第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù)(超精密加工)

1、精密和超精密加工定義： 加工精度(m) 粗糙度(m) 一般加工 1 精密加工 0.11 0.20.1 超精密加工 0.1 0.01 納米加工 0.001 0.005 超精密加工有車、銑、磨、拋（光）、研、電物 理及電化學(xué)等不同的工藝方法，目前應(yīng)用最為廣 泛的是車、磨、研、拋工藝。 超精密加工技術(shù)是發(fā)展高新技術(shù)和產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)， 如球度要求0.2m的人造衛(wèi)星姿態(tài)控制用的 120mm的過(guò)半球、形狀誤差要求小于0.1m空對(duì) 空導(dǎo)彈紅外接收器的外球面反射鏡、平面度0.05m 激光陀螺反射鏡、表面粗糙度Ra0.010.02m紅外 反射鏡及激光制導(dǎo)反射鏡、平面度0.1m計(jì)算機(jī)磁 盤及磁頭、平面度0.04m

2、及反射率8590%的激光 印刷機(jī)和靜電復(fù)印機(jī)及激光熱處理的多棱鏡、精密 儀器和機(jī)床的超精密零件等等。 精密、超精密加工技術(shù)是提高機(jī)電產(chǎn)品性能、質(zhì)量、 工作壽命和可靠性以及節(jié)材節(jié)能的重要方法和保證。 如提高汽缸和活塞的加工精度，就可以提高汽車發(fā) 動(dòng)機(jī)的效率和功率，減少油耗；提高滾動(dòng)軸承的滾 動(dòng)體的滾道的加工精度，就可以提高軸承的轉(zhuǎn)速， 減少振動(dòng)和噪聲；提高磁盤加工的平面度從而減少 它與磁頭間的間隙，就可以大大提高磁盤的存儲(chǔ)量； 提高半導(dǎo)體器件的刻線精度（減少線寬，增加密 度），就可以提高微電子芯片的集成度。 由此可知，超精密加工技術(shù)的高低，不只是 一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的標(biāo)志，也是一個(gè)國(guó) 家的國(guó)力

3、和國(guó)威所在。沒(méi)有高超的加工技術(shù)， 就不會(huì)有高超性能和質(zhì)量的機(jī)電產(chǎn)品，更沒(méi) 有現(xiàn)代化的國(guó)防工業(yè)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)已充分證明 了超精密加工技術(shù)的重要性。在未來(lái)世界的 技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，超精加工技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。 國(guó)外現(xiàn)狀 美國(guó)是開展超精密加工技術(shù)起步最早的國(guó)家，迄 今仍處于世界領(lǐng)先地位。在第二次世界大戰(zhàn)期間就 開始研究，到六十年代形成了超精密機(jī)床的商品化， 如加工激光核聚變爐的反射鏡，加工戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載 人飛船等零件的超精密機(jī)床。至80年代，超精密機(jī) 床綜合技術(shù)趨于成熟。如LLNL實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）受美國(guó)國(guó)防部委托 研制的大型光學(xué)零件金剛石車床

4、，可加工1620mm、 長(zhǎng)508mm、重達(dá)1350Kg的工件，該機(jī)床采用了多 項(xiàng)新技術(shù)，使在整個(gè)加工空間中的定位精度高達(dá) 0.028m（均方根值）。 英國(guó)也是較早從事精密、超精密加工技術(shù)研究的國(guó)家之一， Cranfield理工學(xué)院是迄今僅有的也能制造出用于大型超精密加工 機(jī)床的高剛度（大于2000N/m）精密氣浮主軸系統(tǒng)的單位，而 且80年代初受SERC的委托還研制出了加工X射線天體望遠(yuǎn)鏡筒 的大型數(shù)控金剛石車床，最近又推出了O A G M 2 5 0 0 和 Nanocenter250超精密加工設(shè)備，分辨率高達(dá)11.25nm，也屬世界 領(lǐng)先水平。 日本起步較晚，但發(fā)展較快，研究成果也很快發(fā)揮

5、了作用。 它發(fā)展超精密機(jī)床不是走美國(guó)“先軍后民”的道路，而是從民用 工業(yè)的需要去發(fā)展，如為了發(fā)展計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、復(fù)印機(jī)等產(chǎn)品 而研究加工磁盤、光盤、磁鼓、多面棱鏡等超精密機(jī)床。由于民 用工業(yè)向精密化發(fā)展，生產(chǎn)超精密機(jī)床的企業(yè)、公司逐年增加， 并投入大量人力、物力去開發(fā)，有計(jì)劃地引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)并深入解 剖。因此在發(fā)展速度上迅速追上美國(guó)，而且在技術(shù)上可以與美國(guó) 相抗衡。 除美國(guó)、英國(guó)、日本外，荷蘭、德國(guó)等也投入很大力量進(jìn)行 精密、超精密加工的研究。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我國(guó)超精密加工的研究起步并不晚，但是發(fā)展較慢， 直到80年代才取得一定進(jìn)展。如沈陽(yáng)第一機(jī)床廠生產(chǎn)的S1- 235型金剛石車床（主軸回轉(zhuǎn)精度0.

