精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望

Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技術(shù)1/13/2024教材：《精密和超精密加工技術(shù)》(第2版)

袁哲俊、王先逵主編

機械工業(yè)出版社學(xué)時：28周二下午5-6節(jié)(H514)周四上午1-2節(jié)(H514)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)實用手冊》，機械工業(yè)出版社，2001年

3、於貽琛《精密機床》

1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性1.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀1.3超精密加工技術(shù)開展展望第1章精密和超精密加工

技術(shù)及其開展展望1/13/2024精密和超精密加工的加工范疇

精密和超精密加工代表了加工精度開展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。精密加工：加工精度在0.1～1μm，加工外表粗糙度在Ra0.02～0.1μm之間的加工方法稱為精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1μm，加工外表粗糙度小于Ra0.01μm之間的加工方法稱為超精密加工〔微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等〕。1.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性精密和超精密加工方法分類（1）

分類加工機理加工方法去除加工化學(xué)分解（氣體、液體、固體）電解（液體）蒸發(fā)（真空、氣體）擴散（固體）熔化（液體）濺射（真空）刻蝕（曝光），化學(xué)拋光，軟質(zhì)粒子機械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴散去除加工熔化去除加工粒子束濺射去除加工，等離子體加工結(jié)合加工化學(xué)附著化學(xué)結(jié)合電化學(xué)附著電化學(xué)結(jié)合熱附著擴散結(jié)合熔化結(jié)合物理附著注入化學(xué)鍍，氣相鍍氧化，氮化電鍍、電鑄陽極氧化蒸鍍（真空蒸鍍），晶體生長，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳浸鍍，熔化鍍?yōu)R射沉淀，離子沉淀（離子鍍）離子濺射注入加工變形加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動熱流動加工（高頻電流、熱射流、電子束、激光）液體、氣體流動加工（壓鑄、擠壓、噴射、澆鑄）微粒子流動加工1/13/2024分類加工方法可加工材料應(yīng)用切削加工等離子體切削微細(xì)切削微細(xì)鉆削各種材料有色金屬及其合金低碳鋼、銅、鋁熔斷鉬、鎢等高熔點材料，硬質(zhì)合金球，磁盤，反射鏡，多面棱鏡油泵油嘴，化學(xué)噴絲頭，印刷電路板磨料加工微細(xì)磨削研磨拋光彈性發(fā)射加工噴射加工黑色金屬、硬脆材料金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、非金屬金屬、玻璃、水晶集成電路基片的外圓、平面磨削平面、空、外圓加工，硅片基片平面、空、外圓加工，硅片基片硅片基片刻槽，切斷，圖案成形，破碎特種加工電火花成形加工電火花切割加工電解加工超聲波加工微波加工電子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工導(dǎo)電金屬，非金屬導(dǎo)電金屬金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬絕緣金屬，半導(dǎo)體各種材料各種材料各種材料金屬，非金屬，半導(dǎo)體孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔切斷，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蝕打孔，切斷，劃線劃線，圖形成形復(fù)合加工電解磨削電解拋光化學(xué)拋光各種材料金屬，半導(dǎo)體金屬，半導(dǎo)體刃磨，成形，平面，內(nèi)圓平面，外圓，型面，細(xì)金屬絲，槽平面精密和超精密加工方法分類（2）

