精密和超精密加工技術及其發(fā)展展望

1、1.1 1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性1.2 1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀超精密加工技術的現(xiàn)狀1.3 1.3 超精密加工技術發(fā)展展望超精密加工技術發(fā)展展望第第1 1章章 精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階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，可將段，通常，按加工精度劃分，可將機械加工分為一般機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段加工、精密加工、超精密加工三個階段。 精密加工精密加工：加工精度在：加工精度在0.10.11 1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度在度在Ra0.02Ra0.020.10.1m

2、m之間的加工方法稱為精密加工；之間的加工方法稱為精密加工；超精密加工超精密加工：加工精度：加工精度高于高于0.10.1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度度小于小于Ra0.01Ra0.01m m的加工方法稱為超精密加工。的加工方法稱為超精密加工。( (微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等 ) )一一 精密和超精密加工精密和超精密加工提高制造精度后可提高產品的性能和質量，提高提高制造精度后可提高產品的性能和質量，提高產品穩(wěn)定性和可靠性；產品穩(wěn)定性和可靠性；促進產品小型化；促進產品小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產率，并促進自增強零件的互換性，提

3、高裝配生產率，并促進自動化裝配。動化裝配。二二 提高加工精度的原因提高加工精度的原因超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍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。和幾何形狀是一個國家制造技術水平的重要標志之一。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術參數(shù)，日本聲稱已達到削的一個關鍵技術參數(shù)，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級于亞微米水平，相差一個數(shù)量級(國際上公認國際上公認0.1nm100nm為為納米尺度空間，納

4、米尺度空間，100nm1000nm為亞微米體系，小于為亞微米體系，小于1個納米個納米為原子團簇為原子團簇 )；金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產，使制造水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。低的問題。1 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是國家制造工業(yè)水平的重要標志之一 三三 發(fā)展超精密加工的重要性發(fā)展超精密加工的重要性計算機工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬計算機工業(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，我國件上

5、，即在集成電路芯片上有很強的能力，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的發(fā)展。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)的美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩兩毫米工程毫米工程”（車身尺寸變動量控制在以內（車身尺寸變動量控制在以內 ）使汽車質量趕上歐、日水平，其中的舉措都是）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。實實在在的制造技術。 2 2 精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵 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

6、影響其命中率，直接影響其命中率，1kg的陀螺轉子，其質量中心偏離其對稱的陀螺轉子，其質量中心偏離其對稱軸軸0.0005m，則會引起，則會引起100m的射程誤差和的射程誤差和50m的軌道誤差。的軌道誤差。大型天體望遠鏡的透鏡、直徑達大型天體望遠鏡的透鏡、直徑達2.4m，形狀精度為，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體（六軸億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機研磨拋光機 ）（）（圖圖）。）。紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1m，表，表面粗糙度為面粗糙度為Ra0.01m，其加工精度直

7、接影響導彈的引爆距離和，其加工精度直接影響導彈的引爆距離和命中率。命中率。激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1m，表面粗糙度，表面粗糙度小于小于Ra0.01m，其質量直接影響激光的光源性能。，其質量直接影響激光的光源性能。3 3 國防工業(yè)上的需求國防工業(yè)上的需求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 計算機上的芯片、磁板基片、光盤基片等都需要計算機上的芯片、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、噴墨打印機光鼓、各種磁頭、激

8、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，才能達到質量要的噴墨頭等都必須進行超精密加工，才能達到質量要求。求。4 4 信息產品中的需求信息產品中的需求5 5 民用產品中的需求民用產品中的需求 現(xiàn)代小型、超小型的成像設備，如攝相機、照相現(xiàn)代小型、超小型的成像設備，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、激光打標機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工機、激光打標機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術來完成。至于超精密加工機床、設備和裝置當然技術來完成。至于超精密加工機床、設備和裝置當然更需要超精密加工技術才能制造。

9、更需要超精密加工技術才能制造。四四 精密和超精密加工目前包含三個領域精密和超精密加工目前包含三個領域超精密切削超精密切削精密金剛石刀具切削精密金剛石刀具切削精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤等加工解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤等加工精密特種加工精密特種加工電子束、離子束加工，使美國超大規(guī)模集成電路線寬達到電子束、離子束加工，使美國超大規(guī)模集成電路線寬達到0.1m美國是開展研究最早的國家美國是開展研究最早的國家(單件大型零件加工單件大型零件加工)。日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家國家（

