主講：覃壽同

《精密及超精密加工技術(shù)》

鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院答疑信箱：qst@1

《精密及超精密加工技術(shù)》關(guān)于本課程2關(guān)于本課程課程名稱（中／英文）：精密與超精密加工技術(shù)PrecisionandUltra-precisionManufacturingTechnology總學(xué)時(shí)：24學(xué)分：1.5適用對(duì)象:機(jī)械專業(yè)本科課程性質(zhì)：任選課工科類機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的專業(yè)課；也可作為是機(jī)械工程類學(xué)生、研究生擴(kuò)展專業(yè)知識(shí)面、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的專業(yè)限選課和專業(yè)任選課程。3課程目的：介紹一些新的制造理念和技術(shù)；精密與超精密加工的概念、所處地位及發(fā)展現(xiàn)狀；所用的刀具與磨具、機(jī)床與工藝、檢測(cè)方法的基本原理等理念和技術(shù)；掌握有關(guān)這些方面的知識(shí)，培養(yǎng)解決生產(chǎn)與科研實(shí)際問(wèn)題的能力。4先修課程已具備機(jī)械類專業(yè)主要課程基礎(chǔ)知識(shí)：選修或自學(xué)過(guò)：《機(jī)械制圖》《金屬工藝實(shí)習(xí)》《機(jī)械制造基礎(chǔ)》《金屬切削機(jī)床》《金屬切削原理及刀具》《機(jī)械制造工藝學(xué)》《機(jī)械制造生產(chǎn)實(shí)習(xí)》等5課程任務(wù)：了解和認(rèn)識(shí)精密和超精密加工過(guò)程的一般現(xiàn)象及基本規(guī)律；能按具體加工條件選擇合理的加工方法，了解及掌握不同方法技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合；了解及會(huì)初步選擇與方法相適應(yīng)的合適的設(shè)備、工具、磨具、工藝參數(shù)、測(cè)量手段、支撐環(huán)境；了解精密和超精密加工的學(xué)科前沿及發(fā)展動(dòng)態(tài)，包括納米技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等概念和特點(diǎn)；了解需要的支撐環(huán)境技術(shù)等。6課程主要內(nèi)容第一講：緒論及課程介紹2第二講：精密與超精密切削技術(shù)4第三講：精密與超精密磨削技術(shù)

4第四講：超精密研磨與拋光技術(shù)

4第五講：精密與超精密加工的工藝裝備

2第六講：精密與超精密加工的測(cè)量技術(shù)

2第七講：超精密加工的支撐環(huán)境技術(shù)

2第八講：超精密加工典型零件加工簡(jiǎn)介

4

課時(shí)合計(jì)247推薦教材及參考資料[1]袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,1999年[2]劉賀云.精密加工技術(shù).華中理工大學(xué)出版社,1991年[3]王先逵.精密及超精密加工.機(jī)械加工手冊(cè),第2卷,14章,機(jī)械工業(yè)出版社,1991年[4]現(xiàn)代加工技術(shù)叢書(shū)化學(xué)工業(yè)出版社2004.1[5]李伯民.趙波現(xiàn)代磨削技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社2003.6[6]李長(zhǎng)河，丁玉成.先進(jìn)制造工藝技術(shù)科學(xué)出版社2011.3[7]王潤(rùn)孝.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論科學(xué)出版社2004.4[8]盧小平.現(xiàn)代制造技術(shù)清華大學(xué)出版社2003.10[9]徐耀信.機(jī)械加工工藝及現(xiàn)代制造技術(shù)西南交通大學(xué)出版社2005.2[10]李夢(mèng)群，龐學(xué)慧，王凡.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論國(guó)防出版社2005.5[11]李偉.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論》機(jī)械工業(yè)出版社2005.88

《精密及超精密加工技術(shù)》第一講：精密及超精密加工技術(shù)概念9一、研究對(duì)象：什么是精密加工與超精密加工？——相對(duì)概念，在不同階段加工發(fā)展時(shí)期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到的程度，發(fā)展不同階段的加工精度；目前認(rèn)為：精密加工：精度：0.1—1μm，Ra0.02—0.1μm超精密加工：精度：＜0.1μm，Ra＜0.01μm相對(duì)概念

瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)——鏜孔精度1mm20世紀(jì)40年代——最高精度1μm20世紀(jì)末及21世紀(jì)初、中葉——

精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亞微米）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm（納米）10二、與精密與超精密加工相關(guān)的概念1.亞微米加工：精度為0.1μm級(jí)的加工；2.納米加工：加工精度達(dá)納米級(jí)，納米技術(shù)一般指0.1~100nm材料的設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、控制等一系列技術(shù)；3.微細(xì)加工：多指制造微小尺寸零件的生產(chǎn)，用于半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)，如光刻技術(shù)、微細(xì)加工等等；但超微細(xì)加工加工的尺寸比微細(xì)加工尺寸更小，可達(dá)納米級(jí)。4.光整加工：主要是指以提高零件表面質(zhì)量，降低表面粗糙度、和提高表面物化性能為主的加工方法。一般不以提高加工精度目的為主。如拋光、磁流變、磨料流加工。5.精整加工：即又能提高零件加工精度，又能提高零件表面質(zhì)量的加工方法。如研磨、超級(jí)精磨、鏡面磨削等手段的加工技術(shù)；

11零件加工精度表面粗糙度激光光學(xué)零件形狀誤差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面鏡平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁頭平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁盤(pán)波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷達(dá)導(dǎo)波管平面度垂直度誤差＜0.1μmRa＜0.02μm

衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01μmRa＜0.002μm

天體望遠(yuǎn)鏡形狀誤差＜0.03μmRa＜0.01μm

幾種典型精密零件的加工精度（位置誤差）12

精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機(jī)離子束加工分子對(duì)位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測(cè)量?jī)x器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動(dòng)測(cè)微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機(jī)激光測(cè)長(zhǎng)儀圓度儀輪廓儀激光高精度測(cè)長(zhǎng)儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份13三、引起學(xué)科發(fā)展原因：新、高、精、尖產(chǎn)品要求；（高技術(shù)及國(guó)防需求為主導(dǎo)）提高已有產(chǎn)品的性能與質(zhì)量要求；產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、小型化要求；零件的互換性要求；設(shè)備裝配及生產(chǎn)率要求；提高總體制造水平要求；

……14例子：①超精密加工的陀螺儀精度提高可增加導(dǎo)彈的命中精度

美國(guó)民兵洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)陀螺儀精度0.03°—0.05°h，精度圓概率500m；美MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈加工的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，則命中概率500m提高到50—100m，民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈15民兵洲際導(dǎo)彈MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈16例子：①超精密加工的陀螺儀精度提高可增加導(dǎo)彈的命中精度

美國(guó)民兵洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)陀螺儀精度0.03°—0.05°h，精度圓概率500m；美MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈加工的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，則命中概率500m提高到50—100m，一般認(rèn)為1kg重的陀螺轉(zhuǎn)子，質(zhì)量中心偏離對(duì)稱軸0.5nm，則會(huì)引起100米的射程誤差50米的軌道誤差導(dǎo)航用陀螺儀陀螺儀工作示意圖航向陀螺儀結(jié)構(gòu)原理17②英國(guó)Rolls-Roycc公司資料

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片精度60μm到12μm

，Ra0.5到0.2μm，則壓縮效率將發(fā)生“戲劇性改善”效率89%提高到94%；③傳動(dòng)齒輪的齒距誤差減小可增加傳遞轉(zhuǎn)矩目前：3-6μm，若降低到1μm，則單位重量所能傳遞的轉(zhuǎn)矩將提高近一倍；④“飛行高度”問(wèn)題——磁頭與磁盤(pán)之間高度影響存儲(chǔ)量

