第1章 精密和超精密加工技術及其發(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2、王先逵編精密加工技術實用手冊，機械工業(yè)出版社，2001年 3、於貽琛精密機床 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、研磨實例精密切削、磨削、研磨實例1.1 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 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

2、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術參數(shù)，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級；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 作為制造技術的主戰(zhàn)場，作為真實產(chǎn)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。

3、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(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實實在在的制造技術。 1.1.國防工業(yè)上的需求國防工業(yè)上的需求 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(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉子，其質(zhì)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

4、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(zhì)量直接影響激光的光源性能。 石英轉子的真球度達到了石英轉子的真球度達到了7.6nm（不超過（不超過40個原子層），若將該個原子層），若將該轉子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有轉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 L2位于第二拉格朗日點 L22.2.信息產(chǎn)品中的需求信息產(chǎn)品中的需求 計算機上的芯片、磁盤基片、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、

5、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(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。至于超精密加工床、設備和裝置當然更需要超精密加工技術才能制造。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比普通透鏡和消色差透鏡匯聚色相差對比 (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照相機成像質(zhì)量的影響消色差透鏡對照

6、相機成像質(zhì)量的影響氟化鈣晶體氟化鈣晶體國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外現(xiàn)狀(1)美國是開展研究最早的國家。(2)日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家 。(3)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(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。加工機理加工機理 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。 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，其材料的化學成分、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(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)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(zhì)；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(shù)等應達到10-510-6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、力學等性能要求。 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.加工設備及其基礎元部

8、件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(zhì)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(zhì)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。英國OAGM2500美國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。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

9、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。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.檢測與誤差補償檢測與誤差補償 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。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進行非接觸測量；表面應力、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

10、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(jù)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。 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，甚至達到0.0005（如：美國大型光學金剛石車床LODTM）。 在恒溫室內(nèi)，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，10

11、0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。 技術發(fā)展趨勢技術發(fā)展趨勢 超精密加工技術的發(fā)展趨勢是：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.向加工檢測一體化方向發(fā)展；4.機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世紀初十年將是超精密加工技術達到納米加工技術的關鍵十年。主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容(1)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(nèi)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(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行提示性研究。(2)超精密加工設備制造技術。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關鍵基礎件，如軸系、導軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術研究。主要研