精密和超精密加工技术及其发展展望

1、1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状1.3 1.3 超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望第第1 1章章 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 精密加工精密加工：加工精度在：加工精度在0.10.11 1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度在度在Ra0.02Ra0.020.10.1m

2、m之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；超精密加工超精密加工：加工精度：加工精度高于高于0.10.1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度度小于小于Ra0.01Ra0.01m m的加工方法称为超精密加工。的加工方法称为超精密加工。( (微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 ) )一一 精密和超精密加工精密和超精密加工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，提高产品稳定性和可靠性；产品稳定性和可靠性；促进产品小型化；促进产品小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自增强零件的互换性，提

3、高装配生产率，并促进自动化装配。动化装配。二二 提高加工精度的原因提高加工精度的原因超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围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个国家制造技术水平的重要标志之一。和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。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，日本声称已达到削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级于亚微米水平，相差一个数量级(国际上公认国际上公认0.1nm100nm为为纳米尺度空间，纳

4、米尺度空间，100nm1000nm为亚微米体系，小于为亚微米体系，小于1个纳米个纳米为原子团簇为原子团簇 )；金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水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。低的问题。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 三三 发展超精密加工的重要性发展超精密加工的重要性计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬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，我国件上

5、，即在集成电路芯片上有很强的能力，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两两毫米工程毫米工程”（车身尺寸变动量控制在以内（车身尺寸变动量控制在以内 ）使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是）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。实实在在的制造技术。 2 2 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 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

6、影响其命中率，直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴轴0.0005m，则会引起，则会引起100m的射程误差和的射程误差和50m的轨道误差。的轨道误差。大型天体望远镜的透镜、直径达大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为，形状精度为0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体（六轴亿光年的天体（六轴CNC研磨抛光机研磨抛光机 ）（）（图图）。）。红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1m，表，表面粗糙度为面粗糙度为Ra0.01m，其加工精度直

7、接影响导弹的引爆距离和，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m，表面粗糙度，表面粗糙度小于小于Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。，其质量直接影响激光的光源性能。3 3 国防工业上的需求国防工业上的需求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 计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机光鼓、各种磁头、激

8、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，才能达到质量要的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。求。4 4 信息产品中的需求信息产品中的需求5 5 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。至于超精密加工机床、设备和装置当然技术来完成。至于超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。

9、更需要超精密加工技术才能制造。四四 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超精密切削超精密切削精密金刚石刀具切削精密金刚石刀具切削精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工精密特种加工精密特种加工电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到0.1m美国是开展研究最早的国家美国是开展研究最早的国家(单件大型零件加工单件大型零件加工)。日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家国家（

10、中小零件加工）（中小零件加工） 。我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足年代末期有了长足进步，进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。机床和部件。近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精近年来，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；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、刻蚀、电光束等高能加工、微

11、波加工、超声加工、刻蚀、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，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。，在加工机理上均有所创新。 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1 1 加工机理加工机理 用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成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。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，无外例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微

12、观缺陷；其化学成分的误差应在部及内部微观缺陷；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、热导率和膨胀伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到系数等应达到10-510-6数量级；材料在冶炼、铸造数量级；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、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、力学等性能要称、无方向性，能满足物理、化学、力学等

13、性能要求。求。 2 2 被加工材料被加工材料(1)高精度。高精度。(2)高刚度。高刚度。 (3)高稳定性。高稳定性。 (4)高自动化。高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统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，、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。要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。3 3 加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用

14、金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚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，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削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃，则刃口钝圆半径应为口钝圆半径应为2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削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，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为常，采用粒度为W20W0.5的微粉金

15、刚石，粘接剂的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。采用树脂、铜、纤维铸铁等。4 4 加工工具加工工具 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、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。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；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，表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可

16、用可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取光衍射法、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。离线的、在位的和在线的三种方式。 5 5 检测与误差补偿检测与误差补偿误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；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。差本身的影响。静态误差补偿静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工是根据事先测出的误差值，

17、在加工时通过硬件或软件进行补偿；时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿动态误差补偿是在是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。5 5 检测与误差补偿检测与误差补偿超稳定环境条件超稳定环境条件是指恒温、防振、超净和恒湿四方是指恒温、防振、超净和恒湿四方面的条件。面的条件。 环境温度可根据加工要求控制在环境温度可根据加工要求控制在10.02，甚至达到，甚至达到0.0005。 在恒温室内，一般湿度应保持在在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%，防止，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等

18、。仪的零点漂移等。 洁净度要求洁净度要求1000100级，级，100级是指每立方英尺空级是指每立方英尺空气中所含大于气中所含大于0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100个，依此类推。个，依此类推。 6 6 工作环境工作环境向更高精度、更高效率方向发展；向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。材料。1 1 技术发展趋势技术发展趋势(1)超精密切削、磨削的基本理论和工艺；超精密切削、磨削的基本理论和工艺；(2)超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性；超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性；(3)超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；(4)超精密加工的环境条件；超精密加工的环境条件；(5)超精密加工的材料。超精密加工的材料。2 2 主要研究内容主要研究内容LODTMLODTM（美国立式大型光学金刚石车床（美国立式大型光学金刚石车