目前已達(dá)0.3μm，近期力爭(zhēng)達(dá)到0.15μmIBM開(kāi)發(fā)的磁盤(pán)50年代末300bit/cm2→82年254萬(wàn)bit/cm2，提高了近10000倍；⑤常見(jiàn)慣性儀表零件的制造精度激光陀螺平面反射鏡，平面度0.03-0.06μm，Ra0.012以下人造衛(wèi)星的儀表軸承（真空無(wú)潤(rùn)滑軸承）Ry=1nm（0.001μm），圓度和圓柱度均以nm來(lái)表示波導(dǎo)管加工超精密車削內(nèi)腔Ra=0.01-0.02μm或≤0.01

端面Ra≤0.01μm平面度＜0.1μm垂直度＜0.1

品質(zhì)因素可達(dá)6000，而一般生產(chǎn)方法僅能到2000-400018⑥集成電路集成度提高提高取決于超精密加工水平加工的最小線寬

小規(guī)模＜10-12電路數(shù)＜100元件/單位最小線寬≤8μm

中規(guī)模12-100電路數(shù)100-1000最小線寬≤6μm

大規(guī)模＞100-＜電路數(shù)1000-＜最小線寬3-6μm

超大規(guī)?！蓦娐窋?shù)≥最小線寬0.1-2.5μm

已論證5nm的線寬在理論上是可行英國(guó)格拉斯哥大學(xué)于1985年以電子束加工技術(shù)加工出30nm線寬日本ERATO公司正加工20nm線寬，硅基片上以黃金為導(dǎo)體線距為0.2mm線路板與線寬

集成度為600萬(wàn)的集成塊19精密與超精密加工目前水平：美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01μm；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1μm；日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達(dá)2nm；美國(guó)陀螺儀球圓度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi)；（激光制導(dǎo)可達(dá)3m范圍內(nèi)，取決于制導(dǎo)形式、精密加工的執(zhí)行件）英國(guó)飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60μm降至12μm，發(fā)電機(jī)壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4μm減小1μm，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍20四、精密與超精密加工分類（1）以傳統(tǒng)加工理念分類

1、超精密切削，以超精密金剛石刀具切削為主解決各種鏡面、反射鏡等加工問(wèn)題；

2、精密和超精密磨削和研磨，解決集成電路基片加工和高精度硬盤(pán)加工問(wèn)題；

3、（超）精密特種加工非常規(guī)切、磨手段之外的加工技術(shù)；

21結(jié)合加工

分類加工機(jī)理加工方法示例去除加工電物理加工電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電化學(xué)加工電解加工、蝕刻、化學(xué)機(jī)械拋光力學(xué)加工切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工熱蒸發(fā)（擴(kuò)散、溶解）電子束加工、激光加工附著加工注入加工化學(xué)化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電化學(xué)電鍍、電鑄熱熔化真空蒸鍍、熔化鍍化學(xué)氧化、氮化、活性化學(xué)反映電化學(xué)陽(yáng)極氧化熱熔化摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長(zhǎng)力物理離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理激光焊接、快速成形化學(xué)化學(xué)粘接變形加工熱流動(dòng)精密鍛造、電子束流動(dòng)加工、激光流動(dòng)加工粘滯流動(dòng)精密鑄造、壓鑄、注塑分子定向液晶定向2.以加工件材料轉(zhuǎn)移方法分類223.以加工機(jī)理分類1.傳統(tǒng)加工技術(shù)為主的精密加工方法：多以去除法、及機(jī)械力為主的加工；如：金剛石超精切削、金剛石微粉磨削、精磨、研磨、精研、拋光等；2.

特種超精加工方法：不以機(jī)械力為主的加工方法，依靠其它能量進(jìn)行加工：如：精細(xì)電火花加工、微細(xì)電解磨削、微細(xì)超聲加工、離子加工、激光加工等；3.復(fù)合超精密加工方法：傳統(tǒng)精密加工方法復(fù)合、特種超精加工方法復(fù)合、以及傳統(tǒng)精密加工方法與特種超精加工方法復(fù)合等。機(jī)械化學(xué)拋光、精密電解磨削、精密超聲波磨削、精密超聲珩磨等等；

234.以加工工具和機(jī)理分類（1）刀具切削加工：以去除法及機(jī)械力為主的加工；如：精密、超精密車削；精密、超精密銑削；精密、超精密鏜削；微細(xì)小孔鉆削。（2）磨料加工：

