第三章 38 超精密加工技术

1、3.8 超精密加工技术华北电力大学机械工程系花广如3.8.1 概述3.8.1 超精密加工技术内涵及范畴o 超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。o 目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下：o (1)一般加工。加工精度在10um左右、表面粗糙度值0.300.81um的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等， o (2)精密加工。加工精度100.1um，表面粗糙度值在030.03um的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、等。o (3)超精密加工。加工精度在01001um，表

2、面粗糙度值在0.030.051um的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。目前，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。o (4)纳米加工。加工精度高于1nm，表面粗糙度小于0.005um的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加工方法，而是诸如原子分子单位加工等方法。超精密切削加工3.8.1.2 超精密加工技术所涉及的技术领域 o 超精密加工技术从加工技术范畴来说，其包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。 o 超精密加工技术所涉及的技术领域包含了以下几个方面； (1)加工技术即加工方法与加工机理，主要有超精密切削、超精密磨料加工

3、、超精密特种加工及复合加工。 (2)材料技术即加工工具和被加工材料，如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制备及刃磨技术。工件材料对超精密切削也有重要影响。 o (3)加工设备及其基础元部件，主要加工设备有超精密切削机床、各种研磨机、抛光机以及各种特种精密加工、复合加工设备，对于这些加工设备有高精度、高刚度、高稳定性、高度自动化的要求。 (4)测量及误差补偿技术，必须有相应精度级别的测量技术和装置，即超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。 美国LLL实验室于1983年7月研制成功DTM-3型大型超精密金刚石车床，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、大型天体望远镜。采用严格

4、的恒温控制、流体温度控制(2000006)。 (5)工作环境 加工环境条件的极微小变化都可能影响加工精度，使超精密加工达不到预期目的，因此，超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行，必须具备各种物理效应恒定的工作环境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。(6)工件的定位与夹紧。3.8.1.3 超精密加工技术的国内外发展现状o 国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高,而且商品化的程度也非常高。在超精密加工机床的研制和生产方面,除美、英、日等国家外,德国、荷兰和中国台湾也比较先进。o 我国从20世纪80年代初期开始研究超精密加工

5、技术,主要的研究单位有北京机床研究所、中国航天精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所应用光学重点实验室等。北京机床研究所研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器。o 我国超精密机床虽然近几年有了很大发展，但和发达国家相比还有很大差距，主要表现在超精密非球面车床还不能生产；机床的精度一般比国外要低一个等级；机床精度的保持时间大大低于国外；精密空气主轴、微位移机构、精密CNC 伺服系统，机床热变形和精密恒温控制、结构稳定性和防振隔振技术都亟待深入研究，因此精度要求高的精密和超精密机床，还不得不从国外进口。3.8.2 超精密切削加工o 超精密切削加工主要指金刚石刀具

6、超精密车削，主要用于加工软金属材料，如铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维板等非金属材料，主要加工对象是精度要求很高的镜面零件。 3.8.3 超精密磨削和磨料加工o 超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固结磨料和游离磨料两大类加工方式。其中固结磨料加工主要有： 超精密砂轮磨削和超硬材料微粉砂轮磨削 超精密带磨削 ELID磨削 双端面精密磨削 电泳磨削3.8.3.1 超精密砂轮磨削技术o 超精密磨削即是加工精度在0.1um以下、表面粗糙度0.025um以下的砂轮磨削方法，此时因磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受

7、到高温和高压作用，因此，需要用人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等超硬磨料砂轮。3.8.2 超精密砂带磨削技术o 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。 油石研磨 3.8.3.3 ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术o 金属结合剂的金刚石和立方氮化硼砂轮制造后的整形、砂轮在磨削中形成堵塞和磨损后的修锐技术。o 在线电解修整（ ELID ）的基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳

8、极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，磨料不断地凸出，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。oELID磨削技术由于采用ELID技术，使得用超微(甚至超微粉)的超硬磨料制造砂轮并用于磨削成为可能，其可代替普通磨削、研磨及抛光并实现硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。3.8.3.4 双端面精密磨削技术o 近期新出现了作平面研磨运动的双端面精磨技术，其双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨一样，工件既作公转又作自转 。该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。 3.8.3.5 电泳磨削技术o 电泳磨削技术是一种新的超精密及纳米级磨削技术，其磨削机

