超精密加工技术

1、Page 1先进制造技术先进制造技术2.2 2.2 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术二班二班2323号号 马跃东马跃东Page 2 超精密加工技术超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米纳米和亚纳米精精度发展。度发展。概述概述Page 3 超

2、精密加工技术超精密加工技术是衡量一个国家先进制造技术水是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，是先进制造技术的平的重要指标之一，是先进制造技术的基础和关基础和关键。键。 当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础。造技术的前沿，也是明天技术的基础。 目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是的加工精度是1m1m。概述概述Page 4精密加工精密加工 精度为精度为 101m， 表面粗糙度值为：表面粗糙度值为： Ra03003m； 超精密加工超精密加工 精度为精度为

3、 01001 m， 表面粗糙度值为表面粗糙度值为 Ra003 0005m， 又称亚微米加工；（又称亚微米加工；（1微米微米=0.001mm）纳米加工纳米加工 精度高于精度高于 003 m， 表面粗糙度值小于表面粗糙度值小于 Ra 0.005 m。 概述概述超精密加工技术的技术指标超精密加工技术的技术指标Page 5 提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。配。概述概述超精密加工技术

4、的重要性超精密加工技术的重要性Page 6 超精密加工技术在超精密加工技术在尖端产品和现代化武器尖端产品和现代化武器的制造的制造中占有非常重要地位。例如：对于导弹来说，具中占有非常重要地位。例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的有决定意义的是导弹的命中精度命中精度，而命中精度是，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。要有超精密加工技术和相应的设备。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性Page 7 例如：美国民兵例如：美国民兵型洲际导弹系统陀螺仪的精度型洲际导弹系统陀螺仪的精度为为0.0

5、30.030.050.05/h/h，其命中精度的圆概率误差为，其命中精度的圆概率误差为500m500m，而，而MXMX战略导弹战略导弹( (可装载可装载l0l0个核弹头个核弹头) )制导系制导系统陀螺仪精度比民兵统陀螺仪精度比民兵型导弹高出一个数量级，型导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有从而保证命中精度的圆概率误差只有5050l50ml50m。 如果如果lkglkg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm0.5nm，则会引起，则会引起100m100m的射程误差和的射程误差和50m50m的轨道误的轨道误差。差。概述概述超精密加工技术的重

6、要性超精密加工技术的重要性Page 8 红外探测器中接收红外线的红外探测器中接收红外线的反射镜反射镜是红外导弹的是红外导弹的关键性零件，其加工质量的好坏决定了导弹的命关键性零件，其加工质量的好坏决定了导弹的命中率。该反射镜表面的粗糙度要求达到度中率。该反射镜表面的粗糙度要求达到度Ra0.015Ra0.0150.01m0.01m。只有采用超精密车削，方能满足上述。只有采用超精密车削，方能满足上述要求。要求。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性Page 9 又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制亿万公里远星球图象的摄制亿万公里远星球

7、图象的哈勃望远镜哈勃望远镜(HST)(HST)，其，其一次镜要求使用直径一次镜要求使用直径2.4m2.4m，重达，重达900kg900kg的大型反光的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了超精密加工超精密加工( (形状精度为形状精度为0.01m)0.01m)光学玻璃用的光学玻璃用的6 6轴轴CNCCNC研磨抛光机。研磨抛光机。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性Page 10 大规模集成电路大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电，并且密切依赖于微细工程

8、的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件以形成功能复微小面积上能容纳更多的电子元件以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。成电路集成度的技术关键。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性Page 11 从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才能制造精密陀螺仪、精密雷达、超小型电子计算能制

9、造精密陀螺仪、精密雷达、超小型电子计算机及其它尖端产品。机及其它尖端产品。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性Page 12当代多种加工方法所能达到的精度，见图。当代多种加工方法所能达到的精度，见图。概述概述Page 13 可见，精密工程正在向其终极目标可见，精密工程正在向其终极目标-原子级精原子级精度度的加工逼近，也就是做到的加工逼近，也就是做到“移动原子移动原子”。为了。为了达到这一目标，各工业发达国家都在努力冲刺。达到这一目标，各工业发达国家都在努力冲刺。 日本的日本的ERATOERATO计划中，计划中，纳米技术纳米技术作为其六项优先技作为其六项优先技术之一，在由政府、大

