超精密加工技術(shù)

第

3

章

先

進(jìn)

制

造

工

藝

技

術(shù)先

進(jìn)

制

造

技

術(shù)2010

年7月1日·先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述·超高速加工技術(shù)·

超

精

密

加

工

技

術(shù)·微型機(jī)械加工技術(shù)·

特種

加

工

技

術(shù)—

電火花

加

工—

高能束加工及復(fù)合加工—

虛擬軸機(jī)床技術(shù)·快速原形制造技術(shù)授

課

內(nèi)

容2010

年7月1日·

概述·超精密加工范疇·超精密加工的設(shè)備與環(huán)境·超精密加工技術(shù)的發(fā)展展望超精密加工技術(shù)2010

年7月1日·

超精密加工技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種機(jī)械

加工新工藝，

綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)發(fā)展的新成果

及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中先進(jìn)

的控制、測試手段等，使機(jī)械加工的精度得到進(jìn)

一步提高，

使加工的極限精度向納米和亞納米精度

發(fā)

展

。概

述2010

年7月1日·

超精密加工技術(shù)是衡量一個(gè)國家先進(jìn)制造技術(shù)水

平的重要指標(biāo)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵

。·

當(dāng)代的精

密

工

程、微細(xì)

工

程

和

納米

技

術(shù)

是

現(xiàn)

代

制

造技術(shù)的前沿，也是明天技術(shù)的基礎(chǔ)?！?/p>

目前

，

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，一般工廠能穩(wěn)

定掌

握的加工精度是1μm。概

述2010

年7月1日概

述超精密加工技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)①精密加工精

度

為

1

—

0

.

1

μm,表

面

粗

糙

度

值

為

：

Ra0.3—0.03μm;②超精密加工精度為

0

.

1—

0

.

0

1

μ

m表面粗糙度值為

Ra0.03

—0.005μm,又稱亞微米

加

工

；(

1

微

米

=

0

.

0

0

1mm)

③納米加工精度高于0

.

03μ

m,表面粗糙度值小于

Ra

0.005μm。2010

年7月1日·

提高制造精度后可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，

提高

其穩(wěn)定性和可靠性；

促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；

增強(qiáng)零

件的互換性，

提高裝配生產(chǎn)率，

并促進(jìn)自動(dòng)化裝配

。超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日·

超精密加工技術(shù)在尖端產(chǎn)品和現(xiàn)代化武器的制造中

占

有

非

常

重

要

地

位

。

例

如

：

對(duì)

于

導(dǎo)

彈

來

說

，

具

有決定意義的是導(dǎo)彈的命中精度，而命中精度是

由慣性儀表的精度所決定的。制造慣性儀表，需

要有超精密加工技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備。超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日·

例如：

美國民兵Ⅲ型洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)陀螺儀的精度

為0.03°~0.05°/h,

其命中精度的圓概率誤差為500m,而MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈(可裝載10個(gè)核彈頭)制導(dǎo)系

統(tǒng)陀螺儀精度比民兵Ⅲ型導(dǎo)彈高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而保證命中精度的圓概率誤差只有50～150m。·

如

果lkg

重的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對(duì)稱軸0.5nm,

則

會(huì)

引

起

1

0

0m的

射

程

誤

差

和

5

0m的

軌

道

誤差

。2010

年7月1日超精密加工技術(shù)的重要性概

述·

紅外探測器中接收紅外線的反射鏡是紅外導(dǎo)彈的

關(guān)鍵性零件，其加工質(zhì)量的好壞決定了導(dǎo)彈的命

中率。該反射鏡表面的粗糙度要求達(dá)到度Ra0.015

~0.01μm。

只有采用超精密車削，

方能滿足上述

要

求

。超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日攝制億萬公里遠(yuǎn)星球圖象的哈勃望遠(yuǎn)鏡(HST),

其

一次鏡要求使用直徑2.4m,

重達(dá)900kg的大型反光鏡，

并且具有很高的分辨率。為此，

專門研制了

超精密加工(形狀精度為0.01μm)光學(xué)玻璃用的6軸

CNC

研

磨

拋

光

機(jī)

