机械制造精密和超精密加工模版课件

四、超精密磨削、研磨和抛光(Grindingandpolishing)超精密磨削超精密研磨超精密抛光五、超精密加工机床设备(Machinetool)超精密机床开展典型超精密机床简介超精密机床主轴、导轨、进给驱动系统超精密加工的概念超精密加工精密加工普通加工

20世纪50年代前精密加工精度5

m以上超精密加工精度1

m以上20世纪50年代后精密加工精度3-5

m超精密加工精度1

m20世纪70年代精密加工精度1

m超精密加工精度0.1

m目前精密加工精度

0.1

m超精密加工精度0.01-0.001

m不同时期的精密和超精密加工精度

各种产品与所要求的精度范围

加工精度范围机械产品电子产品光学产品普通加工200

m一般机械零件，家用电器，汽车零件，通用齿轮通用电器机具，电子零件外壳，小型电机，半导体照相机外壳

精密加工5

m手表零件，精密齿轮，丝杠，高速轴承，滚动轴承继电器，IC硅片，录像头，记忆磁盘等透镜，棱镜等0.5

m空气轴承，导轨，精密模具，液压伺服阀等磁头，IC元件，磁控管等精密透镜，X射线反射镜，激光反射镜超精密加工0.05

m块规，金刚石压头，超精密导轨等IC存储器，硬磁盘，大规模集成电路等光学平晶，衍射光栅，光盘等0.005

m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大规模集成电路超精密衍射光栅1nm以下超精密零件的表面粗糙度

超精密加工的材料及其应用超精密加工的材料金属材料高硬度、高强度耐热合金应用：军工业、航空航天、原子能工业、激光金属、光学、电子工业非金属材料高分子材料复合材料无机硬脆材料应用：光学、化学、电子应用：航天、能源工业应用：电子、原子能、能源

分类名称单元芯片上的单元逻辑门电路数单元芯片上的电子元件数最小线条宽度

m小规模集成电路<10～12<100≤8中规模集成电路12～100100～1000≤6大规模集成电路≥100～1041000～1063～6超大规模集成电路≥104≥1050.1～2.5提高制造精度提高产品质量和性能提高产品可靠性促进产品小型化增强零件互换性超精密加工的意义超精密加工方法-超精密加工方法分类

超精密加工

高精度加工高尺寸精度高形位精度低粗糙度金刚石切削超精密磨削超精密研磨与抛光

微尺寸加工细

物理加工电火花加工激光加工超声波加工微波加工喷射加工

化学加工化学能加工光刻加工精密电铸电解加工

工件材料与加工方法材料超精密加工方法无机硬脆材料半导体材料陶瓷玻璃石英蓝宝石金刚石超精密磨削超精密研磨超精密抛光软质金属塑料超精密金刚石切削耐热合金复合材料超精密磨削超精密研磨超精密抛光

各种产品所适用的超精密加工方法加工方法超精密研磨、抛光超精密切削超精密磨削材料金属材料非金属材料金属材料非金属材料金属材料非金属材料被加工产品块规平尺金属平板机床导轨钢球螺纹齿轮宝石硅片透镜磁头棱镜石英反射镜鼓简光学体红外零件塑料零件滚动轴承轧辊空气轴承录像机轴压缩机陶瓷光学玻璃超精密加工对刀具材料的要求：极高等硬度、极高得耐磨性能、极高的弹性模量极锋利的刀刃、刃口半径值极小、能实现超薄切削刀刃无缺陷、切削时将刃形复印到加工外表上，能得到超光滑的镜面与工件的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工外表完整性超精密加工刀具传统切削加工超精密切削加工超精密切削加工超精密切削加工金刚石刀具的特点：硬度自然界最高，耐磨性能极好能磨出极其锋利的刀刃导热性能好和有色金属摩擦系数低金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同晶面和不同方向的摩擦系数和耐磨性能不同。

设计制造金刚石刀具时，必须首先进行晶体定向。金刚石刀具一般带修光刃，有直线修光刃和圆弧修光刃。天然金刚石刀具(单晶金刚石)是超精密加工的唯一理想的刀具。l

金刚石的物理力学性能硬度6000～10000(随晶体方向和温度而有所差别)WC：2400Al2O3：2200TiC:3200SiC:3500CBN：6000～8500抗弯强度210～490MPa抗压强度1500～2500MPa弹性模量(9～10.5)×1011N/m2导热系数(2～4)×418.68W/(m.K)和铝合金和黄铜之间的摩擦系数0.06～0.13开始氧化温度900～1000K超精密加工金刚石刀具金刚石刀具的应用可用于加工铝合金、黄铜等有色金属和某些非金属材料，不能用于金属材料的加工。可以得到超光滑外表，m，精度到达0.01m以上可以加工许多零件，如：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓等。l

金刚石刀具的应用使用极锋锐的金刚石刀具在机床最正确条件下，金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削，极限最小切削厚度可到达1nm。超精密切削时能到达的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度和被切材料的物理力学性能有关。l

