精密球面数控机床（超精密机床技术获得进展）

　　——加整机装备与半导体封装线产业化，今天小编就来聊一聊关于精密球面数控机床?接下来我们就一起去研究一下吧!

精密球面数控机床

　　——加整机装备与半导体封装线产业化

　　深圳朱光波机械科技有限公司

　　一、国内外研究现状和发展趋势

　　发展超精密机床是发展超精密加工的重要内容，各发达国家都发展了多种超精密机床。进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床是超精密机床的发展方向。

　　超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件。超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程，其发展综合利用了基础理论（包括切削机理、悬浮理论等）、关键单元部件技术、相关功能器件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术、运动控制技术和可重构技术、环境技术等。因此，技术高度集成已成为超精密机床的主要特点。

　　20世纪90年代后，民用超精密加工技术逐渐成熟。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。

　　目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但其发展各有侧重。欧美国家特别是美国，不断投入巨额经费，对大型紫外线、X射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。日本对超精密加工技术的研究相对欧美起步较晚，但发展很快，主要侧重于计算机硬盘磁片、办公设备用多面镜，非球面透镜光学器件等大批量民用产品的超精密加工，在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工方面具有优势。

　　我国虽然是制造大国，但还不是一个“制造强国”，与发达的国家相比仍存有差距。美、英、德国在20世纪70年代就开始生产超精密机床产品，不仅总体整套水平高，而且可批量供货。现在美国和日本均各有几十家工厂和研究所生产超精密机床，英国、荷兰、德国等也都有单位在研发超精密机床，也都达到了较高的水平。

　　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差距还很大。当前我国超精密加工机床存在的突出问题是：自主开发能力薄弱，专业化的配套体系尚未形成，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差。

　　近年来，随着航空、航天、光学、生物化学、地球物理等学科技术的迅猛发展，对精密和超精密加工技术的发展提出了更高的要求，精密和超精密加工机床的需求也越来越高，各国对超精密机床的重视和支持力度也在逐渐加大。未来超精密机床技术的发展趋势是：技术上不断朝着加工的极限方向发展，向更高精度、更高效率方向发展，向大型化、微型化方向发展；功能上向加工检测补偿一体化方向发展；功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展；总体来讲是向极限制造技术方面发展。

　　二、公司主要研究内容

　　深圳朱光波机械科技有限公司（简称光波科技）瞄准制造技术广阔的市场前景，通过广泛技术调研，在开发超精密加工机床方面，进行超精密加工技术的完善工作，掌握核心技术，开展专机研发、产业线设备优化集成、模具开发、专机特种高精度部件开发，形成光薄膜成套生产线和核心自主设备及成套技术。

　　光波科技设立了四个研究方向：一是工业关键基础部件研究，不依赖进口部件；二是端面类纳米装备整机与辊筒类纳米装备整机制造，打破国际禁运装备技术封锁；三是光学半导体零件应用技术研究，向高端应用基础进军；四是新材料制造装备与精细化加工，高纯度纳米级材料应用。

　　光波科技于2013年4月在深圳宝安设立，是亚洲国家极少数的光学微制程装备关键部件与设备研制、材料生产与应用，技术打破国外垄断的高精度特殊行业应用及产业化、纳米专业领域核心技术保密企业。

　　公司自主开发了纳米镜面核心加工技术，拥有自主知识产权的超精度加工设备，可以自主研发、加工各种精度的纳米级精度聚光透镜模具母板，超精密机械零总件，直线型纳米级精度透镜、光栅片。

　　机械运动传动时产生的震动会影响超精密机械制程的精度，本课题研发的关键气浮部件能够减轻机床在高速运动时的机械振动，在多轴高速运动的状态下保证加工表面的镜面光洁，为工件在高速加工过程中提供可靠的质量保证，改善了加工的工艺及产品品质。

　　以气浮隔振轴承、气浮隔振导轨为主体，研究轴材料的疲劳测试，以金属特性、压力阀均化加工及现有样机为主导，开发专机。其中的气浮导轨和气浮运动轴承改变了传统的滚珠轴承的接触球传递运动做功的方法，通过采用直线电机作驱动动力源、气浮导轨做承载运动及隔振、精细的电脉冲进行柔和的连续传动做功，使整机的机座与向速运动部件间实现隔振工艺。气浮轴承承载力大于100公斤，转速大于12000转/分钟，径向及轴向的跳动在30000转/分钟时实测为0.05毫米。气浮导轨承载力大于200公斤，加速1秒钟运行速度可以达到5米以上，径向及轴向的跳动时在5000毫米每秒时实测为0.02毫米。

