第一章《機(jī)械和超緊緊密加工第二章》

2020 4 7 姜春曉2005年8月 Precisionandultraprecisionmachining 精密和超精密加工技術(shù) 2020 4 7 教材 袁哲俊 王先逵主編 精密和超精密加工技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 學(xué)時(shí) 50課程安排 機(jī)032周三上午1 2節(jié)周五上午3 4節(jié) 單周 參考材料 1 張建華主編 精密與特種加工技術(shù) 2 於貽琛 精密機(jī)床 2020 4 7 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用1 3精密和超精密加工的需求1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 第1章精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展 2020 4 7 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(jī)械加工分為一般加工 精密加工 超精密加工三個(gè)階段 精密加工 加工精度在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之間的加工方法稱為精密加工 超精密加工 加工精度高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m之間的加工方法稱為超精密加工 微細(xì)加工 超微細(xì)加工 光整加工 精整加工等 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵 2020 4 7 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵 2020 4 7 2020 4 7 2020 4 7 1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用 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 2020 4 7 1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用 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 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) 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 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 0005 m 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 01 m 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1 m 表面粗糙度為Ra0 01 m 其加工精度直接影響導(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1 m 表面粗糙度小于Ra0 01 m 其質(zhì)量直接影響激光的光源性能 2020 4 7 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 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 計(jì)算機(jī)上的芯片 磁板基片 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 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 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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 2 10 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 5 10 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 高精度 2 高剛度 3 高穩(wěn)定性 4 高自動化 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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2 4nm 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W20 W0 5的微粉金剛石 粘接劑采用樹脂 銅 纖維鑄鐵等 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在 1 0 02 甚至達(dá)到 0 0005 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1000 100級 100級是指每立方英尺空氣中所含大于0 5 m的塵埃不超過100個(gè) 依此類推 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是 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(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 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 超精密加工的加工機(jī)理 進(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 2020 4 7 OAGM2500 LODTM 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 超精密加工刀具 磨具及刃磨技術(shù) 金剛石刀具及刃磨技術(shù) 金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研