?！?/p>

又如，

已被美國航天飛機(jī)送入空間軌道的，

用來超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日·大

規(guī)

模

集

成

電

路的

發(fā)

展

，

促

進(jìn)

了

微

細(xì)

工

程

的

發(fā)

展

,

并且密切依賴于微細(xì)工程的發(fā)展。

因?yàn)榧呻?/p>

路的發(fā)展要求電路中各種元件微型化，

使有限的

微小面積上能容納更多的電子元件以形成功能復(fù)

雜和完備的電路。

因此，

提高超精密加工水平以

減小電路微細(xì)圖案的最小線條寬度就成了提高集

成電路集成度的技術(shù)關(guān)鍵。超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日·

從上所述，可以看出只有采用超精密加工技術(shù)才

能制造精密陀螺儀、精密雷達(dá)、超小型電子計(jì)算機(jī)

及其它

尖

端

產(chǎn)

品

。13超精密加工技術(shù)的重要性概

述2010

年7月1日磨

削C

N

C

、

加

工

中

心研磨

、珩

磨

、

工業(yè)

磨

床

、

坐

標(biāo)

鏜

床分

步

重

復(fù)

照相

機(jī)光學(xué)鏡頭磨床、精密磨床、超精磨床

金

剛石

磨床

、

金

剛

石

車

床9高

電精

解度

加刻

工線

機(jī)、

機(jī)

床

、金

剛

石

衍

射

光超

精

車床柵

刻

線

機(jī)電

離子

子束

束、加硬

軟

X

工—

射

線(

平

板

印

刷

)

分子束生長

技

術(shù)

、

離

子

注

人

技

術(shù)

材

料

合

成

、

掃

描

隧

道

工

程(STE1

9

4

0

年1

9

6

0

年

1

9

8

0

年

2

0

0

0

年當(dāng)代多種加工方法所能達(dá)到的精度，見圖。100|100.0.0l0.001(Inm)l0.00030.0001(1A)加工精度/μm概

述車

削

、

銑

削2010

年7月1日Page

14·

可見，

精密工程正在向其終極目標(biāo)原子級(jí)精

度的加工逼近，

也就是做到“移動(dòng)原子”。為了

達(dá)到這一目標(biāo)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在努力沖刺?！と毡镜腅RATO計(jì)劃中，

納米技術(shù)作為其六項(xiàng)優(yōu)先技術(shù)之一，在由政府、大學(xué)和工業(yè)界聯(lián)合開發(fā)。材

料在納米范圍內(nèi)的物理力學(xué)性能將予以分析，基本的測試系統(tǒng)與加工設(shè)備正在研制中。概

述2010

年7月1日·

美

國

的VHSIC計(jì)劃正在進(jìn)行

，

海

軍

研

究

室

(Officeof

Naval

Research)正在資助幾所學(xué)校精密工程

的研究項(xiàng)目。美國精密工程學(xué)會(huì)(Amer

icanSocietyforPrecisionengineering)已

經(jīng)

成

立。在大學(xué)和工業(yè)界有七個(gè)小組正在掃描隧道工程

方面進(jìn)行卓有成效的研究工作。16概

述2010

年7月1日·

在英國國家納米技術(shù)(NION)

計(jì)劃已開始實(shí)行，納

米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)(Nanotechnology

StrategyCommittee)巳建立，正在實(shí)行合作的研究計(jì)劃，1

9

9

0

年

6

月

英

國

正

式

出

版

《

納

米

技

術(shù)

》

學(xué)

術(shù)

期

刊

。Pa概

述2010

年7月1日·

概

述·

超精密加工范疇·超精密加工現(xiàn)狀·超精密加工的設(shè)備與環(huán)境·超精密加工的發(fā)展展望18超

精

密

加

工

技

術(shù)2010

年7月1日·

在過去相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)期，

精密加工、特別是超精

密加工的應(yīng)用范圍很狹窄。近十幾年來，隨著科

學(xué)技術(shù)和人們生活水平的提高，精密和超精密加

工

不

僅

進(jìn)

