我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性, 特别是规格(大尺寸) 和技术配套性方面与国外相比, 与生产实际要求相比, 还有相当大的差距。 另外,复杂曲面的精密加工也一直是我国制造业发展的壁垒,而制造业的发展关系着国家经济的长远发展问题,仍需投入大量的研究。

 

精密加工的发展趋势


1、高精度、高效率。


高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说,固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度,而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如CMP、EEM等虽能获得极高的表面质量和表面完整性,但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高,但无法获得如CMP、EEM的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法,成为超精密加工领域研究人员的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。


2、工艺整合化。


当今企业间的竞争趋于白热化,高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下,出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面,使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。


3、大型化、微型化。


为加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜),需要建立大型超精密加工设备。为加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等),需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备)。


超精密加工技术正迎来一个繁荣的时代。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光技术已取得长足的进展,加工后工件表面精度可达纳米级或亚纳米级,并且加工方法目趋多样化。在流量计传感器的生产制造中,为了达到产品的高精度测量,精密加工技术保证了产品的加工精度。


上海康汇研发生产的U-How®容积式旋转活塞流量计,属于精密加工计量器件,经过北京市计量检测科学研究院检测认证,精度达到1.0级。为确保流量计转子达到50万转次以上和腔体容积的稳定性,腔体及转子等主要部件,均用精密加工制造,保证部件尺寸精度达到1μm以上。 


U-How®康汇燃油流量计


U-How®康汇流量计是上海康汇实业发展有限公司,根据旋转活塞式工作原理自主研发生产的,具有测量流速低、量程宽、精度高、结构简单、工作安全可靠等特点的高精度流量传感器。





工作原理


旋转活塞式流量计,是属于容积式流量计,它基于活塞与计量室一直保持的相切密封状态。并有一个固定的偏心距计量元件活塞,在压差的作用下,对活塞产生转动力矩,使活塞做偏心旋转运动,活塞的转数正比于流体的流量,通过记数机构记录出活塞转数,即可测得流体总流量。


旋转活塞式流量计进出口由隔板隔开。当被测流体从进口进入计量室,这时进出口形成压差,迫使活塞逆时针旋转如图a所示。流体连续流入,迫使活塞转动如图b所示,形成二个半月牙腔体,在压差作用下迫使活塞转动如图c,V2流体从出口排出,使活塞转动如图d所示,在压差作用下转动,活塞每转一周迸出的流体等于V1+V2的和。


工作原理图

 


流量计爆炸图:



产品参数



1、机械部分:


型号

PDFM

4D

PDFM

8D

PDFM

8Db

液压连接器

M14

x1.5

M14

x1.5

M16/22

x1.5

最大工作压力 

(MPa)

2.5

2.5

2.5

测量范围    

(l/h)

1~

80

20~

200

80~

320

精度   (﹪)

±1

±1

±1

重复率 (﹪)

±0.2

±0.2

±0.2

测量室体积   

(ml)

5

12.44

12.44

内置滤网尺寸

(mm)

0.125

0.15

0.15

工作温度

(℃)

﹣20

~80

﹣20

~80

﹣20

~80

存储温度

(℃)

﹣40

~100

﹣40

~100

﹣40

~100


2、电子部分:


型号尺寸

KHDQ

工作电压     (V)

9~40

输出接口

RS485/RS232

数据线

2×0.75

工作温度    (℃)

﹣20~80

存储温度    (℃)

﹣40~100

 

测量介质:


可测量轻质和中质油料,如:汽油、柴油、煤油、石脑油、润滑油


产品资质



1. 发明专利:ZL201020504169.8流量传感器


2. 国家汽车质量监督检验中心车辆检测报告


3. 交通部委托北京计量院精度检测报告


油耗监控解决方案



应用对象


1.发动机:


火车、汽车、工程车、拖拉机、发电机组及内河或近海航行的船舶中测量各类动力机器的燃油消耗量,及各种较重液体的装卸计量和管道过液计量。


2.燃烧器:


车载锅炉、移动锅炉等设备的燃油消耗计量。


数据采集方式


通过采集流量计脉冲数据的方式,以RS485/RS232对接设备单位的系统集成


解决方案






实施案例



某大型石油集团:

吊管机、移动电站、多功能车、弯管机、空压机等


某大型采油厂:

锅炉车、清蜡车、超导车、水泥车、吊车等;


港口:

龙门吊、堆高机、正面吊、装载机等


其它:

轮胎胎压油耗测试;驾驶员驾驶技术比武;发动机性能标定


空压机



锅炉车





U-How®康汇燃油流量计

联系人 汪先生

电话:18964834582




传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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