6、15m、加工精度 0.3m/60）；1984年上海理工大學(xué)（原上海機(jī)械學(xué)院）先 后研制出主軸回轉(zhuǎn)精度0.01m的精密軸系，應(yīng)用于上海儀 表機(jī)床廠的HY-026型超精密車床（加工工件圓度0.1m)、 高精度數(shù)控車床（加工工件圓度0.5m）；北京機(jī)床研究所 的超精密車床、銑床以及最高分辨率0.02m的CNC數(shù)控超 精密車床；中國(guó)航空精密機(jī)械研究所的模塊化超精車床 （全部花崗石材料制造，加工精度小于0.1m）等?？偟目?來(lái)，有色金屬的金剛石車削、銑削以及黑色金屬的磨削已 初步達(dá)到了超精密水平，但在效率、可靠性、特別是規(guī)格 （大小尺寸）和技術(shù)配套方面與國(guó)外比、與生產(chǎn)實(shí)際要求 比，還有相當(dāng)?shù)牟罹?。?duì)硬、

7、脆的非金屬和半導(dǎo)體材料表 面的超精密加工技術(shù)的研究則剛剛起步，在這方面我們與 國(guó)外的差距更大。 發(fā)展趨勢(shì) 目前精密、超精密加工向著納米級(jí)精度發(fā)展。超 精密機(jī)床設(shè)備趨向于多功能模塊化及用非金屬材料 制造，當(dāng)今機(jī)床的加工精度已達(dá)到0.025m、表面 粗糙度Ra0.0045m，即已進(jìn)入納米級(jí)加工時(shí)代。除 傳統(tǒng)的加工方法外，非傳統(tǒng)加工方法將越來(lái)越占有 重要地位，其中最有前途的是高能束加工，如激光 束、電子束、離子束等，還有向著去除、附著原子 級(jí)、分子級(jí)加工等方向發(fā)展。 由于精密、超精密加工技術(shù)是一門多學(xué)科綜合制造技 術(shù)，要追趕世界先進(jìn)水平，需要從加工工藝、加工設(shè) 備、測(cè)量與控制、環(huán)境條件保障等四個(gè)方面

8、來(lái)進(jìn)行研 究。 (一) 超精密加工工藝 超精密切削加工 由于有色金屬材料硬度很低， 不能磨削而采用超精密切削加工。切削這類材料的特 點(diǎn)是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力 小，不會(huì)和工件材料產(chǎn)生粘附，切削時(shí)不產(chǎn)生刀痕， 表成光潔，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越， 且能刃磨得非常鋒利，據(jù)日本大板大學(xué)島田尚一博士 介紹，他們?nèi)心ソ饎偸毒叩牡都鈭A弧半徑達(dá)0.002 0.004m，我國(guó)目前約達(dá)到0.05m。 超精密磨削 由于金剛石是碳的同素異形體，在高溫點(diǎn)時(shí) 和鐵族元素（黑色金屬材料）的親合作用大，易構(gòu)成碳化 物，刃口極易損壞，因此不能用來(lái)切削黑色金屬，只能用 磨削方法。 超精密磨削是在

9、一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。表 面光澤如鏡的磨削方法，是靠在砂輪工作表面上修理出來(lái) 的大量等高的磨粒微刃進(jìn)行精密加工而成的。這些等高的 微刃能從工件表面切除極微薄的、尚具有一些微量缺陷以 及微量形狀和尺寸誤差的余量。又由于這些等高微刃是大 量的，如果磨削用量得當(dāng)，微刃在工件表面上磨削痕跡多 次重復(fù)，本來(lái)就很微小的“殘留面積”便更進(jìn)一步縮小， 留下的只是大量的極微細(xì)的劃痕，故可使表面粗糙度達(dá)到 極微小的程度。此外，還由于在無(wú)火花磨削階段，微刃與 被加工表面之間，仍有明顯的磨擦、滑擠、拋光和熨光等 作用，故使加工表面格外光潔，當(dāng)前超精密磨削技術(shù)已能 加工出0.01m圓度、0.1m尺寸精度和0.0

