第1章 精密和超精密加工技术及其发展展望

1、Precision and ultraprecision machining参考材料：1、张建华主编精密与特种加工技术2、王先逵编精密加工技术实用手册，机械工业出版社，2001年 3、於贻琛精密机床 第1章 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工的加工范畴 1.1 1.1 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（1） 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（2） 精密切削、磨削、研磨实例精密切削、磨削、研磨实例1.1 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一

2、个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。

3、美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。 1.1.国防工业上的需求国防工业上的需求 超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005m，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体（六轴CNC研磨抛光机 ）（图）。 红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1m，表面粗糙度为Ra0.01m，其加工精度直接

4、影响导弹的引爆距离和命中率。 激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m，表面粗糙度小于Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。 石英转子的真球度达到了石英转子的真球度达到了7.6nm（不超过（不超过40个原子层），若将该个原子层），若将该转子放大到地球的尺寸，最高的山峰也仅有转子放大到地球的尺寸，最高的山峰也仅有2.4米。米。高精度陀螺仪高精度陀螺仪服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系宇宙深处的星体银河系环形星群位于第二拉格朗日点 L2位于第二拉格朗日点 L22.2.信息产品中的需求信息产品中的需求 计算机上的芯片、磁盘基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、

5、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。3.3.民用产品中的需求民用产品中的需求 现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。消色差透镜加工消色差透镜加工 普通透镜和消色差透镜汇聚色相差对比普通透镜和消色差透镜汇聚色相差对比 (a) 普通无消色差透镜成像效果普通无消色差透镜成像效果 (b) 高质量消色差透镜成像效果高质量消色差透镜成像效果消色差透镜对照相机成像质量的影响消色差透镜对照

6、相机成像质量的影响氟化钙晶体氟化钙晶体国内外现状国内外现状(1)美国是开展研究最早的国家。(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 。(3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。加工机理加工机理 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。 影响精密和超精密

7、加工的因素影响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，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在10-210-3数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到10-510-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 2.加工设备及其基础元部

8、件加工设备及其基础元部件 (1)高精度。(2)高刚度。 (3)高稳定性。 (4)高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。英国OAGM2500美国LODTM影响精密和超精密加工的因素影响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、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到24nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为

9、2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 4.4.检测与误差补偿检测与误差补偿 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。 误差预防通过提高

10、机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 5.5.工作环境工作环境 环境温度可根据加工要求控制在10.02，甚至达到0.0005（如：美国大型光学金刚石车床LODTM）。 在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求1000100级，10

11、0级是指每立方英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100个，依此类推。 技术发展趋势技术发展趋势 超精密加工技术的发展趋势是：1.向更高精度、更高效率方向发展；2.向大型化、微型化方向发展；3.向加工检测一体化方向发展；4.机床向多功能模块化方向发展；5.不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。主要研究内容主要研究内容(1)超精密加工的加工机理。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。(2)超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。主要研