10、中小零件加工）（中小零件加工） 。我國的超精密加工技術在我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足年代末期有了長足進步，進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。機床和部件。近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精近年來，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；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、刻蝕、電光束等高能加工、微

11、波加工、超聲加工、刻蝕、電火花和電化學加工等多種方法，特別是復合加工，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。，在加工機理上均有所創(chuàng)新。 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1 1 加工機理加工機理 用精密和超精密加工的零件，其材料的化學成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。分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求。例如，要求被加工材料質地均勻，性能穩(wěn)定，無外例如，要求被加工材料質地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內部微

12、觀缺陷；其化學成分的誤差應在部及內部微觀缺陷；其化學成分的誤差應在10-210-3數(shù)量級，不能含有雜質；其物理力學性能，如拉數(shù)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、熱導率和膨脹伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導率和膨脹系數(shù)等應達到系數(shù)等應達到10-510-6數(shù)量級；材料在冶煉、鑄造數(shù)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、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、力學等性能要稱、無方向性，能滿足物理、化學、力學等

13、性能要求。求。 2 2 被加工材料被加工材料(1)高精度。高精度。(2)高剛度。高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。高穩(wěn)定性。 (4)高自動化。高自動化。 加工設備的質量與基礎元部件，如主軸系統(tǒng)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，、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、輔具等也應注意這些元部件質量。此外，夾具、輔具等也要求有相應的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。要求有相應的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。3 3 加工設備及其基礎元部件加工設備及其基礎元部件 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。用加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。用

14、金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛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，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削厚度關系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃，則刃口鈍圓半徑應為口鈍圓半徑應為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，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為常，采用粒度為W20W0.5的微粉金

15、剛石，粘接劑的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。4 4 加工工具加工工具 尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準直儀和激光干涉儀來測量。電容測微儀、自準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進行非接觸測量；隧道顯微鏡法進行非接觸測量；表面應力、表面變質層深度、表面微裂紋等缺陷，表面應力、表面變質層深度、表面微裂紋等缺陷，可

16、用可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。檢測可采取光衍射法、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。離線的、在位的和在線的三種方式。 5 5 檢測與誤差補償檢測與誤差補償誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)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；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。差本身的影響。靜態(tài)誤差補償靜態(tài)誤差補償是根據(jù)事先測出的誤差值，在加工是根據(jù)事先測出的誤差值，

17、在加工時通過硬件或軟件進行補償；時通過硬件或軟件進行補償；動態(tài)誤差補償動態(tài)誤差補償是在是在在線檢測基礎上，在加工時進行實時補償。在線檢測基礎上，在加工時進行實時補償。5 5 檢測與誤差補償檢測與誤差補償超穩(wěn)定環(huán)境條件超穩(wěn)定環(huán)境條件是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方面的條件。面的條件。 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在10.02，甚至達到，甚至達到0.0005。 在恒溫室內，一般濕度應保持在在恒溫室內，一般濕度應保持在55%60%，防止，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點漂移等

18、。儀的零點漂移等。 潔凈度要求潔凈度要求1000100級，級，100級是指每立方英尺空級是指每立方英尺空氣中所含大于氣中所含大于0.5m的塵埃不超過的塵埃不超過100個，依此類推。個，依此類推。 6 6 工作環(huán)境工作環(huán)境向更高精度、更高效率方向發(fā)展；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；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測一體化方向發(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；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、新不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。材料。1 1 技術發(fā)展趨勢技術發(fā)展趨勢(1)超精密切削、磨削的基本理論和工藝；超精密切削、磨削的基本理論和工藝；(2)超精密設備的關鍵技術、精度、動特性和熱穩(wěn)定性；超精密設備的關鍵技術、精度、動特性和熱穩(wěn)定性；(3)超精密加工的精度檢測、在線檢測和誤差補償；超精密加工的精度檢測、在線檢測和誤差補償；(4)超精密加工的環(huán)境條件；超精密加工的環(huán)境條件；(5)超精密加工的材料。超精密加工的材料。2 2 主要研究內容主要研究內容LODTMLODTM（美國立式大型光學金剛石車床（美國立式大型光學金剛石車