入

了

國

民

經(jīng)

濟(jì)

和

人

民

生

活

的

各

個(gè)

領(lǐng)

域

，而且從單件小批生產(chǎn)方式走向大批量的產(chǎn)品生產(chǎn)O超

精

密

加

工

范

疇2010

年7月1日·

在機(jī)械制造行業(yè)，

已經(jīng)改變了過去那種將精密機(jī)

床放在后方車間，

僅用于加工工具，

卡具，量具

的陳規(guī)?，F(xiàn)在，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將精密機(jī)床搬

到前方車間，直接用于產(chǎn)品零件的加工。20超

精

密

加

工

范

疇2010

年7月1日精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域：1)超精密切削，

如超精密金剛石刀具切削，

可加

工各種鏡面、它成功地解決了高精度陀螺儀，激光反射鏡和某些大型反射鏡的加工。2)精密和超精密磨削研磨，例如解決了大規(guī)模集

成電路基片的加工和高精度硬磁盤等的加工。3)精密特種加工，如電子束，

離子束加工，美國超大規(guī)模集成電路線寬達(dá)到0.1μm。超

精

密

加

工

范

疇2010

年7月1日●·

概

述·超精密加工范疇·

超

精

密

加

工

現(xiàn)

狀·超精密加工的設(shè)備與環(huán)境·超精密加工的發(fā)展展望超

精

密

加

工

技

術(shù)2010

年7月1日·

超精密切削加工已不再是一種孤立的加工方法和

單純的工藝問題，

而成為一項(xiàng)包含內(nèi)容極其廣泛的系

統(tǒng)工

程

。·實(shí)現(xiàn)超精密切削加工，

不僅需要超精密的機(jī)床設(shè)備和刀具，也需要超穩(wěn)定的環(huán)境條件，還需要運(yùn)

用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，

反饋補(bǔ)償。只有將

各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成就集結(jié)起來，才有可能實(shí)現(xiàn)超超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀精

密

切

削

加

工

.2010

年7月1日·天然金剛石具有無與倫比的硬度，

是超精密加工

的一種最佳切削刀具材料。特別是今年來，

已經(jīng)

成為超精密鏡面切削的主要刀具。·使用天然單晶金剛石刀具對(duì)超精密零件進(jìn)行超精

密切削，

始于50年代末期。初期的被加工工件多

為形狀簡單的圓柱表面、平面和球面，

只要求達(dá)

到及Rmax0.1μm

的鏡面即可。后來發(fā)展要求加工非球曲面反射鏡、再發(fā)展要求加工大型反射鏡O超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀2010

年7月1日·

金剛石刀具的超精密切削加工技術(shù)，

主要應(yīng)用于兩

個(gè)

方

面

：

單

件

的

大

型

超

精

密

零

件的

切

削

加

工

和

大量生產(chǎn)的中小型零件的超精密切削加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀2010

年7月1日·單件大型零件超精密金剛石刀具切削，以美國最為發(fā)達(dá)，居于世界領(lǐng)先地位。美國超精密加工技術(shù)的發(fā)展出于國防

的需要，通過能源部激光核聚變的任務(wù)，以及陸?？杖?/p>

制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃等，對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的研究開發(fā)投入丁巨額資金和大量人力。其最高水平是LLL實(shí)驗(yàn)室(LowrenceLivermoreLaboratory)1983年研制的第三號(hào)

大型超精密金剛石車床(DTM—3型),該機(jī)可加工φ2100mm,質(zhì)

量

為4500kg和1984年研制的大型光學(xué)金剛石車床LODTM,

可加工中1625mm,

質(zhì)量1360kg

的非球面工件，其加工精度可達(dá)0.025μm,

表面粗糙度Ra0.0045μm。超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀2010

年7月1日

26·

大量生產(chǎn)的中小型超精密零件大多是感光鼓，磁

盤，多面鏡，以及平面，球面或非球面的激光反

射鏡等。材料多為銅，鋁及其合金，非電解鍍鎳層，進(jìn)而擴(kuò)展至塑料及硬脆材料(如陶瓷),間或有

鐵氧體材料加工。最近也有用CBN

精車黑色金屬

的報(bào)道。超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀2010

年7月1日加

工

零

件

例平

均

加

工

精

度激

光

光

學(xué)

零

件表面粗糙度R。0.0

1

～

0

.0

0

6

μm形

狀

精

度

0

.

