《精密及超精密加工技術(shù)》(學(xué)時(shí))

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)知識面、培養(yǎng)創(chuàng)新意識的專業(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，培養(yǎng)解決生產(chǎn)與科研實(shí)際問題的能力。4先修課程已具備機(jī)械類專業(yè)主要課程基礎(chǔ)知識：選修或自學(xué)過：《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)識精密和超精密加工過程的一般現(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)用場合；了解及會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,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]李夢群，龐學(xué)慧，王凡.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論國防出版社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、研究對象：什么是精密加工與超精密加工？——相對概念，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級的加工；2.納米加工：加工精度達(dá)納米級，納米技術(shù)一般指0.1~100nm材料的設(shè)計(jì)、加工、檢測、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。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)離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動測微儀光學(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)激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長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，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，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)量中心偏離對稱軸0.5nm，則會引起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Rolls-Roycc公司資料

飛機(jī)發(fā)動機(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”問題——磁頭與磁盤之間高度影響存儲量

目前已達(dá)0.3μm，近期力爭達(dá)到0.15μmIBM開發(fā)的磁盤50年代末300bit/cm2→82年254萬bit/cm2，提高了近10000倍；⑤常見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（真空無潤滑軸承）Ry=1nm（0.001μm），圓度和圓柱度均以nm來表示波導(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600萬的集成塊19精密與超精密加工目前水平：美國哈勃望遠(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加工問題；

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)陽極氧化熱熔化摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長力物理離子注入、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精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工粘滯流動精密鑄造、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、滾動研磨；

拋光：精拋、彈性發(fā)射拋光、流體動力拋光、噴射拋光、磁流體拋光等；

超精加工：珩磨：振動研磨；24磨料超精及精密加工簡介——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,對工件表面進(jìn)行精整加工的方法。通過研磨劑的機(jī)械及化學(xué)作用,對工件表面進(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)動機(jī)的汽缸、缸套、連桿以及液壓油缸、炮筒等。34

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

35超級光磨加工外圓示意圖36

（2）超級光磨的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn):1)設(shè)備簡單,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）方便簡單而經(jīng)濟(jì)；2）容易對曲面進(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（國外領(lǐng)先較多）單晶金剛石刀具進(jìn)行超精切削，

50年代簡單圓柱、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）：中小型零件磁盤日本占有率

198419851987198717%24%44%49%28657914421741（萬片）機(jī)床歐美等國生產(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量（CNC）

nm級微位移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Cranfield

公司與SERC公司合作

OAGM2500（工作臺2500*2500車磨測量等）我國情況：沈陽、濟(jì)南大型超精密車、球面車等也有較高水平；但目前無高質(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：國外——納米級國內(nèi)——0.1-0.3μ

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

＜0.01μm測量是一個(gè)困難其他機(jī)理研究：磨損問題，最小切削厚度，積屑瘤等工件材料對超精加工影響：不純性問題晶界影響殘余變形、應(yīng)力與刀具親和力3.檢測與補(bǔ)償測量機(jī)精度高于被測一個(gè)數(shù)量級一般用非接觸式測量方法

46五、精密與超精密加工的現(xiàn)狀（前沿）：非接觸式測量方法

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