磨削：精磨、超精磨、砂帶磨；

研磨：精研、超精研磨、油石研磨、磁性研磨、滾動(dòng)研磨；

拋光：精拋、彈性發(fā)射拋光、流體動(dòng)力拋光、噴射拋光、磁流體拋光等；

超精加工：珩磨：振動(dòng)研磨；24磨料超精及精密加工簡(jiǎn)介——精整和光整加工精整加工——它是指精加工后從工件上切除很薄的材料層,以提高工件精度和減小表面粗糙度為目的的加工方法。例如：研磨和珩磨

光整加工——是指不切除或從工件上切除極薄材料層,以減小工件表面粗糙度為目的的加工方法。

例如：超級(jí)光磨和拋光

25

1.研磨（1）加工原理研磨是在研具與工件之間置以研磨劑,對(duì)工件表面進(jìn)行精整加工的方法。通過(guò)研磨劑的機(jī)械及化學(xué)作用,對(duì)工件表面進(jìn)行加工。組成：研具、工件、研磨劑。研具：硬度低于工件，形狀與工件相適應(yīng)；用鑄鐵、軟鋼、黃銅、塑料或硬木制造；工件：硬度高于研具；研磨劑：磨料、研磨液和輔助填料等混合而成，有液態(tài)、膏狀和固態(tài)三種。26研具研磨原理27研磨、28

（2）研磨的特點(diǎn)及應(yīng)用

特點(diǎn):1)加工簡(jiǎn)單,不需復(fù)雜設(shè)備；2)可以達(dá)到高的尺寸精度、形狀精度和小的表面粗糙度,但不能提高工件各表面間的位置精度；精磨時(shí)尺寸誤差和形狀誤差可以小到0.1～0.3μm；表面粗糙度Ra值可達(dá)0.025μm以下；3)生產(chǎn)率較低,加工余量一般不超過(guò)0.01～0.03

mm；4)研磨劑易于飛濺,污染環(huán)境。29研磨應(yīng)用各種表面：常見(jiàn)的表面如平面、圓柱面、圓錐面、螺紋表面、齒輪齒面等；精密配合偶件:如柱塞泵的柱塞與泵體、閥心與閥套等。精密零件的最終加工:如精密量塊、量規(guī)、齒輪、鋼球、噴油嘴、精加工鏡頭、棱鏡等。精加工石英晶體、半導(dǎo)體晶體、陶瓷元件等。302.珩磨（1）加工原理

珩磨是利用帶有油石的珩磨頭對(duì)孔進(jìn)行精整加工的方法。31珩磨頭結(jié)構(gòu)示意圖珩磨頭示意圖32

（2）珩磨的特點(diǎn)和應(yīng)用

特點(diǎn):1)生產(chǎn)率較高；余量：鑄鐵為0.02～0.15mm；鋼件為0.005～0.08mm；2)精度高；不能提高孔的位置精度。原因：珩磨頭與機(jī)床主軸浮動(dòng)連接；3)珩磨表面耐磨損；4)珩磨頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；5)不宜加工有色金屬。33珩磨應(yīng)用：珩磨主要用于孔的精整加工；直徑為5～500mm或更大的孔；能加工深孔；珩磨還可以加工外圓、平面、球面和齒面等；應(yīng)用普遍：大批大量或單件小批生產(chǎn)中；典型零件：例如飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸、缸套、連桿以及液壓油缸、炮筒等。34

3.超級(jí)光磨（1）加工原理超級(jí)光磨是用裝有細(xì)磨粒、低硬度油石的磨頭,在一定壓力下對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工的方法。

35超級(jí)光磨加工外圓示意圖36

（2）超級(jí)光磨的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn):1)設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便；2)加工余量極小,只留有3～10μm的加工余量；3)生產(chǎn)率較高；加工余量極小,加工時(shí)間很短,約為30～60s；4)表面質(zhì)量好；(Ra小于0.012μm),復(fù)雜的交叉網(wǎng)紋,利于儲(chǔ)油,表面的耐磨性；5)不能提高其尺寸精度和形位精度.37超級(jí)光磨應(yīng)用汽車、內(nèi)燃機(jī)零件；軸承、精密量具等小粗糙度表面零件；它不僅能加工軸類零件的外圓柱面,而且還能加工圓錐面、孔、平面和球面等。

