精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望

1、1.1 1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性1.2 1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀1.3 1.3 超精密加工技術(shù)發(fā)展展望超精密加工技術(shù)發(fā)展展望第第1 1章章 精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將段，通常，按加工精度劃分，可將機(jī)械加工分為一般機(jī)械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個(gè)階段加工、精密加工、超精密加工三個(gè)階段。 精密加工精密加工：加工精度在：加工精度在0.10.11 1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度在度在Ra0.02Ra0.020.10.1m

2、m之間的加工方法稱(chēng)為精密加工；之間的加工方法稱(chēng)為精密加工；超精密加工超精密加工：加工精度：加工精度高于高于0.10.1m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙度度小于小于Ra0.01Ra0.01m m的加工方法稱(chēng)為超精密加工。的加工方法稱(chēng)為超精密加工。( (微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等 ) )一一 精密和超精密加工精密和超精密加工提高制造精度后可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高提高制造精度后可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性；產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品小型化；促進(jìn)產(chǎn)品小型化；增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自增強(qiáng)零件的互換性，提

3、高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自動(dòng)化裝配。動(dòng)化裝配。二二 提高加工精度的原因提高加工精度的原因超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。和幾何形狀是一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。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(chēng)已達(dá)到削的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱(chēng)已達(dá)到2nm，而我國(guó)尚處，而我國(guó)尚處于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)(國(guó)際上公認(rèn)國(guó)際上公認(rèn)0.1nm100nm為為納米尺度空間，納

4、米尺度空間，100nm1000nm為亞微米體系，小于為亞微米體系，小于1個(gè)納米個(gè)納米為原子團(tuán)簇為原子團(tuán)簇 )；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(wèn)題。低的問(wèn)題。1 超精密加工是國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一超精密加工是國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一 三三 發(fā)展超精密加工的重要性發(fā)展超精密加工的重要性計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬計(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，我國(guó)件上

5、，即在集成電路芯片上有很強(qiáng)的能力，我國(guó)集成電路的制造水平約束了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。集成電路的制造水平約束了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。美國(guó)制造工程研究者提出的汽車(chē)制造業(yè)的美國(guó)制造工程研究者提出的汽車(chē)制造業(yè)的“兩兩毫米工程毫米工程”（車(chē)身尺寸變動(dòng)量控制在以內(nèi)（車(chē)身尺寸變動(dòng)量控制在以內(nèi) ）使汽車(chē)質(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是）使汽車(chē)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)。實(shí)實(shí)在在的制造技術(shù)。 2 2 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 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

6、影響其命中率，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(duì)稱(chēng)的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對(duì)稱(chēng)軸軸0.0005m，則會(huì)引起，則會(huì)引起100m的射程誤差和的射程誤差和50m的軌道誤差。的軌道誤差。大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)2.4m，形狀精度為，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察140億光年的天體（六軸億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機(jī)研磨拋光機(jī) ）（）（圖圖）。）。紅外線探測(cè)器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為紅外線探測(cè)器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1m，表，表面粗糙度為面粗糙度為Ra0.01m，其加工精度直

7、接影響導(dǎo)彈的引爆距離和，其加工精度直接影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率。命中率。激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1m，表面粗糙度，表面粗糙度小于小于Ra0.01m，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。3 3 國(guó)防工業(yè)上的需求國(guó)防工業(yè)上的需求服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡獅子座螺旋星系宇宙深處的星體銀河系環(huán)形星群 計(jì)算機(jī)上的芯片、磁板基片、光盤(pán)基片等都需要計(jì)算機(jī)上的芯片、磁板基片、光盤(pán)基片等都需要超精密加工技術(shù)來(lái)制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感超精密加工技術(shù)來(lái)制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感光鼓、各種磁頭、激光打印機(jī)的多面體、噴墨打印機(jī)光鼓、各種磁頭、激

8、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。求。4 4 信息產(chǎn)品中的需求信息產(chǎn)品中的需求5 5 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)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(lái)完成。至于超精密加工機(jī)床、設(shè)備和裝置當(dāng)然技術(shù)來(lái)完成。至于超精密加工機(jī)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。

9、更需要超精密加工技術(shù)才能制造。四四 精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域超精密切削超精密切削精密金剛石刀具切削精密金剛石刀具切削精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤(pán)等加工解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤(pán)等加工精密特種加工精密特種加工電子束、離子束加工，使美國(guó)超大規(guī)模集成電路線寬達(dá)到電子束、離子束加工，使美國(guó)超大規(guī)模集成電路線寬達(dá)到0.1m美國(guó)是開(kāi)展研究最早的國(guó)家美國(guó)是開(kāi)展研究最早的國(guó)家(單件大型零件加工單件大型零件加工)。日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家國(guó)家（

10、中小零件加工）（中小零件加工） 。我國(guó)的超精密加工技術(shù)在我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)足年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步，進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。機(jī)床和部件。近年來(lái)，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精近年來(lái)，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；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、刻蝕、電光束等高能加工、微

