第1章 精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望

1、Precision and ultraprecision machining參考材料：1、張建華主編精密與特種加工技術(shù)2、王先逵編精密加工技術(shù)實(shí)用手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，2001年 3、於貽琛精密機(jī)床 第1章 精密和超精密加工的加工范疇精密和超精密加工的加工范疇 1.1 1.1 精密和超精密加工方法分類（精密和超精密加工方法分類（1） 精密和超精密加工方法分類（精密和超精密加工方法分類（2） 精密切削、磨削、研磨實(shí)例精密切削、磨削、研磨實(shí)例1.1 超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一 超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一

2、個(gè)國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場，作為真實(shí)產(chǎn)品的實(shí)際制造，必然要靠精密加工和超精密加工技術(shù)，例如，計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強(qiáng)的能力，應(yīng)該說，當(dāng)前，我國集成電路的制造水平約束了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。

3、美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩毫米工程”使汽車質(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實(shí)實(shí)在在的制造技術(shù)。 1.1.國防工業(yè)上的需求國防工業(yè)上的需求 超精密加工技術(shù)與國防工業(yè)關(guān)系密切，如陀螺儀的加工涉及多項(xiàng)超精密加工，導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對稱軸0.0005m，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。 大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)2.4m，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察140億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機(jī) ）（圖）。 紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1m，表面粗糙度為Ra0.01m，其加工精度直接

4、影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率。 激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1m，表面粗糙度小于Ra0.01m，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。 石英轉(zhuǎn)子的真球度達(dá)到了石英轉(zhuǎn)子的真球度達(dá)到了7.6nm（不超過（不超過40個(gè)原子層），若將該個(gè)原子層），若將該轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，最高的山峰也僅有2.4米。米。高精度陀螺儀高精度陀螺儀服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡獅子座螺旋星系宇宙深處的星體銀河系環(huán)形星群位于第二拉格朗日點(diǎn) L2位于第二拉格朗日點(diǎn) L22.2.信息產(chǎn)品中的需求信息產(chǎn)品中的需求 計(jì)算機(jī)上的芯片、磁盤基片、光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感光鼓、

5、各種磁頭、激光打印機(jī)的多面體、噴墨打印機(jī)的噴墨頭等都必須進(jìn)行超精密加工，才能達(dá)到質(zhì)量要求。3.3.民用產(chǎn)品中的需求民用產(chǎn)品中的需求 現(xiàn)代小型、超小型的成像設(shè)備，如攝相機(jī)、照相機(jī)等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成。至于超精密加工床、設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。消色差透鏡加工消色差透鏡加工 普通透鏡和消色差透鏡匯聚色相差對比普通透鏡和消色差透鏡匯聚色相差對比 (a) 普通無消色差透鏡成像效果普通無消色差透鏡成像效果 (b) 高質(zhì)量消色差透鏡成像效果高質(zhì)量消色差透鏡成像效果消色差透鏡對照相機(jī)成像質(zhì)量的影響消色差透鏡對照

6、相機(jī)成像質(zhì)量的影響氟化鈣晶體氟化鈣晶體國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外現(xiàn)狀(1)美國是開展研究最早的國家。(2)日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家 。(3)我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。加工機(jī)理加工機(jī)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、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機(jī)理上均有所創(chuàng)新。 影響精密和超精密

7、加工的因素影響精密和超精密加工的因素 1.被加工材料被加工材料 用精密和超精密加工的零件，其材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能均有嚴(yán)格要求。例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷；其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10-210-3數(shù)量級，不能含有雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10-510-6數(shù)量級；材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。 影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 2.加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部

8、件加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件 (1)高精度。(2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動(dòng)化。 加工設(shè)備的質(zhì)量與基礎(chǔ)元部件，如主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)單元和分度轉(zhuǎn)臺等密切相關(guān)，應(yīng)注意這些元部件質(zhì)量。此外，夾具、輔具等也要求有相應(yīng)的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。英國OAGM2500美國LODTM影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 3.3.加工工具加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達(dá)到24nm，同時(shí)應(yīng)解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為

9、2nm。 磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 4.4.檢測與誤差補(bǔ)償檢測與誤差補(bǔ)償 尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來測量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進(jìn)行接觸測量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進(jìn)行非接觸測量；表面應(yīng)力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。檢測可采取離線的、在位的和在線的三種方式。 誤差預(yù)防通過提高

10、機(jī)床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補(bǔ)償是在誤差分離的基礎(chǔ)上，利用誤差補(bǔ)償裝置對誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補(bǔ)償是根據(jù)事先測出的誤差值，在加工時(shí)通過硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償是在在線檢測基礎(chǔ)上，在加工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 影響精密和超精密加工的因素影響精密和超精密加工的因素 5.5.工作環(huán)境工作環(huán)境 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在10.02，甚至達(dá)到0.0005（如：美國大型光學(xué)金剛石車床LODTM）。 在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%60%，防止機(jī)器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點(diǎn)漂移等。 潔凈度要求1000100級，10

11、0級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5m的塵埃不超過100個(gè)，依此類推。 技術(shù)發(fā)展趨勢技術(shù)發(fā)展趨勢 超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是：1.向更高精度、更高效率方向發(fā)展；2.向大型化、微型化方向發(fā)展；3.向加工檢測一體化方向發(fā)展；4.機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；5.不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容(1)超精密加工的加工機(jī)理?！斑M(jìn)化加工”及“超越性加工”機(jī)理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究。(2)超精密加工設(shè)備制造技術(shù)。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機(jī)床總成制造技術(shù)研究。主要研