超精密加工技术

第三节超精密加工技术

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概述4超精密切削加工5精密与超精密磨削加工3超精密加工设备及环境超精密加工的发展趋势823:532超精密加工材料6超精密研磨和抛光7超精密加工的在线检测及误差补偿超精密加工的内涵以不改变工件材料物理特性为前提,以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤,包括微裂纹缺陷、残余应力、组织变化等)为目标的加工技术

。超精密加工时一个相对的概念，其界限会随着时间的推移而变化。3.3超精密加工技术

3.3.1概述综合加工精度与年代的关系普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份用于精密加工和超精密加工的材料，在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严格要求：1.应该质地均匀，成分准确，性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷。2.其化学成分的误差应在10-2～10-3数量级，且应控制其杂质含量或不含杂质；3.其物理力学性能，如抗拉强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等，应达

10-5～10-6数量级；4.冶炼、铸造、轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制温度。

3.3.2超精密加工材料超精密加工机床是超精密加工水平的标志,它应满足以下一些要求:1高精度2高刚度3高稳定性4高自动化。3.3.3超精密加工设备及环境净化的空气环境空气中的尘埃和微粒对于精密和超精密加工会引起加工精度的下降；空气洁净度指空气中含尘埃量多少程度；被控制的微粒直径0.5μm。恒定的湿度恒温室内一般会将湿度保证在55%-66%，防止机器、石材吸水膨胀，以及对一些仪器产生影响，如激光干涉仪的零点漂移

超精密加工的工作环境是保证加工质量的必要条件,它应满足以下一些要求:恒定的温度环境精密加工中机床热变形和工件温升引起的加工误差占总误差的40～70%；控制温度±0.5℃；较好的抗振动干扰环境防振：消除工艺系统内部自身产生的振动干扰；隔振：阻止外部振动传播到工艺系统中来。3超精密加工技术

3.5超精密加工的支撑环境超精密切削加工超精密切削加工主要是指由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的超精密车削。可用于加工有色金属材料及其合金，以及光学玻璃、石材和碳素纤维等非金属材料，加工对象是精度要求很高的镜面零件。3.3.4超精密切削加工金刚石刀具

超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴。a）4次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次对称轴和（110）晶面c）3次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片3.3.5精密与超精密磨削加工精密与超精密磨削加工是利用细粒度的磨粒和微粉,对黑色金属、脆材料进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度的值。超精密磨削砂轮结合剂树脂结合剂：自锐性好、耐磨性差；金属结合剂：耐磨性好、自锐性差、砂轮修整困难；铸铁陶瓷结合剂：化学稳定性好，脆性较大。金刚石砂轮：加工硬质合金等难磨材料用金属结合剂；立方氮化硼砂轮：一般用树脂结合剂和陶瓷结合剂。超精密磨削加工超精密磨削砂轮的修整与普通砂轮不同，超硬砂轮精密磨削砂轮的修整分整形(修形)和修锐两个阶段；整形：使砂轮具有要求的工作型面精度；修锐：将超硬磨粒周围的结合剂去除，使磨粒能裸露出理想的高度；修整方法有车削、磨削、喷射、电解在线修锐、电火花修整等，最常用的是(1)车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮；适用于普通结合剂砂轮的修整；(2)电解在线修锐法将超硬磨料砂轮接正极，石墨电极接负极；在砂轮与电极之间通以电解液；通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，修锐；适用于金属结合剂砂轮的修整；进给＋－电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷冷却液是一种特殊电解液磨削速度金刚石砂轮：磨削速度12～30m/s，其中陶瓷结合剂、树脂结合剂，磨削速度可选高些；金属结合剂选低些；立方氮化硼砂轮：磨削速度80～100m/s磨削液金刚石砂轮：磨削硬质合金普遍采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜适用苏打水。立方氮化硼砂轮：宜采用油性的磨削液，一般不用水溶性液，因为在高温下CBN砂轮与水会起化学反应，称为水解作用，加剧砂轮磨损。

3.3.6超精密研磨和抛光基于机械作用的超精密研磨抛光方法是依靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量去除，达到高精度的加工表面。弹性发射加工浮动研磨抛光磁力研磨电解磁力研磨抛光工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)弹性发射加工原理加工时使用聚氨脂球作加工头，在高速旋转的加工头与被加工工件表面之间加上含有微细磨粒（0.1～0.01μm）的研磨液，并产生一定的压力。通过高速旋转的加工头所产生的高速气流及离心力，使磨粒冲击或擦过工件表面，产生弹性破坏物质的原子结合，从而去除工件表面的材料。

工作原理

弹性发射加工机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用

弹性发射加工数控弹性发射加工装置用数控方法控制聚氨酯球位置，以获得最佳几何形状精度，同时使超细微粒加速，对工件进行原子级弹性破坏。在加工硅片表面时，用直径为0.1μm的氧化锆微粉，以100m/s速度与水平面成20°的入射角向工件表面发射，其加工精度可达±0.1μm，表面粗糙度值在0.0005μm以下。工作原理利用流体力学原理使抛光器与工件浮离，在抛光器的工件表面做出了若干楔槽，当抛光器高速旋转时，由于油楔的动压作用使工件或抛光器浮起，其间的磨粒就对工件表面进行抛光。

抛光器浮动研磨抛光小间隙工件与液体动压相应的速度抛光液磨粒浮动研磨抛光采用浮动研磨抛光，不需使用夹具，端面塌边半径可小至0.01μm。经过浮动研磨抛光的表面具有良好的结晶特性，同时加工表面没有残余压力。

磁力研磨抛光工作原理磁力研磨时，工件放入由两磁极形成的磁场中，在工件和磁极的间隙中放入磁性磨料。在磁场力的作用下，磨料沿磁力线方向整齐排列，形成一只柔软且具有一定刚性的"磁研磨刷"。当工件在磁场中旋转并作轴向振动时，工件与磨料发生相对运动，"磨料刷"就对工件表面进行研磨加工。

磁性磨料的磁力研磨

磁力研磨具有下面特点：（1）通过改变磁场的强度可以容易地控制研磨压力；（2）由于磁极与工件表面之间有加工间隙（1～4mm），因此通过“磨料刷“进行柔性研磨，不但可用于圆柱和平面研磨，还可以进行异形表面及自由曲面的研磨；（3）在磁极结构一定的情况下，通过磁感应强度，即可调节磨削力，加工过程很容易实现自动化；（4）磨料沿加工表面不断滚动和更换位置，使其具有良好的自铣性；（5）磁性材料被约束在磁极之间，不会污染操作环境；（6）加工效率高；（7）既可磨削铁磁性材料，也可磨削非铁磁性材料。基于机械-化学作用的超精密研磨抛光方法是在微粉粒子的撞击和研磨液的化学作用下产生研磨作用，去除