10、学和工业界联合开发。材术之一，在由政府、大学和工业界联合开发。材料在纳米范围内的物理力学性能将予以分析，基料在纳米范围内的物理力学性能将予以分析，基本的测试系统与加工设备正在研制中。本的测试系统与加工设备正在研制中。概述概述Page 14 在过去相当的一段时期，精密加工、特别是超精在过去相当的一段时期，精密加工、特别是超精密加工的应用范围很狭窄。近十几年来，随着科密加工的应用范围很狭窄。近十几年来，随着科学技术和人们生活水平的提高，精密和超精密加学技术和人们生活水平的提高，精密和超精密加工不仅进入了国民经济和人民生活的各个领域，工不仅进入了国民经济和人民生活的各个领域，而且从单件小批生产方式走

11、向大批量的产品生产而且从单件小批生产方式走向大批量的产品生产。超精密加工范畴超精密加工范畴Page 15 在机械制造行业，已经改变了过去那种将精密机在机械制造行业，已经改变了过去那种将精密机床放在后方车间，仅用于加工工具，卡具，量具床放在后方车间，仅用于加工工具，卡具，量具的陈规。现在，工业发达国家已经将精密机床搬的陈规。现在，工业发达国家已经将精密机床搬到前方车间，直接用于产品零件的加工。到前方车间，直接用于产品零件的加工。超精密加工范畴超精密加工范畴Page 16 精密和超精密加工目前包含三个领域：精密和超精密加工目前包含三个领域：1)1)超精密切削超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加

12、，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面、它成功地解决了高精度陀螺仪，激工各种镜面、它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。光反射镜和某些大型反射镜的加工。2)2)精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨，例如解决了大规模集，例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。3)3)精密特种加工精密特种加工，如电子束，离子束加工，美国，如电子束，离子束加工，美国超大规模集成电路线宽达到超大规模集成电路线宽达到0.1m0.1m。超精密加工范畴超精密加工范畴Page 17 超精密切削加工已不再是一种孤立的加工方法和超精密切削加工

13、已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。的系统工程。 实现超精密切削加工，不仅需要超精密的实现超精密切削加工，不仅需要超精密的机床设机床设备和刀具备和刀具，也需要超稳定的，也需要超稳定的环境条件环境条件，还需要运，还需要运用计算机技术进行用计算机技术进行实时检测，反馈补偿实时检测，反馈补偿。只有将。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超精密切削加工精密切削加工超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 18 天然金刚石天然金刚石具有无与伦比的硬度，是超精

14、密加工具有无与伦比的硬度，是超精密加工的一种最佳切削刀具材料。特别是今年来，已经的一种最佳切削刀具材料。特别是今年来，已经成为超精密镜面切削的主要刀具。成为超精密镜面切削的主要刀具。 使用天然单晶金刚石刀具对超精密零件进行超精使用天然单晶金刚石刀具对超精密零件进行超精密切削，始于密切削，始于5050年代末期。初期的被加工工件多年代末期。初期的被加工工件多为形状简单的圆柱表面、平面和球面，只要求达为形状简单的圆柱表面、平面和球面，只要求达到及到及maxmax. .mm的镜面即可。后来发展要求加的镜面即可。后来发展要求加工非球曲面反射镜、再发展要求加工大型反射镜工非球曲面反射镜、再发展要求加工大型

15、反射镜。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 19 金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：两个方面：单件的大型超精密零件单件的大型超精密零件的切削加工和的切削加工和大量生产的中小型零件大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。的超精密切削加工技术。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 20单件大型零件超精密金刚石刀具单件大型零件超精密金刚石刀具切削，以美国最为发达，切削，以美国最为发达，居于世界领先地位。美国超精密加工技术的发展出于国防居于世界领先地位。美国超精密加工技术的发展出于国防的需要，通过能源部激光核聚变的

16、任务，以及陆海空三军的需要，通过能源部激光核聚变的任务，以及陆海空三军制造技术开发计划等，对超精密金刚石切削机床的研究开制造技术开发计划等，对超精密金刚石切削机床的研究开发投入丁巨额资金和大量人力。其最高水平是发投入丁巨额资金和大量人力。其最高水平是LLLLLL实验室实验室(Lowrence Livermore Laboratory)l 983(Lowrence Livermore Laboratory)l 983年研制的第三号年研制的第三号大型超精密金刚石车床大型超精密金刚石车床(DTM3(DTM3型型) )，该机可加工，该机可加工2100mm2100mm，质量为，质量为4500kg4500