1

μ

m磁頭表

平面粗糙度Kx0

,

0

2

μm面度0.04

μm,尺寸精度

±2.5

μm多面

鏡表

反

平面粗糙度Rmax0.0

1～0

.0

2

μm射

率

8

5

%

～

9

0

%面度0

.

0

4

μ

m

·

λ

/

5~

λ

/1

O磁盤表

波面粗糙度R

a

0

.

0

1

～

0

.

0

0

4

μm度

0

.

0

2

～

0

.

0

lm

m塑

料非

球透

鏡

用面

模

具表

形面粗糙

度

R

me,

O.

0lzx

m狀

精

度

1

～

0

.

3

μ

m·

這

些

零

件

的

加

工

精

度

可

用

表

說

明

。

中小型精密冪件的加工精度超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀2010

年7月1日28·英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研

究所

(

簡

稱CUPE)享有較高聲譽(yù)，它是當(dāng)今世界上精密工程的研究中心之一，是英國超精

密加工技

術(shù)

水

平的獨(dú)

特

代

表。如CUPE

生產(chǎn)

的Nanocentre

(納米加工中心)既可進(jìn)行超精密車削，又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削，加工工

件的形狀精度可達(dá)0.lμm,

表面粗糙度Ra<10nmO2010

年7月1日

超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀●

日本對(duì)

超精

密

加

工

技

術(shù)的研究

相

對(duì)于

美、英

來

說起步較晚，但

是當(dāng)

今

世

界

上

超

精

密

加

工

技

術(shù)

發(fā)

展

最快的國家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國，前者

是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象，后者則是以發(fā)展國防

尖端技術(shù)為主要目標(biāo)?！?/p>

日本TOYOTA公司生產(chǎn)的專用超精密車床用于加

工非球曲面的鋼磨具，可用于車削、銑削、磨削

并帶有精密測量裝置。該機(jī)床加工模具形狀精度

為

0

.

0

5um,表面粗糙度

為

0

.

0

2

5um

。

結(jié)構(gòu)上機(jī)

床采用盒式結(jié)構(gòu)，不受外界影響，并機(jī)床處于恒

溫狀

態(tài)

。2010

年7月1日超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國的

超

精

密

加

工

技

術(shù)

在

7

0

年

代

末

期

有了

長

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。北

京

機(jī)

床

研究

所、

航

空

航

天

工

業(yè)

部

三

零

三

所

、

哈

爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院長春光學(xué)精密

機(jī)械研究所、華中理工大學(xué)、沈陽第一機(jī)床廠、

成都工具研究所、

國防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工的效率、精度可

靠性，特別是規(guī)格(大尺寸)和技術(shù)配套性方面

與國外比，與生產(chǎn)實(shí)際要求比，還有相當(dāng)大的差距

。·●●2010

年7月1日超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀Page

31·

概

述·超精密加工范疇·超精密加工現(xiàn)狀·

超

精

密

加

工

的

設(shè)

備

與

環(huán)

境·超精密加工的發(fā)展展望32超

精

密

加

工

技

術(shù)2010

年7月1日·超精密切削加工是一項(xiàng)內(nèi)容廣泛的新技術(shù)，它的

加工精度和表面質(zhì)量是由所使用的超精密機(jī)床設(shè)

備，金剛石刀具，切削加工工藝，計(jì)量和誤差補(bǔ)