9、理是利用超细磨粒的电泳特性，在加工过程中使磨粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一超细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充(如图)。由于磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性，同时，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。 o通过对电场强度、液体及磨粒特性等影响因素加以控制，就可使磨粒层在加工过程中呈现两种不同的状态：o 一种是在加工过程中使磨料的脱落量与吸附量保持动态平衡，这样就可以稳定吸附层的厚度，得到加工过程中使磨料的脱落量与吸附量保持动态平衡，这样就可

10、以稳定吸附层的厚度，得到一个表面不断自我修整而尺寸不变的超细砂轮；o 另一种状态是在加工过程中，使磨料的吸附量超过脱落量，那么磨粒层厚度就会不断增加，这样就可以在机床无切深进给条件下实现磨削深度的不断增加，即所谓的自进给电泳磨削。3.8.3.6 超精密研磨与抛光技术o 游离磨料加工指在加工时，磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。主要有： 超精密研磨、 磁流体精研、 磁力研磨、 电解研磨复合加工、 软质磨粒机械抛光 磁流体抛光 超精研抛等。 o1超精密研磨技术 研磨是在被加工表面和研具之间

11、置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处，使被加工表面的精度得以提高。o2.磁流体精研技术 磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，其特性是：每一个粒子的磁力矩极大，不会因重力而沉降：磁性曲线无磁滞，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。 o 3磁力研磨技术 磁力研磨是利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨刷，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。o4电解研磨技术 电

12、解研磨是电解和研磨的复合加工，研具是一个与工件表面接触的研磨头，它既起研磨作用，又是电解加工用的阴极，工件接阳极。研磨加工时，以精度较高电解成形所采用的硝酸钠水溶液为主，加入既能保持其精度又能提高其蚀除速度组成电解液，电解液通过研磨头的出口流经金属工件表面，工件表面在电解作用下发生阳极溶解，在溶解过程中，工件表面形成一层极薄的氧化物，但刚刚在工件表面凸起部分形成的阳极膜被研磨头研磨掉，于是阳极工件表面上又露出新的表面并继续电解，这样，电解作用与研磨头刮除阳极膜作用交替进行，在极短时间内，可获得十分光洁的镜面。o 5软质磨粒机械抛光 典型的软质磨粒机械抛光是弹性发射加工其最小切除量可以达原子级，

13、即可小于0001m，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。o 6. 磁流体抛光 磁流体是由强磁性微粉(1015nm大小的Fe304)、表面活化剂和运载液体所构成的悬浮液，在重力或磁场作用下呈稳定的胶体分散状态，具有很强的磁性。将工件置于磁流体的上面并与磁流体在水平面产生相对运动，则上浮的磨粒将对工件的下表面产生抛光加工，抛光压力由磁场强度控制。o7超精研抛机械化学抛光3.8.4 超精密特种加工o 超精密特种加工的方法很多，多是分子、原子单位加工方法，可以分为去除(分离)、附着(沉积)和结合以及变形三大类。o 分离(去除)加工就是从工件上分离原子

14、或分子，如电子束加工和离子束溅射加工等。附着(沉积)是在工件表面上覆盖一层物质，如电子镀、离子镀、分子束处延、离子束外延等。结合是在工件表面上渗入或涂入一些物质，如离子注入、氮化、渗碳等。变形是利用高频电流、热射线、电子束、激光、液流、气流和微粒子束等使工件被加工部分产生变形，改变尺寸和形状。电子束加工原理图水喷射加工原理图385 超精密加工装备o 超精密加工所用的加工设备主要有超精密切削磨削机床、各种研磨机和抛光机等。3.8.3.6 超精密加工的发展趋势o 当前，超精密及纳米加工技术的发展趋势主要表现在以下一些方面： (1)向高精度方向发展，向加工精度的极限冲刺，由现阶段的亚微米级向纳米级进军，其最终目标是做到“移动原子”，实现原子绿精度的加工。 (2)向大型化方向发展，研制各种大型超精密加工设备，以满足航天航空、电子通信等领域的需要。 (3)向微型化方向发展，以适应微型机械、集成电路的发展。 (4)向超精结构、多功能、光机电一体化、加工检测一体化方向发展，并广泛采用各中测量、控制技术实时补偿误差。 (5)不断出现许多新工艺