精密和超精密加工技術第2版 教學課件 ppt 作者 袁哲俊 哈爾濱工大 主編 第1章精密和超精密加工技術及其發(fā)展展望

1、1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀1.3 超精密加工技術發(fā)展展望,2024/4/2,第1章 精密和超精密加工技術及其發(fā)展展望,2024/4/2,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，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。 精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之間的加工方法稱為精密加工；超精

2、密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm的加工方法稱為超精密加工。(微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等 ),1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,一 精密和超精密加工,2024/4/2,提高制造精度后可提高產品的性能和質量，提高產品穩(wěn)定性和可靠性；促進產品小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產率，并促進自動化裝配。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,二 提高加工精度

3、的原因,2024/4/2,超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術水平的重要標志之一。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削的一個關鍵技術參數(shù)，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級(國際上公認0.1nm~100nm為納米尺度空間，100nm~1000nm為亞微米體系，小于1個納米為原子團簇 )；金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產，使制造水平有了大幅度提

4、高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,1 超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標志之一,三 發(fā)展超精密加工的重要性,2024/4/2,計算機工業(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的能力，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的發(fā)展。美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩毫米工程”（車身尺寸變動量控制在２ｍｍ以內 ）使汽車質量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實

5、實在在的制造技術。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,2 精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵,2024/4/2,陀螺儀的加工涉及多項超精密加工，導彈系統(tǒng)的陀螺儀質量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉子，其質量中心偏離其對稱軸0.0005μm，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。大型天體望遠鏡的透鏡、直徑達2.4m，形狀精度為0.01μm，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機 ）

6、（圖）。紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，表面粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導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1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其質量直接影響激光的光源性能。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,3 國防工業(yè)上的需求,2024/4/2,服役的哈勃望遠鏡,獅子座螺旋星系,宇宙深處的星體,銀河系環(huán)形星群,,,,2024/4/2,計算機上的芯片、磁板基片

7、、光盤基片等都需要超精密加工技術來制造。錄像機的磁鼓、復印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機的噴墨頭等都必須進行超精密加工，才能達到質量要求。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,4 信息產品中的需求,5 民用產品中的需求,現(xiàn)代小型、超小型的成像設備，如攝相機、照相機等上的各種透鏡，特別是光學曲面透鏡，激光打印機、激光打標機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術來完成。至于超精密加工機床、設備和裝置當然更需要超精密

8、加工技術才能制造。,2024/4/2,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術的重要性,四 精密和超精密加工目前包含三個領域超精密切削精密金剛石刀具切削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等加工精密特種加工電子束、離子束加工，使美國超大規(guī)模集成電路線寬達到0.1µm,2024/4/2,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,美國是開展研究最早的國家(單件大型零件加工)。日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最

9、快的國家（中小零件加工） 。我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。,2024/4/2,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、刻蝕、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、超聲珩磨等

10、，在加工機理上均有所創(chuàng)新。,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,影響精密和超精密加工的因素,1 加工機理,2024/4/2,用精密和超精密加工的零件，其材料的化學成分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求。例如，要求被加工材料質地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內部微觀缺陷；其化學成分的誤差應在10-2～10-3數(shù)量級，不能含有雜質；其物理力學性能，如拉伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導率和膨脹系數(shù)等應達到10-5～10-6數(shù)量級；材料在冶煉、鑄

11、造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學、力學等性能要求。,2 被加工材料,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,2024/4/2,(1)高精度。(2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動化。 加工設備的質量與基礎元部件，如主軸系統(tǒng)、導軌、直線運動單元和分度轉臺等密切相關，應注意這些元部件質量。此外，夾具、輔具等也要求有相應的高精度、高剛

12、度和高穩(wěn)定性。,3 加工設備及其基礎元部件,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,2024/4/2,加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。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，其刃口鈍圓半徑應達到2～4nm，同時應解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。 磨具當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

13、度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。,4 加工工具,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,2024/4/2,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行非接觸測量；表面應力、表面變質層深度、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

14、在線的三種方式。,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,5 檢測與誤差補償,2024/4/2,誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償是在誤差分離的基礎上，利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態(tài)和動態(tài)補償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補償是根據(jù)事先測出的誤差值，在加工時通過硬件或軟件進行補償；動態(tài)誤差補償是在在線檢測基礎上，在加工時進行實時補償。,1.2 超精密加工技術的現(xiàn)狀,5 檢測與誤差補償,2024/

15、4/2,超穩(wěn)定環(huán)境條件是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方面的條件。 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至達到±0.0005℃。 在恒溫室內，一般濕度應保持在55%～60%，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點漂移等。 潔凈度要求1000～100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個，依此類推。,6 工作環(huán)境,1.2 超精密

16、加工技術的現(xiàn)狀,2024/4/2,1.3 超精密加工技術發(fā)展展望,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；向加工檢測一體化方向發(fā)展；機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、新材料。,1 技術發(fā)展趨勢,2024/4/2,(1)超精密切削、磨削的基本理論和工藝；(2)超精密設備的關鍵技術、精度、動特性和熱穩(wěn)定性；(3)超精密加工的精度檢測、在線檢測和誤差補償；(4)超精密加工的環(huán)

17、境條件；(5)超精密加工的材料。,2 主要研究內容,1.3 超精密加工技術發(fā)展展望,2024/4/2,LODTM（美國立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床 ）,2024/4/2,2024/4/2,OAGM2500英國的CRANFIELD精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯(lián)動數(shù)控磨床（工作臺面積2500mm），可加工（磨削、車削）和測量精密自由曲面。該機床采用加工件拼合方法，還可加