第1章 精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望

1、Precision and ultraprecision machining參考材料：1、張建華主編精密與特種加工技術(shù)2、王先逵編精密加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2001年 3、於貽琛精密機(jī)床 第1章 精密和超精密加工的加工范疇精密和超精密加工的加工范疇 1.1 1.1 精密和超精密加工方法分類（精密和超精密加工方法分類（1） 精密和超精密加工方法分類（精密和超精密加工方法分類（2） 精密切削、磨削、研磨實(shí)例精密切削、磨削、研磨實(shí)例1.1 超精密加工是國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一超精密加工是國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一 超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一

2、個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國(guó)尚處于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，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。精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)，作為真實(shí)產(chǎn)品的實(shí)際制造，必然要靠精密加工和超精密加工技術(shù)，例如，計(jì)算機(jī)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(qiáng)的能力，應(yīng)該說，當(dāng)前，我國(guó)集成電路的制造水平約束了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。

3、美國(guó)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(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實(shí)實(shí)在在的制造技術(shù)。 1.1.國(guó)防工業(yè)上的需求國(guó)防工業(yè)上的需求 超精密加工技術(shù)與國(guó)防工業(yè)關(guān)系密切，如陀螺儀的加工涉及多項(xiàng)超精密加工，導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對(duì)稱軸0.0005m，則會(huì)引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。 大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)2.4m，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察140億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機(jī) ）（圖）。 紅外線探測(cè)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

4、影響導(dǎo)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(zhì)量直接影響激光的光源性能。 石英轉(zhuǎn)子的真球度達(dá)到了石英轉(zhuǎn)子的真球度達(dá)到了7.6nm（不超過（不超過40個(gè)原子層），若將該個(gè)原子層），若將該轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有2.4米。米。高精度陀螺儀高精度陀螺儀服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡獅子座螺旋星系宇宙深處的星體銀河系環(huán)形星群位于第二拉格朗日點(diǎn) L2位于第二拉格朗日點(diǎn) L22.2.信息產(chǎn)品中的需求信息產(chǎn)品中的需求 計(jì)算機(jī)上的芯片、磁盤基片、光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感光鼓、

5、各種磁頭、激光打印機(jī)的多面體、噴墨打印機(jī)的噴墨頭等都必須進(jìn)行超精密加工，才能達(dá)到質(zhì)量要求。3.3.民用產(chǎn)品中的需求民用產(chǎn)品中的需求 現(xiàn)代小型、超小型的成像設(shè)備，如攝相機(jī)、照相機(jī)等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成。至于超精密加工床、設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。消色差透鏡加工消色差透鏡加工 普通透鏡和消色差透鏡匯聚色相差對(duì)比普通透鏡和消色差透鏡匯聚色相差對(duì)比 (a) 普通無消色差透鏡成像效果普通無消色差透鏡成像效果 (b) 高質(zhì)量消色差透鏡成像效果高質(zhì)量消色差透鏡成像效果消色差透鏡對(duì)照相機(jī)成像質(zhì)量的影響消色差透鏡對(duì)照

6、相機(jī)成像質(zhì)量的影響氟化鈣晶體氟化鈣晶體國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀(1)美國(guó)是開展研究最早的國(guó)家。(2)日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家 。(3)我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。加工機(jī)理加工機(jī)理 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(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)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(jī)理上均有所創(chuàng)新。 影響精密和超精密

7、加工的因素影響精密和超精密加工的因素 1.被加工材料被加工材料 用精密和超精密加工的零件，其材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能均有嚴(yán)格要求。例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷；其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10-210-3數(shù)量級(jí)，不能含有雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10-510-6數(shù)量級(jí)；材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。 影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 2.加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部

8、件加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件 (1)高精度。(2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動(dòng)化。 加工設(shè)備的質(zhì)量與基礎(chǔ)元部件，如主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)單元和分度轉(zhuǎn)臺(tái)等密切相關(guān)，應(yīng)注意這些元部件質(zhì)量。此外，夾具、輔具等也要求有相應(yīng)的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。英國(guó)OAGM2500美國(guó)LODTM影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 3.3.加工工具加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。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(yīng)達(dá)到24nm，同時(shí)應(yīng)解決其檢測(cè)方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為

9、2nm。 磨具當(dāng)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。影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 4.4.檢測(cè)與誤差補(bǔ)償檢測(cè)與誤差補(bǔ)償 尺寸和形位精度可用電子測(cè)微儀、電感測(cè)微儀、電容測(cè)微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來測(cè)量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進(jìn)行接觸測(cè)量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進(jìn)行非接觸測(cè)量；表面應(yīng)力、表面變質(zhì)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(cè)量。檢測(cè)可采取離線的、在位的和在線的三種方式。 誤差預(yù)防通過提高

10、機(jī)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(bǔ)償是在誤差分離的基礎(chǔ)上，利用誤差補(bǔ)償裝置對(duì)誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補(bǔ)償是根據(jù)事先測(cè)出的誤差值，在加工時(shí)通過硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償是在在線檢測(cè)基礎(chǔ)上，在加工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 5.5.工作環(huán)境工作環(huán)境 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在10.02，甚至達(dá)到0.0005（如：美國(guó)大型光學(xué)金剛石車床LODTM）。 在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%60%，防止機(jī)器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點(diǎn)漂移等。 潔凈度要求1000100級(jí)，10

11、0級(jí)是指每立方英尺空氣中所含大于0.5m的塵埃不超過100個(gè)，依此類推。 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：1.向更高精度、更高效率方向發(fā)展；2.向大型化、微型化方向發(fā)展；3.向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；4.機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；5.不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容(1)超精密加工的加工機(jī)理?！斑M(jìn)化加工”及“超越性加工”機(jī)理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對(duì)各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究。(2)超精密加工設(shè)備制造技術(shù)。納米級(jí)超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機(jī)床總成制造技術(shù)研究。主要研