1/13/2024工具等加工裝置材料用途、零件等鏡面切削金剛石刀具刃口鋒利化利用CBN刀具切削鋼金剛石刀具得結(jié)晶方位選擇金剛石刀具刃口評價改進型SEM

采用空氣軸承、流體軸承及空氣道軌等的高精度化高剛度化冷卻、空調(diào)、防振采用高速運算裝置控制高剛度化的新方案：Tetraform結(jié)構(gòu)球殼結(jié)構(gòu)Al、Cu、塑料等軟質(zhì)材料無電解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盤基板各種模具各種發(fā)射鏡紅外用光學(xué)元件激光核聚變用光學(xué)元件X射線天體望遠(yuǎn)鏡用元件鏡面磨削樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪添加Mo2S2、WS2、C等鑄鐵基金剛石砂輪采用電解腐蝕修整鐵氧體精細(xì)陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁頭紅外用光學(xué)元件非球面玻璃透鏡各種模具鏡面研磨瀝青拋光盤、石蠟拋光盤、合成樹脂拋光盤微細(xì)磨料、軟質(zhì)磨料、易微細(xì)化的磨料軟質(zhì)工具的采用：氟化樹脂發(fā)泡體跑關(guān)盤、液體工具－EEM及浮動拋光基于理論分析的平面研磨機大口徑光學(xué)元件用研磨機液中研磨機、EEM裝置、浮法拋光張之、P－MAC拋光裝置NC化CAM化水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精細(xì)陶瓷CVDSiC膜玻璃壓電濾波器基片SAW元件基片半導(dǎo)體基片各種模具SOR用X射線光學(xué)元件激光核聚變用各種光學(xué)元件投影透鏡精密切削、磨削、研磨實例1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一

超精密加工所能到達的精度、外表粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(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關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已到達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。1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性精密和超精密加工是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵

作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場，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(shù)，例如，計算機工業(yè)的開展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強的能力，應(yīng)該說，當(dāng)前，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的開展。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(shù)。1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性1.國防工業(yè)上的需求超精密加工技術(shù)與國防工業(yè)關(guān)系密切，如陀螺儀的加工涉及多項超精密加工，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)量中心偏離其對稱軸0.0005μm，那么會引起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2.4m，形狀精度為0.01μm，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〕〔圖〕。紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，外表粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導(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1μm，外表粗糙度小于Ra0.01μm，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。1/13/2024石英轉(zhuǎn)子的真球度到達了7.6nm〔不超過40個原子層〕，假設(shè)將該轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有2.4米。高精度陀螺儀1/13/2024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1/13/2024詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量為6.2噸，約為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡〔11噸〕的一半。主反射鏡由鈹制成，口徑到達6.5米，面積為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。位于第二拉格朗日點L2位于第二拉格朗日點L21/13/2024日-地系統(tǒng)5個拉格朗日點1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性2.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(shù)來制造。錄像機的磁鼓、復(fù)印機的感光鼓、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，才能到達質(zhì)量要求。1/13/2024光刻機和硬盤1/13/20241.1開展精密和超精密加工技術(shù)的重要性3.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、照相機等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機、激光打標(biāo)機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。1/13/20241968年，佳能成功開發(fā)了人工制造大型光學(xué)級螢石的技術(shù)，并于1969年將“FL300mmf/5.6〞、“FL500mmf/5.6〞兩款螢石鏡頭投入市場。消色差透鏡加工

普通透鏡和消色差透鏡會聚色相差比照

(a)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消色差透鏡對照相機成像質(zhì)量的影響氟化鈣晶體1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(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(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)開展最快的國家。(3)我國的超精密加工技術(shù)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。1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀加工機理

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(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，在加工機理上均有所創(chuàng)新。

1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀影響精密和超精密加工的因素

1.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10-2～10-3數(shù)量級，不能含有雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如拉伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)到達10-5～10-6數(shù)量級；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)純潔、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。1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀影響精密和超精密加工的因素

2.加工設(shè)備及其根底元部件(1)高精度。(2)高剛度。(3)高穩(wěn)定性。(4)高自動化。加工設(shè)備的質(zhì)量與根底元部件，如主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌、直線運動單元和分度轉(zhuǎn)臺等密切相關(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。1/13/2024英國OAGM2500美國LODTM1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀影響精密和超精密加工的因素

3.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)到達2～4nm，同時應(yīng)解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，假設(shè)切削的厚度欲到達10nm，那么刃口鈍圓半徑應(yīng)為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W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀影響精密和超精密加工的因素

4.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(zhǔn)直儀和激光干預(yù)儀來測量。外表粗糙度可用電感式、壓電晶體式外表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；外表應(yīng)力、外表變質(zhì)層深度、外表微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干預(yù)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(yù)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；誤差補償是在誤差別離的根底上，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根底上，在加工時進行實時補償。1/13/20241.2超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀影響精密和超精密加工的因素

5.工作環(huán)境環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至到達±0.0005℃〔如：美國大型光學(xué)金剛石車床LODTM〕。在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%～60%，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干預(yù)儀的零點漂移等。潔凈度要求1000～100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個，依此類推。1/13/20241.3超精密加工技術(shù)開展展望技術(shù)發(fā)展趨勢超精密