1、3.8 超精密加工技術(shù)華北電力大學(xué)機(jī)械工程系花廣如3.8.1 概述3.8.1 超精密加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇o 超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的精密加工工藝，隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也是不斷變化的。o 目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及納米加工可以劃分如下：o (1)一般加工。加工精度在10um左右、表面粗糙度值0.300.81um的加工技術(shù)，如車、銑、刨、磨、鏜、鉸等， o (2)精密加工。加工精度100.1um，表面粗糙度值在030.03um的加工技術(shù)，如金剛車、金剛鏜、研磨、珩磨、超精加工、砂帶磨削、等。o (3)超精密加工。加工精度在01001um，表

2、面粗糙度值在0.030.051um的加工技術(shù)，如金剛石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特種加工和復(fù)合加工等。目前，超精密加工的精度正處在亞納米級(jí)工藝，正在向納米級(jí)工藝發(fā)展。o (4)納米加工。加工精度高于1nm，表面粗糙度小于0.005um的加工技術(shù)，其加工方法大多已不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子分子單位加工等方法。超精密切削加工3.8.1.2 超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域 o 超精密加工技術(shù)從加工技術(shù)范疇來說，其包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、精整和光整加工。 o 超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包含了以下幾個(gè)方面； (1)加工技術(shù)即加工方法與加工機(jī)理，主要有超精密切削、超精密磨料加工

3、、超精密特種加工及復(fù)合加工。 (2)材料技術(shù)即加工工具和被加工材料，如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制備及刃磨技術(shù)。工件材料對(duì)超精密切削也有重要影響。 o (3)加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件，主要加工設(shè)備有超精密切削機(jī)床、各種研磨機(jī)、拋光機(jī)以及各種特種精密加工、復(fù)合加工設(shè)備，對(duì)于這些加工設(shè)備有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高度自動(dòng)化的要求。 (4)測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)，必須有相應(yīng)精度級(jí)別的測(cè)量技術(shù)和裝置，即超精密加工要求測(cè)量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 美國LLL實(shí)驗(yàn)室于1983年7月研制成功DTM-3型大型超精密金剛石車床，用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡。采用嚴(yán)格

4、的恒溫控制、流體溫度控制(2000006)。 (5)工作環(huán)境 加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度，使超精密加工達(dá)不到預(yù)期目的，因此，超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進(jìn)行，必須具備各種物理效應(yīng)恒定的工作環(huán)境，如恒溫室、凈化間、防振和隔振地基等。(6)工件的定位與夾緊。3.8.1.3 超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀o 國際上在超精密加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高,而且商品化的程度也非常高。在超精密加工機(jī)床的研制和生產(chǎn)方面,除美、英、日等國家外,德國、荷蘭和中國臺(tái)灣也比較先進(jìn)。o 我國從20世紀(jì)80年代初期開始研究超精密加工

5、技術(shù),主要的研究單位有北京機(jī)床研究所、中國航天精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院長春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。北京機(jī)床研究所研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器。o 我國超精密機(jī)床雖然近幾年有了很大發(fā)展，但和發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，主要表現(xiàn)在超精密非球面車床還不能生產(chǎn)；機(jī)床的精度一般比國外要低一個(gè)等級(jí)；機(jī)床精度的保持時(shí)間大大低于國外；精密空氣主軸、微位移機(jī)構(gòu)、精密CNC 伺服系統(tǒng)，機(jī)床熱變形和精密恒溫控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防振隔振技術(shù)都亟待深入研究，因此精度要求高的精密和超精密機(jī)床，還不得不從國外進(jìn)口。3.8.2 超精密切削加工o 超精密切削加工主要指金剛石刀具

6、超精密車削，主要用于加工軟金屬材料，如銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石和碳素纖維板等非金屬材料，主要加工對(duì)象是精度要求很高的鏡面零件。 3.8.3 超精密磨削和磨料加工o 超精密磨削和磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉主要對(duì)黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，可分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類加工方式。其中固結(jié)磨料加工主要有： 超精密砂輪磨削和超硬材料微粉砂輪磨削 超精密帶磨削 ELID磨削 雙端面精密磨削 電泳磨削3.8.3.1 超精密砂輪磨削技術(shù)o 超精密磨削即是加工精度在0.1um以下、表面粗糙度0.025um以下的砂輪磨削方法，此時(shí)因磨粒去除切屑極薄，將承受很高的壓力，其切削刃表面受

7、到高溫和高壓作用，因此，需要用人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等超硬磨料砂輪。3.8.2 超精密砂帶磨削技術(shù)o 隨著砂帶制作質(zhì)量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達(dá)到高精度和低表面粗糙度值。 油石研磨 3.8.3.3 ELID（電解在線修整）超精密鏡面磨削技術(shù)o 金屬結(jié)合劑的金剛石和立方氮化硼砂輪制造后的整形、砂輪在磨削中形成堵塞和磨損后的修銳技術(shù)。o 在線電解修整（ ELID ）的基本原理是利用在線的電解作用對(duì)金屬基砂輪進(jìn)行修整，即在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽

8、極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶解效應(yīng)而被逐漸去除，磨料不斷地凸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。oELID磨削技術(shù)由于采用ELID技術(shù)，使得用超微(甚至超微粉)的超硬磨料制造砂輪并用于磨削成為可能，其可代替普通磨削、研磨及拋光并實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。3.8.3.4 雙端面精密磨削技術(shù)o 近期新出現(xiàn)了作平面研磨運(yùn)動(dòng)的雙端面精磨技術(shù)，其雙端面精磨的磨削運(yùn)動(dòng)和作行星運(yùn)動(dòng)的雙面研磨一樣，工件既作公轉(zhuǎn)又作自轉(zhuǎn) 。該技術(shù)目前取代金剛石車削成為磁盤基片等零件的主要超精加工方法。 3.8.3.5 電泳磨削技術(shù)o 電泳磨削技術(shù)是一種新的超精密及納米級(jí)磨削技術(shù)，其磨削機(jī)

