1、精密和超精密加工技術,主講：高作斌,參考材料： 張建華主編精密與特種加工技術 於貽琛精密機床,教材：袁哲俊、王先逵主編精密和超精密加工技術機械工業(yè)出版社,緒論,主要內容,1.1 感性認識精密和超精密加工,美國民兵系列洲際導彈系統(tǒng)陀螺儀、戰(zhàn)略導彈,3,制造精度微小偏差帶來較大的命中誤差,1.1 感性認識精密和超精密加工,各類型人造衛(wèi)星,4,儀表軸承表面粗糙度：Ra=1nm,1.1 感性認識精密和超精密加工,雷達波導管,5,內表面粗糙度Ra0.010.02m或0.01m,1.1 感性認識精密和超精密加工,渦噴-13系列飛機發(fā)動機葉片,6,提高葉片加工精度，可進一步提高發(fā)動機壓縮效率、傳遞扭矩。,1

2、.1 感性認識精密和超精密加工,磁盤基片及磁頭,7,飛行高度：0.3m0.15m，人類頭發(fā)直徑的千分之一,1.1 感性認識精密和超精密加工,照相機、攝像機等光學產品,8,一、精密和超精密加工的定義及加工范疇,精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。 精密加工 加工精度（尺寸和形狀）在0.11m，加工表面粗糙度在Ra0.020.1m之間的加工方法稱為精密加工；,1.2 精密和超精密加工的技術內涵,9,超精密加工：加工精度（尺寸和形狀）高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra0.01m之間的加工方法稱為超精密加工。 如

3、果在加工中能以原子級為單位去除被加工材料，即是加工的極限，從這一角度來定義，可以把接近于加工極限的加工技術稱為超精密加工，也稱納米加工。,10,不同時期的精密和超精密加工精度,11,12,各種產品與所要求的精度范圍,13,二、精密和超精密加工方法分類（1）,14,三、精密和超精密加工方法分類（2）,15,四、精密切削、磨削、研磨實例,16,1.3 精密和超精密加工技術的地位與作用,一、超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標志之一,超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術水平的重要標志之一。例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關鍵技

4、術參數，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平（100nm1m），相差一個數量級；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。,17,二、精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵,作為制造技術的主戰(zhàn)場，作為真實產品的實際制造，必然要靠精密加工和超精密加工技術，例如，計算機工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強的能力，應該說，當前，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的發(fā)展。美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩毫米工程”使汽車質量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實實在在的制造技術。,18

5、,三、超精密加工的意義,提高制造精度 提高產品質量和性能 提高產品可靠性 促進產品小型化 增強零件互換性 提高裝配生產率，促進裝配自動化 超精密加工技術已經成為國際競爭中取得成功的關鍵技術。 國與國之間的競爭實質是尖端技術之間的競爭，而超精密加工是其中主要的一個方面。,19,1.4 精密和超精密加工的需求及應用,超精密加工技術主要應用于：尖端技術、國防工業(yè)、微電子工業(yè)、激光技術、航空航天、衛(wèi)星、計量、光學儀器、大規(guī)模集成電路、部分民用產品等。,20,一、國防工業(yè)上的需求及應用,超精密加工技術與國防工業(yè)關系密切，如陀螺儀的加工涉及多項超精密加工，導彈系統(tǒng)的陀螺儀質量直接影響其命中率，1kg的陀螺

6、轉子，其質量中心偏離其對稱軸0.0005m，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。 大型天體望遠鏡的透鏡、直徑達2.4m，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機 ）（圖）。 紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1m，表面粗糙度為Ra0.01m，其加工精度直接影響導彈的引爆距離和命中率。 激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1m，表面粗糙度小于Ra0.01m，其質量直接影響激光的光源性能。,21,服役的哈勃望遠鏡,獅子座螺旋星系,宇宙深處的星體,銀河系環(huán)形星群,22,精密雷達、精確制導、電子對抗、導彈防御系統(tǒng)（TMD、NMD）

7、、間諜衛(wèi)星等 人造衛(wèi)星儀表軸承 紅外導彈中紅外線反射鏡 超小型計算機等 海灣戰(zhàn)爭、克索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭中美國及其盟國武器系統(tǒng)中大部分與超精密加工技術有關。如：精密雷達、精確制導、電子對抗、隱形飛機、夜戰(zhàn)能力、間諜衛(wèi)星、紅外制導等。 美國及其盟國的勝利在某種意義上看，可以說是高技術戰(zhàn)爭、是高科技的勝利。沒有超精密加工技術，就沒有真正的國防工業(yè)。,尖端產品和現代化武器依賴于超精密加工,23,二、信息產品中的需求及應用,計算機上的芯片、磁板基片、光盤基片等都需要超精密加工技術來制造。錄像機的磁鼓、復印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機的噴墨頭等都必須進行超精密加工，才能達到質量要