償技術(shù)，操作者的技術(shù)水平，環(huán)境支持條件等多

種因素影響的綜合結(jié)果，下面對(duì)其中幾個(gè)主要方面

的

情

況

予

以

說

明

。超精密加工技術(shù)的機(jī)床設(shè)備2010

年7月1日·超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密切削的首要條件，各國

都投人大量人力物力研制超精密切削用機(jī)床。

目

前水平最高的是美國。其代表作是LLL實(shí)驗(yàn)室1983年研制成功的DTM-3

型大型超精密車床，和1

984年研制成功的大型光學(xué)金剛石車床LODTM。該機(jī)床采用空氣軸承主軸和高壓液體靜壓主軸，剛

度高，

動(dòng)

態(tài)

性

能

好

。超精密加工技術(shù)的機(jī)床設(shè)備2010

年7月1日超精密加工技術(shù)的機(jī)床設(shè)備·為實(shí)現(xiàn)超精密位置的確定，采用了精密數(shù)字伺服方

式，控制部分為內(nèi)裝式CNC

裝置和激光干涉測長儀,實(shí)現(xiàn)隨機(jī)測量定位。為了實(shí)現(xiàn)刀具的微量進(jìn)給，在DC伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有壓電式微位移機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)nm

級(jí)微位移。該車床采用了恒溫油淋浴系統(tǒng)，

油溫

控制在20士0.0005°,消除了加工中的熱變形。該

車床還采用了壓電晶體誤差補(bǔ)償技術(shù)，使加工精度

達(dá)到0.025μm,該機(jī)床可用于加工平面，球面及非球面，用于加工激光核聚變工程的零件，紅外線裝

置用零件以及大型天體望遠(yuǎn)鏡。2010

年7月1日

Page

35·在歐州以具有研究開發(fā)超精密金剛石切削加工機(jī)械

傳統(tǒng)的Philips

公司的中央研究所為中心，研究開發(fā)CNC超精密金剛石車床COLATH,1978年

以后用于本公司的高精度零件的加工?！?/p>

英

國Cranfield公

司

與BritishScienceandEngineering

Research

Council(SERC)簽

訂

合同

,研制開發(fā)x

射線天體望遠(yuǎn)鏡用大型超精密機(jī)床OAGM2500,

機(jī)床于1991研制

成

功，

工

作臺(tái)2500mm×2500mm,可用于超精密車

削

、磨

削和坐標(biāo)測量，使用性能良好。超精密加工技術(shù)的機(jī)床設(shè)備2010

年7月1日Page36·日本大型超精密金剛石切削機(jī)床的研究與開發(fā)。遠(yuǎn)

遠(yuǎn)落后于歐美，至今未見有關(guān)的報(bào)道?！さ谛⌒汀⒊⌒碗娮雍凸鈱W(xué)零件的超精密加工技

術(shù)方面，是更加先進(jìn)和具有優(yōu)勢的，甚至超過了美

國

。超

精

密

加

工

技

術(shù)

的

機(jī)

床

設(shè)

備2010

年7月1日·沈陽、上海、濟(jì)南等地也都有超精密車床產(chǎn)品，但

和國外比還有差距。非球面超精密車床雖已研制出

樣品，還不能正式生產(chǎn)，空氣主軸、微位移機(jī)構(gòu)、

精密CNC

伺服系統(tǒng)、機(jī)床熱變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)