9、理是利用超細(xì)磨粒的電泳特性，在加工過程中使磨粒在電場(chǎng)力作用下向磨具表面運(yùn)動(dòng)，并在磨具表面沉積形成一超細(xì)磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對(duì)工件進(jìn)行磨削加工，同時(shí)新的磨粒又不斷補(bǔ)充(如圖)。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性，同時(shí)，磨具每旋轉(zhuǎn)一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補(bǔ)充，使微刃始終保持鋒利尖銳。 o通過對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、液體及磨粒特性等影響因素加以控制，就可使磨粒層在加工過程中呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：o 一種是在加工過程中使磨料的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到加工過程中使磨料的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可

10、以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到一個(gè)表面不斷自我修整而尺寸不變的超細(xì)砂輪；o 另一種狀態(tài)是在加工過程中，使磨料的吸附量超過脫落量，那么磨粒層厚度就會(huì)不斷增加，這樣就可以在機(jī)床無切深進(jìn)給條件下實(shí)現(xiàn)磨削深度的不斷增加，即所謂的自進(jìn)給電泳磨削。3.8.3.6 超精密研磨與拋光技術(shù)o 游離磨料加工指在加工時(shí)，磨?；蛭⒎鄢捎坞x狀態(tài)，如研磨時(shí)的研磨劑、拋光時(shí)的拋光液，其中的磨?；蛭⒎墼诩庸r(shí)不是固結(jié)在一起的。游離磨料加工的典型方法是超精密研磨與拋光加工。主要有： 超精密研磨、 磁流體精研、 磁力研磨、 電解研磨復(fù)合加工、 軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光 磁流體拋光 超精研拋等。 o1超精密研磨技術(shù) 研磨是在被加工表面和研具之間

11、置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高。o2.磁流體精研技術(shù) 磁性流體為強(qiáng)磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動(dòng)性，其特性是：每一個(gè)粒子的磁力矩極大，不會(huì)因重力而沉降：磁性曲線無磁滯，磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)增加而增加。當(dāng)將非磁性材料的磨料混入磁流體，置于磁場(chǎng)中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行研磨。 o 3磁力研磨技術(shù) 磁力研磨是利用磁場(chǎng)作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的研磨刷，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨作用。o4電解研磨技術(shù) 電

12、解研磨是電解和研磨的復(fù)合加工，研具是一個(gè)與工件表面接觸的研磨頭，它既起研磨作用，又是電解加工用的陰極，工件接陽極。研磨加工時(shí)，以精度較高電解成形所采用的硝酸鈉水溶液為主，加入既能保持其精度又能提高其蝕除速度組成電解液，電解液通過研磨頭的出口流經(jīng)金屬工件表面，工件表面在電解作用下發(fā)生陽極溶解，在溶解過程中，工件表面形成一層極薄的氧化物，但剛剛在工件表面凸起部分形成的陽極膜被研磨頭研磨掉，于是陽極工件表面上又露出新的表面并繼續(xù)電解，這樣，電解作用與研磨頭刮除陽極膜作用交替進(jìn)行，在極短時(shí)間內(nèi)，可獲得十分光潔的鏡面。o 5軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光 典型的軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光是彈性發(fā)射加工其最小切除量可以達(dá)原子級(jí)，

13、即可小于0001m，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。o 6. 磁流體拋光 磁流體是由強(qiáng)磁性微粉(1015nm大小的Fe304)、表面活化劑和運(yùn)載液體所構(gòu)成的懸浮液，在重力或磁場(chǎng)作用下呈穩(wěn)定的膠體分散狀態(tài)，具有很強(qiáng)的磁性。將工件置于磁流體的上面并與磁流體在水平面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則上浮的磨粒將對(duì)工件的下表面產(chǎn)生拋光加工，拋光壓力由磁場(chǎng)強(qiáng)度控制。o7超精研拋機(jī)械化學(xué)拋光3.8.4 超精密特種加工o 超精密特種加工的方法很多，多是分子、原子單位加工方法，可以分為去除(分離)、附著(沉積)和結(jié)合以及變形三大類。o 分離(去除)加工就是從工件上分離原子

14、或分子，如電子束加工和離子束濺射加工等。附著(沉積)是在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，如電子鍍、離子鍍、分子束處延、離子束外延等。結(jié)合是在工件表面上滲入或涂入一些物質(zhì)，如離子注入、氮化、滲碳等。變形是利用高頻電流、熱射線、電子束、激光、液流、氣流和微粒子束等使工件被加工部分產(chǎn)生變形，改變尺寸和形狀。電子束加工原理圖水噴射加工原理圖385 超精密加工裝備o 超精密加工所用的加工設(shè)備主要有超精密切削磨削機(jī)床、各種研磨機(jī)和拋光機(jī)等。3.8.3.6 超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)o 當(dāng)前，超精密及納米加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下一些方面： (1)向高精度方向發(fā)展，向加工精度的極限沖刺，由現(xiàn)階段的亞微米級(jí)向納米級(jí)進(jìn)軍，其最終目標(biāo)是做到“移動(dòng)原子”，實(shí)現(xiàn)原子綠精度的加工。 (2)向大型化方向發(fā)展，研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿足航天航空、電子通信等領(lǐng)域的需要。 (3)向微型化方向發(fā)展，以適應(yīng)微型機(jī)械、集成電路的發(fā)展。 (4)向超精結(jié)構(gòu)、多功能、光機(jī)電一體化、加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展，并廣泛采用各中測(cè)量、控制技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差。 (5)不斷出現(xiàn)許多新工藝