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4拋光（1）

加工原理拋光是在高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上涂以磨膏，對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工的方法。拋光輪——用毛氈、橡膠、皮革或布做成。磨膏——由磨料（氧化鉻、氧化鐵等）和油酸、軟脂等配制而成。39例如：拋光示意圖40

（2）特點(diǎn)及應(yīng)用1）方便簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)；2）容易對(duì)曲面進(jìn)行加工；3）僅能提高表面質(zhì)量，而不能提高加工精度；4）勞動(dòng)條件較差。41（3）精密與超精密加工的特種加工方法：

電火花加工：電火花成型、電火花線切割；

電化學(xué)加工；電解加工、電鑄、

化學(xué)加工：蝕刻、化學(xué)銑削、

超聲加工：

微波加工：

高能束加工：電子束加工、離子束加工、激光束加工、紅外光加工；復(fù)合加工：化學(xué)類：精密電解磨、研、拋；

超聲類：精密超聲車、磨、研、拋；

化學(xué)類：機(jī)械化學(xué)磨、研、化學(xué)機(jī)械拋；

42五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：1.總體發(fā)展：

設(shè)備情況（國(guó)外領(lǐng)先較多）單晶金剛石刀具進(jìn)行超精切削，

50年代簡(jiǎn)單圓柱、球面、平面Ry=0.1μ現(xiàn)正發(fā)展加工非球曲面，大型超精密零件切削表現(xiàn)：中小型零件批量大型超精密切削（美國(guó)領(lǐng)先）

LLL實(shí)驗(yàn)室（LowrenceLivermoreLaboratory）

1983年DTM-3型超精密金剛石車床Ф2100mm4500kg1984年LODTM型超精密金剛石車床Ф1625mm1360kg43五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：中小型零件磁盤(pán)日本占有率

198419851987198717%24%44%49%28657914421741（萬(wàn)片）機(jī)床歐美等國(guó)生產(chǎn)①空氣軸承主軸，高壓液體靜壓軸承②精密數(shù)學(xué)伺服方式激光干涉測(cè)量（CNC）

nm級(jí)微位移③恒溫油淋系統(tǒng)油溫20℃±0.0005℃

44五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：壓電晶體誤差補(bǔ)償技術(shù)可保證加工精度0.025μPhilips公司COLATH

英國(guó)Cranfield

公司與SERC公司合作

OAGM2500（工作臺(tái)2500*2500車磨測(cè)量等）我國(guó)情況：沈陽(yáng)、濟(jì)南大型超精密車、球面車等也有較高水平；但目前無(wú)高質(zhì)量的超精數(shù)控金剛石車床2.金剛石刀具和超精切削機(jī)理研究

刀具要點(diǎn)：晶面的選擇刀具研磨質(zhì)量：（刀刃刃口半徑ρ）影響實(shí)際切削厚度，名義切削厚度

ρ值：國(guó)外——納米級(jí)國(guó)內(nèi)——0.1-0.3μ

45五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：刀具測(cè)量問(wèn)題：SEM(掃描式電子顯微鏡)

＜0.01μm測(cè)量是一個(gè)困難其他機(jī)理研究：磨損問(wèn)題，最小切削厚度，積屑瘤等工件材料對(duì)超精加工影響：不純性問(wèn)題晶界影響殘余變形、應(yīng)力與刀具親和力3.檢測(cè)與補(bǔ)償測(cè)量機(jī)精度高于被測(cè)一個(gè)數(shù)量級(jí)一般用非接觸式測(cè)量方法

46五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：非接觸式測(cè)量方法

Johaness

公司高次光波干涉顯微鏡分辨率0.5nm

Orienpass

公司重復(fù)反射干涉±0.001nm

隧道掃描顯微鏡