8、求。,24,25,三、民用產品中的需求及應用,計算機磁盤基片、錄像機磁鼓、激光反射鏡、隱形眼鏡、光盤、各種天文望遠鏡、顯微鏡、光學儀器、復印機等產品，以及現代小型、超小型成像設備，如攝相機、照相機等上的各種透鏡，特別是光學曲面透鏡，激光打印機、激光打標機等各種反射鏡都要靠超精密加工技術來完成。至于超精密加工床、設備和裝置當然更需要超精密加工技術才能制造。,26,1.5 超精密加工現狀及發(fā)展趨勢,一、超精密加工技術的研究內容,超精密加工刀具：金剛石刀具材料與結構 超精密加工機理 超精密加工機床設備 超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件 超精密加工測量技術：檢測技術和誤差補償 超精密加工的工件材料 微細加工 (超

9、精密特種加工),27,二、超精密加工的關鍵技術,機床技術 (剛度、驅動系統(tǒng)、主軸、工作臺、導向、軸承、潤滑、夾持系統(tǒng)、變形等) 刀具技術 (刀具幾何參數、刀具結構、磨損、破損等) 測量技術 (誤差檢測、補償、位移、形狀、粗糙、微位移機構、激光技術、表面變質層等) 環(huán)境技術 (空氣、溫度、振動、噪聲、濕度、靜電、光等),28,三、超精密加工技術的國內外現狀,美國是開展研究最早的國家。 日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。 我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。（見例圖）,29,英國多功能三坐標聯動數控磨床OAGM2500：加工

10、尺寸:2.5m2.5m0.61m，12.5m、Ra23nm,美國大型光學金剛石車床LODTM（1984）：可加工1625mm，1360kg，0.025m、Ra0.0045m,CNC超精密車床：300mm,空氣軸承超精密車床JSC-027、NAM-800型CNC超精密金剛石車床：800mm等,30,四、影響精密和超精密加工的因素,1、加工機理,金剛石刀具是超精密切削中的關鍵因素。兩個重要問題：一是晶面的選擇；二是切削刃鈍圓半徑rn。 近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現了電子束、離子束、激光束等

11、高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學加工等多種方法，特別是復合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機理上均有所創(chuàng)新。,31,單晶金剛石就是單一碳原子的結晶體，其晶體結構屬于等軸面心立方晶系(一種原子密度最高的晶系)。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，因此具有很強的結合力、穩(wěn)定性和方向性。它是目前自然界已知的最硬物質，其顯微硬度可達10000HV。 二十世紀七十年代后期，在激光核融合技術的研究中，需要大量加工高精度軟質金屬反射鏡，要求軟質金屬表面粗糙度和形狀精度達到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法，不僅加工時間長、費用高、操作難度大，而

12、且不易達到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現實需求的推動下，單晶金剛石超精密切削技術得以迅速發(fā)展。由于單晶金剛石本身的物理特性，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，加工表面質量好，加工有色金屬時，表面粗糙度可達Rz0.10.05m。金剛石還能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實心木和膠合板、MDF等復合材料)。,切削刃鈍圓半徑：國外達到數納米級；國內0.10.3m。,32,2、被加工材料,用精密和超精密加工的零件，其材料的化學成分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求

13、。例如，要求被加工材料質地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內部微觀缺陷；其化學成分的誤差應在10-210-3 數量級，不能含有雜質；其物理力學性能，如拉伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導率和膨脹系數等應達到10-510-6 數量級；材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學、力學等性能要求。,33,3、加工設備及其基礎元部件,(1)高精度。 (2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動化。 加工設備的質量與基礎元部件，如主軸系統(tǒng)、導軌、直線運動單元和分度轉臺等密切相關，應注意這些元部件質量。此外，夾具、輔具

14、等也要求有相應的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。,34,4、加工工具,加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應達到24nm，同時應解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。 磨具當前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。,35,5、檢測與誤差補償,超精密加工要求測量精度比加工精度高一個數量級。 尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準

15、直儀和激光干涉儀來測量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進行接觸測量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法(0.01nm)進行非接觸測量；表面應力、表面變質層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。檢測可采取離線的、在位的和在線的三種方式。 誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償是在誤差分離的基礎上，利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態(tài)和動態(tài)補償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補償是根據事先測出的誤差值，在加工時通過硬件或軟件進行補償；動態(tài)誤差補償是在在線檢測基礎上，在加工時進行實時補償。,36,6、工作環(huán)境,超穩(wěn)定環(huán)

16、境條件：恒溫、防振、超凈、恒濕。 環(huán)境溫度可根據加工要求控制在10.02，甚至達到0.0005。 在恒溫室內，一般濕度應保持在55%60%，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點漂移等。 潔凈度要求1000100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5m的塵埃不超過100個，依此類推。,37,五、超精密加工技術發(fā)展趨勢,超精密加工技術未來的發(fā)展趨勢是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測一體化方向發(fā)展；機床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。,38,六、我國今后的主要研究內容,超精密加工的加工機理?！斑M化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現象、性能以及工藝參數進行提示性研究。 超精密加工設備制造技術。納米級超精密車床