超精密加工方法与装备

1、加工精度：加工精度： 1 0.1 m表面粗糙度：表面粗糙度： Ra 0.1 m加工精度：加工精度： 0.1 m表面粗糙度：表面粗糙度： Ra 0.02 m加工精度：加工精度： 达达0.001 m(1nm)表面粗糙度：表面粗糙度： Ra 0.005 m超精密加工的零件精度已达到亚微米级，正在向纳米超精密加工的零件精度已达到亚微米级，正在向纳米级工艺发展。级工艺发展。 预计到预计到20102010年，一般加工、精密加工、超精密加工的年，一般加工、精密加工、超精密加工的精度可分别达到精度可分别达到1 1 m m、 0.010.01 m m、 0.0010.001 m(1nmm(1nm）。）。精密与超

2、精密加工精密与超精密加工 序序 超超 精精 密密 机机 械械 精精 度度 要要 求求 1 1 导导 弹弹 、飞飞 机机 的的 惯惯 性性 导导航航 系系 统统 中中 的的 气气 浮浮 陀陀及及 其其 马马 达达 轴轴 承承 尺尺 寸寸 精精 度度 、圆圆 度度 、圆圆 柱柱 度度要要 求求 达达 到到 亚亚 微微 米米 级级 2 2 人人 造造 卫卫 星星 仪仪 表表 轴轴 承承 表表 面面 粗粗 糙糙 度度 达达 到到 1 1 纳纳 米米 ，圆圆 度度 、 圆圆 柱柱 度度 达达 纳纳 米米 级级 3 3 激激 光光 陀陀 螺螺 反反 光光 镜镜 表表 面面 粗粗 糙糙 度度 达达 纳纳 米

3、米 ，平平 面面度度 达达 0 0. .0 05 5 微微 米米 4 4 精精 确确 制制 导导 仪仪 表表 零零 件件 精精 度度 达达 纳纳 米米 级级 ，若若 其其 陀陀 螺螺转转 子子 轴轴 线线 偏偏 离离 0 0. .5 5 纳纳 米米 , ,就就 会会 引引 起起 1 10 00 0 米米 左左 右右 射射 程程误误 差差 5 5 计计 算算 机机 硬硬 盘盘 驱驱 动动 器器 、光光 盘盘 、复复 印印 机机 的的 精精 密密零零 件件 精精 度度 达达 1 10 00 0 纳纳 米米 6 6 微微 电电 子子 芯芯 片片 刻刻 线线 机机 刻刻 线线 宽宽 度度 在在 5 5

4、0 0 纳纳 米米 以以 下下 7 7 基基 因因 操操 作作 机机 械械 移移 动动 距距 离离 在在 纳纳 米米 级级 ，移移 动动精精 度度 在在 0 0. .1 1 纳纳 米米 ( (原原 子子 尺尺度度 ) ) 现代超精密机械对精度的要求现代超精密机械对精度的要求（1 1）加工技术即加工方法与加工机理。）加工技术即加工方法与加工机理。要求在最后一道工序能够从要求在最后一道工序能够从被加工表面微量去除表面层。微量去除表面层越薄，则加工精度越高。被加工表面微量去除表面层。微量去除表面层越薄，则加工精度越高。（2 2）材料技术即加工工具和被加工材料。）材料技术即加工工具和被加工材料。（3

5、3）加工设备及其基础元部件。）加工设备及其基础元部件。高精度、高刚度、高稳定性、高自高精度、高刚度、高稳定性、高自动化的超精密机床（切削机床、研磨机、抛光机以及各种特种精密加工、复动化的超精密机床（切削机床、研磨机、抛光机以及各种特种精密加工、复合加工设备）。合加工设备）。（4 4）测量及误差补偿技术。）测量及误差补偿技术。测量精度必须比加工精度高一个数量级，测量精度必须比加工精度高一个数量级，在线检测和误差补偿是实现高加工精度的重要策略。例如，高精度静压轴承在线检测和误差补偿是实现高加工精度的重要策略。例如，高精度静压轴承的径向跳动大约的径向跳动大约50nm50nm左右，工作台的直线运动误差

6、数十左右，工作台的直线运动误差数十nmnm，进一步提高精度，进一步提高精度有一定的困难，但用误差补偿可达有一定的困难，但用误差补偿可达10nm10nm以下。以下。（5 5）工作环境。）工作环境。恒温、防振、超净和恒湿四个方面的条件，相应的恒温恒温、防振、超净和恒湿四个方面的条件，相应的恒温技术、防振技术和净化技术。技术、防振技术和净化技术。（6 6）工件的定位与夹紧。）工件的定位与夹紧。精密车床精密车床 diamond turning lathesdiamond turning lathes Lawrence Livermore National LaboratoryLawrence Live