17、kg和和19841984年研制的大型光学金年研制的大型光学金刚石车床刚石车床LODTMLODTM，可加工，可加工1625mm1625mm，质量，质量1360kg1360kg的非的非球面工件，其加工精度可达球面工件，其加工精度可达0.025m0.025m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa0.0045m0.0045m。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 21 大量生产的中小型超精密零件大量生产的中小型超精密零件大多是感光鼓，磁大多是感光鼓，磁盘，多面镜，以及平面，球面或非球面的激光反盘，多面镜，以及平面，球面或非球面的激光反射镜等。材料多为铜，铝及其合金，非电解镀镍射镜等。材料多为铜，

18、铝及其合金，非电解镀镍层，进而扩展至塑料及硬脆材料层，进而扩展至塑料及硬脆材料( (如陶瓷如陶瓷) )，间或有，间或有铁氧体材料加工。最近也有用铁氧体材料加工。最近也有用CBNCBN精车黑色金属精车黑色金属的报道。的报道。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 22 这些零件的加工精度可用表说明。这些零件的加工精度可用表说明。中小型精密幂件的加工精度中小型精密幂件的加工精度超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 23 英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称工程研究所（简称CUPECUPE）享有较高声誉，它是当）享

19、有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如密加工技术水平的独特代表。如CUPECUPE生产的生产的NanocentreNanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达件的形状精度可达0.1m0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra10nmRa10nm。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 24 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说日本对超精密加工技术的研究相对

20、于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。尖端技术为主要目标。 日本日本TOYOTATOYOTA公司生产的专用超精密车床用于加公司生产的专用超精密车床用于加工非球曲面的钢磨具，可用于车削、铣削、磨削工非球曲面的钢磨具，可用于车削、铣削、磨削并带有精密测量装置。该机床加工模具形状精度并带有精密测量装置。该机床加工模具形状精度为为0.05um0.05um，表面

21、粗糙度为，表面粗糙度为0.025um0.025um。结构上机。结构上机床采用盒式结构，不受外界影响，并机床处于恒床采用盒式结构，不受外界影响，并机床处于恒温状态。温状态。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 25 我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进年代末期有了长足进步，步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。床和部件。 北京机床研究所、航空航天工业部三零三所、哈北京机床研究所、航空航天工业部三零三所、哈尔滨工业大学、清华大学、中科院长春光学精密尔滨工业大学、清华大学、中科院长春光学精密机械研究

22、所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。领域的研究，成绩显著。 但总的来说，我国在超精密但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。距。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状Page 26先进制造技术先进制造技术2.2 2.2 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术

23、二班二班1414号号 胡小龙胡小龙Page 271)1)切削厚度与材料剪切应力的关系切削厚度与材料剪切应力的关系 金刚石刀具超精密切削的机理与一般切削加工的自较大筹别。由于金刚石刀具超精密切削的切削厚度极小，这时切削的深度可能小于被加工材料晶粒的大小，切削是在被加工材料的晶粒内进行的，因此，切削力一定要人于晶体内部非常人大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的剪切应力会急速地增加并变得非常大。这时刀刃处将产生很大的热量，刀刃切削处的温度将很高，因此要求刀具有很高的高温强度和硬度。金刚石刀具不仅有很高的高温强度和硬度，而且由于金刚石材料质地细密，且切削刃的几何形状非常好，表面寸分光滑，因此能够进行镜

24、面切削，这是当前其他刀具材料无法比拟的。2.2.22.2.2金刚石刀具超精密切削机理及特点金刚石刀具超精密切削机理及特点1 1金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理Page 28 金刚石刀具超精密切削机理及特点金刚石刀具超精密切削机理及特点Page 29(1)晶格原子、分子的破坏晶格原子、分子的破坏就是把原子、分子逐一的去除。(2)点缺陷点缺陷就是在晶体中存在空位和填隙原子。点缺陷的破坏是以原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。晶体中存在杂质原子也是一种点缺陷。(3)位错缺陷和微裂纹位错缺陷就是晶格位移，它在晶体中呈连续的线状分布故又称为线缺陷，即有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种破坏是由位错线的滑移或微裂纹引起的。(4)晶界破坏、空隙和裂纹晶界破坏、空隙和裂纹是以缺陷面为基础晶粒间破坏。如果应力作用的区域仅仅局限在上述各种缺陷空间的狭窄范围内则会以加工应力作用区域相应的破坏方式发生破坏；如果