精密和超精密加工技术及其发展展望

Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技术1/13/2024教材：《精密和超精密加工技术》(第2版)

袁哲俊、王先逵主编

机械工业出版社学时：28周二下午5-6节(H514)周四上午1-2节(H514)参考材料：1、张建华主编《精密与特种加工技术》2、王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社，2001年

3、於贻琛《精密机床》

1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性1.2超精密加工技术的现状1.3超精密加工技术开展展望第1章精密和超精密加工

技术及其开展展望1/13/2024精密和超精密加工的加工范畴

精密和超精密加工代表了加工精度开展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工外表粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工外表粗糙度小于Ra0.01µm之间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〕。1.1开展精密和超精密加工技术的重要性1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性精密和超精密加工方法分类（1）

分类加工机理加工方法去除加工化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）熔化（液体）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工化学附着化学结合电化学附着电化学结合热附着扩散结合熔化结合物理附着注入化学镀，气相镀氧化，氮化电镀、电铸阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工变形加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工1/13/2024分类加工方法可加工材料应用切削加工等离子体切削微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工微细磨削研磨抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工电火花成形加工电火花切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工导电金属，非金属导电金属金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线划线，图形成形复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面精密和超精密加工方法分类（2）

1/13/2024工具等加工装置材料用途、零件等镜面切削金刚石刀具刃口锋利化利用CBN刀具切削钢金刚石刀具得结晶方位选择金刚石刀具刃口评价改进型SEM

采用空气轴承、流体轴承及空气道轨等的高精度化高刚度化冷却、空调、防振采用高速运算装置控制高刚度化的新方案：Tetraform结构球壳结构Al、Cu、塑料等软质材料无电解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盘基板各种模具各种发射镜红外用光学元件激光核聚变用光学元件X射线天体望远镜用元件镜面磨削树脂结合剂金刚石砂轮添加Mo2S2、WS2、C等铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整铁氧体精细陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁头红外用光学元件非球面玻璃透镜各种模具镜面研磨沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂抛光盘微细磨料、软质磨料、易微细化的磨料软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具－EEM及浮动抛光基于理论分析的平面研磨机大口径光学元件用研磨机液中研磨机、EEM装置、浮法抛光张之、P－MAC抛光装置NC化CAM化水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精细陶瓷CVDSiC膜玻璃压电滤波器基片SAW元件基片半导体基片各种模具SOR用X射线光学元件激光核聚变用各种光学元件投影透镜精密切削、磨削、研磨实例1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一

超精密加工所能到达的精度、外表粗糙度、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。例如：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，日本声称已到达2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如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低的问题。1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键

作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算机工业的开展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的开展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程〞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。1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性1.国防工业上的需求超精密加工技术与国防工业关系密切，如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影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，那么会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。

大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体〔六轴CNC研磨抛光机〕〔图〕。红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，外表粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，外表粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。1/13/2024石英转子的真球度到达了7.6nm〔不超过40个原子层〕，假设将该转子放大到地球的尺寸，最高的山峰也仅有2.4米。高精度陀螺仪1/13/2024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1/13/2024詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)詹姆斯·韦伯太空望远镜的质量为6.2吨，约为哈勃空间望远镜〔11吨〕的一半。主反射镜由铍制成，口径到达6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。位于第二拉格朗日点L2位于第二拉格朗日点L21/13/2024日-地系统5个拉格朗日点1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性2.信息产品中的需求计算机上的芯片、磁盘基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能到达质量要求。1/13/2024光刻机和硬盘1/13/20241.1开展精密和超精密加工技术的重要性3.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技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。1/13/20241968年，佳能成功开发了人工制造大型光学级萤石的技术，并于1969年将“FL300mmf/5.6〞、“FL500mmf/5.6〞两款萤石镜头投入市场。消色差透镜加工

普通透镜和消色差透镜会聚色相差比照

(a)普通无消色差透镜成像效果(b)高质量消色差透镜成像效果消色差透镜对照相机成像质量的影响氟化钙晶体1/13/20241.2超精密加工技术的现状国内外现状(1)美国是开展研究最早的国家。(2)日本是当今世界上超精密加工技术开展最快的国家。(3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。1/13/20241.2超精密加工技术的现状加工机理

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、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电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，在加工机理上均有所创新。

1/13/20241.2超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素

1.被加工材料

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。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在10-2～10-3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、热导率和膨胀系数等应到达10-5～10-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯洁、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。1/13/20241.2超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素

2.加工设备及其根底元部件(1)高精度。(2)高刚度。(3)高稳定性。(4)高自动化。加工设备的质量与根底元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，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。1/13/2024英国OAGM2500美国LODTM1/13/20241.2超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素

3.加工工具加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用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，其刃口钝圆半径应到达2～4nm，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，假设切削的厚度欲到达10nm，那么刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。1/13/20241.2超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素

4.检测与误差补偿尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干预仪来测量。外表粗糙度可用电感式、压电晶体式外表形貌仪等进行接触测量，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；外表应力、外表变质层深度、外表微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干预法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。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；误差补偿是在误差别离的根底上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测根底上，在加工时进行实时补偿。1/13/20241.2超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素

5.工作环境环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至到达±0.0005℃〔如：美国大型光学金刚石车床LODTM〕。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干预仪的零点漂移等。洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。1/13/20241.3超精密加工技术开展展望技术发展趋势超精密