超精密磨削(包括研磨和抛光)精密和超精密磨削加工方法分类

精密和超精密磨料加工

固结磨料加工

固结磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨涂覆磨具砂带磨削砂带研抛游离磨料加工精密研磨

精密抛光

超精密磨削镜面磨削：一般指加工外表粗糙度到达Ra0.02～0.01m，外表光泽如镜的磨削方法，只强调外表粗糙度。超精密磨削的特点：(1)超精密磨床是关键(高精度、高刚度、高稳定性、微量进给装置、计算机数控等)。(2)是超微量切除加工或超薄切削，一般采用金刚石砂轮。

超精密磨削砂带磨削的特点：

(1)弹性磨削(弹性、柔性、减振、跑合与抛光)。(2)冷态磨削(散热时间长、切屑不易堵塞)(3)高效磨削(效率为铣削的10倍，为磨削的5倍)

砂带磨削

超精密研磨和抛光超精密研磨和抛光影响研磨和抛光的主要工艺因素有：研磨方法(单面、双面、旋转、往复)；研具(铸铁、软布、树脂、橡胶、塑料)；磨粒(种类、粗细)；环境(温度)；压力；速度等

超精密抛光的陶瓷外表

超精密抛光的纤维增强材料外表

超精密加工机床设备

超精密加工机床设备的开展超精密机床是实现超精密加工的关键利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和极小的外表粗糙度最早的超精密加工机床是19世纪投入使用的各种天文望远镜和光学仪器的加工机床.

超精密加工机床设备典型的超精密加工机床早期超精密加工机床典型的超精密加工机床典型的超精密加工机床OAGM2500大型超精密机床用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量最大加工尺寸为：25002500610有2500的高精度回转工作台采用卧式结构采用激光双频测量器，分辨力到达2.5nm磨头和测量头采用空气轴承工作台用人造花岗石用大量恒温水冷却超精密加工机床主轴系统主轴能高速旋转高精度、高刚度、高稳定性液体静压轴承空气静压轴承主轴驱动方式电机通过带传递驱动电机通过柔性联轴器驱动机床主轴采用内装式同轴电动机驱动机床主轴超精密加工机床导轨材料床身和导轨材料优质耐磨铸铁花岗岩人造花岗岩

超精密加工机床进给系统进给驱动系统能实现准确的微量位移和精确定位滚珠丝杠副驱动液体静压和空气静压丝杠副驱动摩擦驱动导轨结构形式V-平面双V形滚动导轨液体静压导轨气浮导轨空气静压导轨超精密加工机床微位移机构

误差补偿系统组成误差信号检测误差信号处理误差信号建模补偿控制补偿执行机构

测量精度比加工精度要高一个数量级检测位移双频激光干预测量仪、X射线干预仪检测加工外表激光测量、扫描隧道显微镜、原子力显微镜微细加工的实例中国科学家研制的微型步进电机的扫描电镜照片

微细加工的产品微细加工的产品-超大规模集成电路的制备微细加工的产品-微电机系统(MEMS)的制备微细加工的产品-微电机系统(MEMS)在汽车工业中的应用微细加工的产品-微电机系统(MEMS)在人体医学中的应用

微细加工的特点

微细加工的分类和根底微细加工的分类：别离加工(切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工等)结合加工(附着加工、注入加工、接合加工等)变形加工(力和热使材料产生变形的加工方法)微细加工的根底：电子束加工离子束加工激光束加工常用的微细加工方法原子、分子加工单位的微细加工方法特种加工方法

超精密特种加工特种加工方法能量形式去除加工附着，表面处理结合变形

物理加工

电

能电火花电火花加工弧光，喷涂电火花，焊接点爆成形线切割

电子束电子束加工电子束蒸镀电子束焊接

电子束热处理

离子离子束加工离子喷镀离子溅射溅射离子喷镀离子光刻反应离子喷镀反应溅射蚀刻离子束蒸镀

等离子等离子喷射加工等离子束喷涂等离子焊接

等离子弧加工等离子喷镀

等离子光刻等离子渗碳电磁能

电磁固相结合电磁成形光能激光加工激光喷镀

激光光刻激光热处理声能超声波加工

水击能流体喷射加工

化学加工

化学能化学研磨化学镀层化学磨削非电解镀层

化学蒸镀

电化学能电解磨削电极沉积电子研磨电镀电解加工电铸

超精密加工的支撑环境支撑环境控制要求支撑环境控制要求空气环境洁净度、气流速度、压力、有害气体声音环境噪声、频率、声压热环境温度、湿度、表面辐射光环境照度、色彩、眩光振动环境频率、加速度、位移、微振动静电环境静电量、电磁波、放射线

超精密加工的支撑环境空气环境空气中含尘量(洁净度、空气过滤)气流速度(气流组织)压力热环境温度(一般20℃)湿度(相对湿度35%～45%)振动环境室内振动室外振动自然界振动(微动和风等)防振、隔振(防振垫层、隔振器)声环境噪声源隔声吸声消声纳米级加工纳米级加工的含义纳米级加工的含意是到达纳米级精度，包含：纳米级尺寸精度，纳米级几何形状精度、纳米级外表质量。纳米级加工的特点欲得到lnm的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际上已到加工精度的极限纳米级加工中试件外表的一个个原于