　　此外，光波科技研发的专用刀具研磨的表面光洁度在0.002μm，其最终加工产品微结构在0.05μm以下。所开发的辊类母板轮两端面采用的是油动静压主轴，作重载用伺服驱动直连动力，使辊在油浮中高速运转，大理石床身上安装气浮导轨和气浮分度装置，把运动时的振动消除，用钻石刀具刻划光学级的超镜面母辊板轮，此辊轮安装在流延设备中，把辊轮圆周上的结构连续转印在片材或板材上作功能性用途。

　　超精密加工机床是一个系统的加工过程，其关键技术在于主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，包括主轴运动、行走机构的气浮导轨、执行机构的回转部件，还有控制部分的PLC、而主轴的回转精度直接影响工件的加工精度。因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。目前深圳朱光波机械科技有限公司研制开发的超精密加工机床的主轴中精度最高的是静压空气轴承主轴（磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度迅速得到提高）。

　　空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05μm，最高可达0.03μm，其精度由气浮轴的运动间隙配合、材料选择、浮力的压强和压强计算等来决定。

　　三、创新点

　　光波科技核心技术是为推动基础工业的更新换代，从工业基础、专机、模具、产品的提升，到解决光学、机械、计算机、材料的综合性应用。

　　公司从基础的机械入手，解决机械加工时的运动振动，提高加工精度。

　　公司主要在两个方面做出了重大突破，一是直线空气隔振运动导轨部件，改变了用磁浮、油作为中间的承载介质，并使其在高速运动时有足够的承载及刚性和运动的精度，做到了超高速、超精密、无接触、无耗材。二是旋转轴运动部件，使用了空气的承载和运动刚性、运动速度精度，做到了超高速、超精密、无接触、无耗材。成果有微纳米压印辊筒模具超精密加工机床、纳米光栅刻划机床、非球面镜面机床等机械整机专机。从机械基础关键部件入手，主要解决用于机械的超精密加工，国内目前在机械加工方面还是老式设备，没有加工精度，关键技术被国外垄断。

　　其一，机床的关键隔振件是气浮导轨和气浮轴承，其难点要求轴和轴套的平整度和同心度在1微米以内，这种加工是非常难的，加工的环境需要恒温恒湿，关键的轴承用料还要经过特殊处理，保证其稳定的性能。

　　其二，所有的气压调节件要求一致性和互换性好，工件的微孔工差在0.1微米以内。

　　其三，结构上要动平衡均匀，精细测量填充。

　　其四，关键电控部分的输出精细化、合理化。

　　四、项目效益

　　机械设备是工业的基础，应用面非常广泛。光波科技为平面显示器行业的一些知名企业，如中兴电子、华为、富士康等提供核心的母板。有平面镜片应用于光学的特种激光上，如湖北光谷的激光器行业的镜片聚焦，医用成像如迈瑞医疗，显示行业的电视机TCL、创维、长虹等市场，都获得了非常好的用户评价。

　　最终产品的机械类和光学类应用面向全人类，可以深入各个领域的应用，给人类造福。产品应用后，此项技术得到了用户的一致好评并开展了紧密的商务合作。

　　该技术格式化了很多比较传统的加工方法，比如抛光行业，之前的技术是工件加微粉加水，用研磨的方式加工，使用该技术后，改变了这一方法，直接用钻石成形刀一次把工件切磨到几纳米的表面光洁度，一是提升产品数量，二是无须研磨耗材金刚石微粉，三是避免了人工装夹的人工费和人工装夹的废品问题。为国家作出工艺创新、产品高效、节约能源的贡献，形成超精密纳米刻划机床样机设计、加工、制造工艺及相应规范、成套生产线、专用模具等多项成果。

　　专机开发完成后，产品主要应用于超精密制造加工、太阳能源与热能、计量纳米光栅尺制造、直线电机机床设备配件、非球面设备及微光学加工、微光学母板、裸眼3D技术、高效照明与纳米光学辊筒印刷装潢等方面，产品技术附加值高、应用市场广泛。

　　超精密光薄膜加工机床预计年销售200台，以每台300万元测算，可实现年销售收入6亿元；专用部件和气浮旋转轴承交通机械、机械、动力等行业预计年销售设备2000套，以每套50万元测算，可实现年销售收入10亿元；超精密机加工机床其他行业（如印染、印刷、机械、光电等加工行业及研究机构推广）预计年销售设备10000台，以每台500万元测算，可实现年销售收入500亿元；国外市场预计年销售500台，以每台80万美元测算，可实现年销售收入4亿美元。

*本文内容摘自《领跑Ⅱ——十四五展望：国家级战略性新兴产业集群典型做法与新技术新产品产业化案例汇编》，不构成购买或投资建议。

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