精密和超精密加工論文

1、精密和超精密加工技術【摘要】本世紀的精密加工發(fā)展到超精密加工歷程比較復雜且難度大，目前超 精密加工日趨成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、 超精密研磨、超精密特種加工等。盡管超精密加t迄今尚無確切的定 義，但是它仍然在向更高的層次發(fā)展。超精密加工將向高精度、高效 率、大型化、微型化、智能化、工藝整合化、在線加工檢測一體化、 綠色化等方向發(fā)展。在不久的將來，精密加工也必將實現(xiàn)精密化、智 能化、自動化、高效信息化、柔性化、集成化。創(chuàng)新思想及先進制造 模式的提出也必將為精密與超精密技術發(fā)展提供策略。環(huán)保也是制造 業(yè)發(fā)展的必然趨勢。一、精密和超精密加工的概念與范疇通常，按加工精度劃分，機械

2、加工可分為一般加工、精密加工、超精 密加工三個階段。目前，精密加工是指加工精度為ro. l?;m,表面 粗糙度為rao. ro. 01?;m的加工技術，但這個界限是隨著加工技術的 進步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的般加工。精密加 工所耍解決的問題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面 狀況；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取 得高的加工效率。精密加工包括微細加工和超微細加工、光整加工等 加工技術。傳統(tǒng)的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、壬行磨、精密 研磨與拋光等。a.砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工，屬 于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、

3、表面質量好、使用范圍廣 等特點。b精密切削，也稱金剛石刀具切削(spdt),用高精密的機床和 單晶金剛石刀具進行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟 金屬的精密加工，如計算機用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反 光鏡等，比一般切削加工精度要高廣2個等級。c.術磨,用油石砂條組成的玷磨頭，在一定壓力下沿工件表面 往復運動，加工后的表面粗糙度可達rao. to. l?;m,最好可到 rao. 025?;m,主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性 好的有色金屬。d.精密研磨與拋光通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機械摩擦，使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研

4、磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達到其他加工方法 所不能達到的精度和表面粗糙度,被研磨表面的粗糙度rawo. 025?;m 加工變質層很小，表面質量高，精密研磨的設備簡單，主要用于平面、 圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量 塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。e拋光是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一 種微細加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或 機械拋光、超芮波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加 工等。手工或機械拋光加工后工件表面粗糙度rao. 05?;m,可用于 平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。超聲波拋光加工精度 o.o

5、ro. 02?;m,表面粗糙度rao. l?;mo化學拋光加工的表面粗糙度 一般為rao. 2?;mo電化學拋光可提高到rao. co. 08?mo超精密加工就是在超精密機床設備上，利用零件與刀具之間產(chǎn) 生的具有嚴格約束的相對運動，對材料進行微量切削，以獲得極高 形狀精度和表面光潔度的加工過程。當前的超精密加工是指被加工零 件的尺寸精度高于0. lum,表面粗糙度ra小于0. 025 u m,以及所用 機床定位精度的分辨率和重復性高于0. olum的加工技術，亦稱之為 亞微米級加工技術，j1正在向納米級加工技術發(fā)展。超精密加工包括微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工 等加工技術。微細加工技

6、術是指制造微小尺寸零件的加工技術；超微 細加工技術是指制造超微小尺寸零件的加工技術，它們是針對集成電 路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的絕對 值來表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示。光整加工 一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質的加工方法，不 著重于提高加工精度，其典型加工方法有玷磨、研磨、超精加工及無 屑加工等。實際上，這些加工方法不僅能提高表面質量，而且可以提 高加工精度。精整加工是近年來提出的一個新的名詞術語，它與光整 加工是對應的，是指既耍降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性 質，乂要提高加工精度（包括尺寸、形狀、位置精度）的加工方法。二、超