7、rmore National Laboratory（美国（美国LLLLLL实验室）实验室）美国美国LLLLLL国家实验室以发展国防尖端技术为主要目标国家实验室以发展国防尖端技术为主要目标 （1 1）DTM-3(Diamond Turning Machine)DTM-3(Diamond Turning Machine)大型超精密金刚石车大型超精密金刚石车床床19831983年：年：最大加工尺寸：最大加工尺寸： 2100mm2100mm；最大加工重量：最大加工重量：4500kg4500kg；刚度刚度: : 500N/500N/ m m；加工粗糙度：加工粗糙度： R Ra a4.2nm;4.2nm;

8、圆度平面度圆度平面度: 12.5nm: 12.5nm流体温度控制流体温度控制: :（2020 0.00060.0006）0 0C;C;花岗岩底座、空气垫隔板。花岗岩底座、空气垫隔板。用于加工激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、用于加工激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天文望远镜等。大型天文望远镜等。（2 2）LODTM ( Large Optical Diamond Turning Machine ) LODTM ( Large Optical Diamond Turning Machine ) 大大型超精密金刚石非球面车床型超精密金刚石非球面车床19841984年年

9、应激光核聚变项目而开发，实现大型光学零件超精密加工应激光核聚变项目而开发，实现大型光学零件超精密加工(a)(a)激光系统用激光系统用KDPKDP晶体（晶体（表面粗糙度表面粗糙度2nm 2nm ）b)b)美国宇航局用的抛物面镜（最美国宇航局用的抛物面镜（最终形状误差终形状误差150nm 150nm ）图图1 LODTM1 LODTM超精密车床超精密车床精密车床 diamond turning lathes Aspheric surface Ge or Si etc.Fresnel toolPrecitech Nanoform 7002 axis CNC LatheMaximum componen

10、t diameter: 700mm Typical surface finish: 5nmOn machine profilometer + portable Fisba phase shifting interferometer Precitech Optimum 2400 2 axis CNC LatheMaximum component diameter: 200mm 精密磨床Application of ELID (Electrolytic In-process Dressing ) System to Flat Surface and cylindrical Grinders基于电解

11、过程修整（ELID)的镜面磨床染色体切割微操作系统染色体切割微操作系统1. 6-PSS微操作并联机器人 2. 动平台 3. 球铰 4. 正交双平动复合运动副5. 主驱动移动副 6. 驱动电机 7. 基座（固定平台） 生物医学工程生物医学工程用激光捏和剪在对细胞用激光捏和剪在对细胞进行微操作进行微操作Laser tweezers and scissors operating on a cell (a)(a)微传感器微传感器 (b)(b)微齿轮传动微齿轮传动 (c) (c) 微轴承微轴承微机械的一些应用微机械的一些应用 微机械按其尺寸特征可分为：微机械按其尺寸特征可分为：1-10mm1-10mm的

12、微小型机械，的微小型机械，1m-1mm1m-1mm的微机械的微机械, ,以及以及1nm-1m1nm-1m的纳米机械。的纳米机械。 微机械也常称为微型机电系统微机械也常称为微型机电系统(micro-electro-(micro-electro-mechanicalsystemmechanicalsystem，MEMS)MEMS)、微机器、微机器(micro-machine)(micro-machine)、微系、微系统统(micro-system)(micro-system)，是指用微机械加工技术制作的微传感器、微能源、微致动是指用微机械加工技术制作的微传感器、微能源、微致动器（亦称微执行器）等微

13、机械基本部分以及高性能的电子集成器（亦称微执行器）等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。线路组成的微机电器件与装置。 日本日本FanucFanuc公司生产的加工微型零件公司生产的加工微型零件的的ROBOnano UiROBOnano Ui五轴联动加工中心。五轴联动加工中心。以及在这台加工中心上用微型单晶金以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀加工出的人像浮雕。刚石立铣刀加工出的人像浮雕。 现已有多种小现已有多种小型精密高速机床型精密高速机床( (主主轴转速轴转速50000 r/min50000 r/min以上以上) )，使用微小刀，使用微小刀具加工微型器件。具加工微型器件。在微小型加工