鍵技術(shù)需要研究。我國還不能生產(chǎn)高質(zhì)量的超精密

數(shù)控金剛石車床的正式產(chǎn)品。超精密加工技術(shù)的機(jī)床設(shè)備2010

年7月1日·

金剛石刀具是超精密切削中的重要關(guān)鍵?！そ饎偸毒哂袃蓚€(gè)比較重要的問題：

一是晶面的選

擇，這對(duì)刀具的使用性能有著重要的關(guān)系；再就是

金剛石刀具的研磨質(zhì)量-刃口半徑p。它關(guān)系到切削變形和最小切削厚度，

因而影響加工表面質(zhì)量。金剛石刀具和超精密切削機(jī)理的研究2010

年7月1日金剛石刀具和超精密切削機(jī)理的研究·

超精密切削中，刀刃的實(shí)際切削厚度與名義切削厚

度不相同，有一個(gè)差值。實(shí)際切削厚度亦稱有效切削厚度。切削厚度小過一定界限就不能正常切削。

能穩(wěn)定切削的最小有效切削厚度稱為最小切削厚度。最小切削厚度取決于金剛石刀具的刃口半徑，刃口半徑越小，則最小切削厚度越小。Page2010

年7月1日·

國外報(bào)道研磨質(zhì)量最好的金剛石刀具，刃口半徑可

以小到數(shù)納米的水平；而國內(nèi)現(xiàn)在磨的金剛石刀具

,刀口半徑只能達(dá)到0.1～0.3μm?！ぷ罱毡敬箢U大學(xué)和美國LLL實(shí)驗(yàn)室合作研究超精

密切削的最小極限，成功地實(shí)現(xiàn)了lnm

級(jí)切削厚度

的穩(wěn)定切削，使超精密切削達(dá)到新的水平。金剛石刀具和超精密切削機(jī)理的研究2010

年7月1日·

超精密切削機(jī)理的某些方面，如各種因素對(duì)金剛石

刀具磨損的影響，最小切削厚度，積屑瘤的生存規(guī)

律等

有

一

定的

特

殊

性，

過

去

研究

較

少，

研究

這

些問

題對(duì)提高切削加工表面質(zhì)量，減少變質(zhì)層和減少表

面殘留應(yīng)力等有直接影響。最近黑色金屬的超精密

切削正在研究，有用金剛石刀具的，也有用CBN

刀

具的，目前還在實(shí)驗(yàn)室研究階段。金剛石刀具和超精密切削機(jī)理的研究2010

年7月1日·

要達(dá)到亞微米級(jí)和納米級(jí)的加工精度，檢測是一個(gè)

極為重要的方面。超精密加工對(duì)測量技術(shù)提出了嚴(yán)格要求。超精密加工要求測量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果超精密加工精度達(dá)到1nm,測量機(jī)

要控制的精度則要達(dá)到0.1nm

。因此，超精密加工

需要與相

應(yīng)的

測

量

技

術(shù)

配

合。超

精

密

測

量

技

術(shù)的開

發(fā)必須與超精密加工技術(shù)的開發(fā)保持同步。

目前超43檢測和誤差補(bǔ)償精密測

量

儀正向高分辨率

，向

發(fā)

展

。高精

度

和

高

可

靠

性的

方2010

年7月1日·

國外廣泛發(fā)展非接觸式測量方法并研究原子級(jí)精度的測量技術(shù)。例如，Johaness公司生產(chǎn)的多次光波

干涉顯微鏡的分辨率為0.5nm,OrienPass

公司生

產(chǎn)的MBI

重復(fù)反射干涉儀的測量精度可達(dá)士0.001n

m。最近出現(xiàn)的隧道掃描顯微鏡的分辨率為

0.01nm,是目前世界上精度最高的測量儀，可用于

測量金屬和半導(dǎo)體零件表面的原于分布的形貌。最

新的研究證實(shí)，在掃描隧道顯微鏡下可移動(dòng)原子，實(shí)現(xiàn)精

密

工

程的最

終

目

標(biāo)

—

—

原

子

級(jí)

精

密

加

工

。檢測和誤差補(bǔ)償2010

年7月1日

Page

44·

超精密加工中的測量，應(yīng)包括機(jī)床超精密部件運(yùn)

動(dòng)精度的檢測和加工精度的直接檢測。要提高機(jī)

床的運(yùn)動(dòng)精度，首先要能檢測出運(yùn)動(dòng)誤差。用三點(diǎn)法所測得的高精度靜壓空氣軸承的徑向圓跳動(dòng)

一般為50nm

左右。主軸的跳動(dòng)加上靜壓工作臺(tái)

的直線運(yùn)動(dòng)誤差，可以造成圓度和圓柱度等誤差達(dá)

數(shù)

十

納

米

。檢測和誤差補(bǔ)償2010

年7月1日·加工時(shí)機(jī)床的定位精度是一個(gè)重要問題。

一般平

面、圓柱表面、球表面、多面棱體加工時(shí)。工作

臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度相對(duì)地并不很高。但在加工非球面

時(shí)就要求很高的連續(xù)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度?，F(xiàn)