11、波加工、超聲加工、刻蝕、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)合加工，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。，在加工機(jī)理上均有所創(chuàng)新。 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1 1 加工機(jī)理加工機(jī)理 用精密和超精密加工的零件，其材料的化學(xué)成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。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(wú)外例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無(wú)外部及內(nèi)部微

12、觀缺陷；其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在部及內(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(jí)，不能含有雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如拉數(shù)量級(jí)，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)到系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10-510-6數(shù)量級(jí)；材料在冶煉、鑄造數(shù)量級(jí)；材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過(guò)、輾軋、熱處理等工藝過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過(guò)濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻?yàn)V、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱(chēng)、無(wú)方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要稱(chēng)、無(wú)方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等

13、性能要求。求。 2 2 被加工材料被加工材料(1)高精度。高精度。(2)高剛度。高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。高穩(wěn)定性。 (4)高自動(dòng)化。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)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(tái)等密切相關(guān)，、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)單元和分度轉(zhuǎn)臺(tái)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。要求有相應(yīng)的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。3 3 加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用

14、金剛石刀具超精密切削，值得研究的問(wèn)題有：金剛金剛石刀具超精密切削，值得研究的問(wèn)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(cè)方法，刃口鈍圓半徑與切，同時(shí)應(yīng)解決其檢測(cè)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)到削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。 磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削磨具當(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(wèn)題，通，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問(wèn)題，通常，采用粒度為常，采用粒度為W20W0.5的微粉金

15、剛石，粘接劑的微粉金剛石，粘接劑采用樹(shù)脂、銅、纖維鑄鐵等。采用樹(shù)脂、銅、纖維鑄鐵等。4 4 加工工具加工工具 尺寸和形位精度可用電子測(cè)微儀、電感測(cè)微儀、尺寸和形位精度可用電子測(cè)微儀、電感測(cè)微儀、電容測(cè)微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來(lái)測(cè)量。電容測(cè)微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來(lái)測(cè)量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等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(cè)量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和進(jìn)行接觸測(cè)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(cè)量；隧道顯微鏡法進(jìn)行非接觸測(cè)量；表面應(yīng)力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，表面應(yīng)力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，可

16、用可用X光衍射法、激光干涉法等來(lái)測(cè)量。檢測(cè)可采取光衍射法、激光干涉法等來(lái)測(cè)量。檢測(cè)可采取離線的、在位的和在線的三種方式。離線的、在位的和在線的三種方式。 5 5 檢測(cè)與誤差補(bǔ)償檢測(cè)與誤差補(bǔ)償誤差預(yù)防通過(guò)提高機(jī)床制造精度、保證加工環(huán)誤差預(yù)防通過(guò)提高機(jī)床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來(lái)減少誤差源及其影響；境條件等來(lái)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)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(duì)誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以消除誤償裝置對(duì)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。差本身的影響。靜態(tài)誤差補(bǔ)償靜態(tài)誤差補(bǔ)償是根據(jù)事先測(cè)出的誤差值，在加工是根據(jù)事先測(cè)出的誤差值，

17、在加工時(shí)通過(guò)硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償；時(shí)通過(guò)硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償是在是在在線檢測(cè)基礎(chǔ)上，在加工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在線檢測(cè)基礎(chǔ)上，在加工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。5 5 檢測(cè)與誤差補(bǔ)償檢測(cè)與誤差補(bǔ)償超穩(wěn)定環(huán)境條件超穩(wěn)定環(huán)境條件是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方面的條件。面的條件。 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在10.02，甚至達(dá)到，甚至達(dá)到0.0005。 在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%60%，防止，防止機(jī)器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉機(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

18、。儀的零點(diǎn)漂移等。 潔凈度要求潔凈度要求1000100級(jí)，級(jí)，100級(jí)是指每立方英尺空級(jí)是指每立方英尺空氣中所含大于氣中所含大于0.5m的塵埃不超過(guò)的塵埃不超過(guò)100個(gè)，依此類(lèi)推。個(gè)，依此類(lèi)推。 6 6 工作環(huán)境工作環(huán)境向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。材料。1 1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(1)超精密切削、磨削的基本理論和工藝；超精密切削、磨削的基本理論和工藝；(2)超精密設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)、精度、動(dòng)特性和熱穩(wěn)定性；超精密設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)、精度、動(dòng)特性和熱穩(wěn)定性；(3)超精密加工的精度檢測(cè)、在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償；超精密加工的精度檢測(cè)、在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償；(4)超精密加工的環(huán)境條件；超精密加工的環(huán)境條件；(5)超精密加工的材料。超精密加工的材料。2 2 主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容LODTMLODTM（美國(guó)立式大型光學(xué)金剛石車(chē)床（美國(guó)立式大型光學(xué)金剛石車(chē)