7、精密加工的分類a超精密切削超精密切削以spdt技術開始，該技術以空氣軸承主軸、氣動滑 板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得 納米級表面粗糙度。多采用金剛石刀具銃削，廣泛用于銅的平面和非 球面光學元件、有機玻璃、塑料制品（如照相機的塑料鏡片、隱形眼 鏡鏡片等）、陶瓷及復合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜 技術來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。b超精密磨削超精密磨削是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的一種鏡面磨削 方法，其關鍵技術是金剛石砂輪的修整，使磨粒具有微刃性和等高性。 超精密磨削的加工對象主要是脆硬的金屬材料、半導體材料、陶瓷、 玻璃等。磨削后，被加工表面留

8、下人量極微細的磨削痕跡，殘留高度極 小，加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用，可獲得高精度和低表面粗糙度 的加工表面，當前超精密磨削能加工出圓度0.01 u 尺寸精度0.1 u m和表面粗糙度為ra0.005 u m的圓柱形零件。c超精密研磨超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射 加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關鍵條件是兒乎無振動 的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細小而均勻的研磨劑。 超精密研磨加工出的球面度達0.025 u m,表面粗糙度ra達0.003 u m。d超精密特種加工超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、 微細電火花加工、精細屯

9、解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電 解研磨、超聲電火花等復合加工。激光、電子束加工可實現(xiàn)打孔、精 密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標志；離了束加 工可實現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細放電加工可以實現(xiàn)極微 細的金屬材料的去除，可加工微細軸、孑l、窄縫平面及曲面；精細電 解加工可實現(xiàn)納米級精度，且表面不會產(chǎn)生加工應力，常用于鏡面拋 光、鏡面減薄以及一些需要無應力加工的場合。三、工作原理近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微 粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位; 在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波 加工、超聲

10、加工、蝕刻、電火花和電化學加工等多種方法，特別是復 合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲怖磨等，在加工 機理上均有所創(chuàng)新。四、應用領域航天、航空工業(yè)中，人造衛(wèi)星、航天飛機、民用客機等，在制造 中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和 遙測部件對觀測性能影響很大。該軸承為真空無潤滑軸承，其孔和軸 的表面粗糙度要求為ryo. 01 u m,即lnm,其圓度和圓柱度均要求納 米級精度。當前，微型衛(wèi)星、微型飛機、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展十分迅猛, 涉及微細加工技術、納米加工技術和微型機電系統(tǒng)(mems)等已形成微 型機械制造。這些技術都在精密和超精密加工范疇內(nèi)，與計算機工業(yè)

11、、 國防工業(yè)的發(fā)展直接相關。五、超精密加工的發(fā)展展望超精密加工將向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工 藝整合化、在線加工檢測一體化、綠色化等方向發(fā)展。a高精度、高效率隨著科學技術的不斷進步，對精度、效率、質量的要求愈來愈高, 高精度與高效率成為超精密加工永恒的主題。超精密切削、磨削技術 能有效提高加工效率，cmp、eem技術能夠保證加工精度，而半固 著磨粒加工方法及電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法 由于能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工的趨勢。b大型化、微型化由于航天航空等技術的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加 工設備，如美國研制的加工直徑為2.44m的大型光學

12、器件超精密 加工機床。同時隨著微型機械電子、光電信息等領域的發(fā)展，超精密 加工技術向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅動元件和動力裝置、 微型航空航天器件等都需耍微型超精密加工設備。c智能化以智能化設備降低加工結果對人工經(jīng)驗的依賴性一直是制造領 域追求的目標。加工設備的智能化程度直接關系到加工的穩(wěn)定性與加 工效率，這一點在超精密加工中體現(xiàn)更為明顯。d工藝整合化當今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以 生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的 呼聲。另一方面，使用一臺設備完成多種加工（如車削、鉆削、銃削、 磨削、光整）的趨勢越來越明顯。e在線加工檢測一體化由于超精密加工的精度很高，必須發(fā)展在線加工檢測一體化技術 才能保證產(chǎn)品質量和提高生產(chǎn)率。同時由于加工設備本身的精度有時 很難滿足要求，采用在線檢測、工況監(jiān)控和誤差補償?shù)姆椒梢蕴岣?精度，保證加工質量的要求。六、結論精密和超精密加t,是現(xiàn)代