在采用激光干涉?zhèn)乳L儀精確測出工作臺(tái)的位置，

用反饋和閉環(huán)控制系統(tǒng)而制成精密CNC

機(jī)床。檢測和誤差補(bǔ)償2010

年7月1日·

超精密加工中的誤差補(bǔ)償問題國內(nèi)外學(xué)者專家的爭

議

比

較

大

。

但

從

目

前

發(fā)

展

趨

勢

看

，

要

達(dá)

到

最

高精度還需要使用在線檢測和誤差補(bǔ)償。例如高精

度靜壓空氣軸承的徑向圓跳動(dòng)大約在50nm

左右

,工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)誤差也在數(shù)十納米，要進(jìn)一

步實(shí)現(xiàn)更高精度就有一定困難。但用誤差補(bǔ)償可

以達(dá)到

10nm

以

下

。檢測和誤差補(bǔ)償2010

年7月1日超

穩(wěn)

定

的

加

工

環(huán)

境

條

件·

加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度

,使超精密加工達(dá)不到預(yù)期目的，

因此，超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進(jìn)行。超穩(wěn)定環(huán)境條件主要是指恒溫、防振、超凈和恒濕四

個(gè)方面的條件，相應(yīng)地發(fā)展起恒溫技術(shù)、

防振技

術(shù)

和

凈

化

技

術(shù)

。482010

年7月1日·超

精

密

加

工

必

須

在

嚴(yán)

密

的

恒

溫

條

件

下

進(jìn)

行

，即

不

僅放置機(jī)床的房間應(yīng)保持恒溫.還要對(duì)機(jī)床采取特殊的恒溫措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)在精密加工中，

由熱變形產(chǎn)生的誤差常占全部加工誤差的50%以上，例

如

長

1

0

0mm的

鋼

件，

溫

度

升

高

1

°

,

其

長

度

將

增

加

1～1.2μm,

鋁件的長度將增加2.2～2.3μm

。

因

此超精密加工和測量必須在恒溫條件下進(jìn)行。如

要保證0.1～0.01μm的加工精度，溫度變化應(yīng)小于土0.1～0.01°。超

穩(wěn)

定

的

加

工

環(huán)

境

條

件2010

年7月1日·有些超精密機(jī)床，內(nèi)部易產(chǎn)生熱變形處用恒溫油

冷卻。還有超精密機(jī)床外面加透明塑料罩，用恒

溫油澆淋。現(xiàn)在恒溫油可控制在20土0.0005°,室

溫

可

控

制

在

2

0

土

0

.

0

0

5°

。超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件2010

年7月1日·為了提高超精密加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，除了在

機(jī)床設(shè)汁和制造上采取各種措施之外。還必須用

隔振系統(tǒng)來保證機(jī)床不受或少受外界振動(dòng)的影響

。超精密車床一般除用防振溝和很大的地基外，還都使用空氣彈簧隔振。美國LLL實(shí)驗(yàn)室的大型超精密金剛石車床采用隔振措施后，軸承部件的

相對(duì)振動(dòng)振幅為2nm,并可防止1.5～2Hz

的外界超

穩(wěn)

定

的

加

工

環(huán)

境

條

件振動(dòng)

傳

入

。2010

年7月1日·超精密加工還必須有超凈化的環(huán)境。對(duì)超精密加

工車間一立方英尺的空氣中直徑大于0.3μm以上

的塵

埃

數(shù)

應(yīng)

小

于1

0

0(百級(jí)

)。

現(xiàn)

在

又

提出1

0

級(jí)的

要

求，塵埃粒度從0.3μm減至0.1μm。為建立0.1μm的10級(jí)潔凈室，

國外已研制成功對(duì)0.1μm

的塵粒有99.999%凈化效率的高效過濾器。超

穩(wěn)

定

的

加

工

環(huán)

境

條

件2010

年7月1日·

概

述·超精密加工范疇·超精密加工現(xiàn)狀