10、05m表面粗糙度 的圓柱形零件。 超精密磨削的加工對(duì)象主要是淬硬的金屬材料和 半導(dǎo)體難加工材料、陶瓷、玻璃等，磨削工具采 用金剛石砂輪，關(guān)鍵技術(shù)是砂輪的修整。對(duì)于密 實(shí)形無(wú)氣孔的金剛石砂輪，如金屬結(jié)合劑金剛石 砂輪，一般在整形后還必須修銳；有氣孔型陶瓷 結(jié)合劑金剛石砂輪在整形后即可使用。金剛石砂 輪的修整方法很多，常用的有單點(diǎn)金剛石筆、燒 結(jié)體多點(diǎn)金剛石筆、專用砂輪修整器等。日本物 理化學(xué)研究所大森整博士研究出用電解在線修整 （ELTD）鑄鐵纖維結(jié)合劑（CIFB）金剛石砂輪， 獲得了良好的效果。 低溫磨削是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，日本千葉大 學(xué)報(bào)道了在77K（液氮溫度）低溫條件下，對(duì)玻 璃進(jìn)行磨削，

11、能抑制材料裂紋的發(fā)生。 超精密研磨 超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械 研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等方法。 機(jī)械研磨是一種古老而又十分簡(jiǎn)便的精密加工方 法，在一定條件下可達(dá)到Ra0.10.3m精度和 Ra0.03m表面粗糙度，而超精密研磨可提高到0.1m 以內(nèi)的精度和Ra0.03m的表面粗糙度，其基本原理是 在工件和研具之間放入0.1m以內(nèi)的磨料，研磨運(yùn)動(dòng)軌 跡呈周期性且不重復(fù)，為對(duì)工件產(chǎn)生一定的研磨能力， 在工件上有加載裝置，并保證工件在恒溫的研磨液體 中進(jìn)行研磨。研磨可降低工件表面粗糙度，提高尺寸 和形狀精度，但不能提高相互位置精度。 如果在研磨液中加有粘性較好的油酸，它會(huì)附著

12、在工件表 面上，使工件表面很快地產(chǎn)生一層氧化膜，工件表面凸起 處的氧化膜在研磨開始時(shí)與研具的接觸面小，單位面積壓 力大，首先被磨粒刮去，新的金屬表面又很快被氧化，新 的氧化膜又很容易地被刮掉。如此的不斷研磨下去，凸峰 就逐漸被磨平，這就是化學(xué)機(jī)械研磨法。為使工件表面光 潔，起到拋光研磨作用，采用浮動(dòng)拋光或稱非接觸拋光法， 即減輕對(duì)工件的研磨壓力，拋光研磨料在無(wú)機(jī)械壓力作用 下“游動(dòng)”而“打光”工件。 彈性發(fā)射加工（Elastic Emission Machining, EEM），是 一種利用加速了的微小粒子，彈射工件表面的原子晶格， 使表面上最上層的原子晶格受最大的剪切力，從而移去這 層不平的

13、原子。從最基本原理來(lái)說(shuō)，是一種噴射加工，和 電子束和離子束去除加工是一樣的。加工后的精度可達(dá) 0.1m。 主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括主軸支承及驅(qū) 動(dòng)，它不僅要求很高的主軸回轉(zhuǎn)精度、軸系剛度， 而且還能保持原精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定。超精密主軸回轉(zhuǎn) 大都采用氣體或液體靜壓支承。氣體靜壓支承引起 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的熱變形小，軸系剛度雖低，但 是很適用于微量切削。液體靜壓支承剛度大，但必 須克服液體溫升及壓力波動(dòng)的影響。對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)， 目前仍采用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)或電動(dòng)機(jī)、帶輪、聯(lián)軸 節(jié)、主軸傳動(dòng)，無(wú)論采用何種驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)必 須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡，電機(jī)軸采用靜壓支承更理想，皮帶 必須無(wú)縫且厚度一致。 主軸支承結(jié)構(gòu)有

14、多種型式，但大都采用球面支承結(jié) 構(gòu)，如圖4-1所示。因?yàn)榍蛎孑S承具有自動(dòng)定心、 裝配方便、加工精度高（上海理工大學(xué)生產(chǎn)的半球 軸承的圓度達(dá)0.020.05m）等特點(diǎn)。其中圖4 1a為德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的氣體靜壓高速精密車床， 主軸轉(zhuǎn)速40,000r/min，圖41b為美國(guó)專利，當(dāng)主 軸200r/min時(shí)，其振擺0.031m、500r/min時(shí)為 0.038m，徑向和軸向剛度分別為25.4N/m和 83.1N/m。 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)型式根據(jù)各工廠 的工藝條件而定。但一般都采用靜壓導(dǎo)軌， 如美國(guó)Pneumo Precision公司的MSG-235型 超精密車床，采用空氣靜壓導(dǎo)軌，直線度為 0

15、.08m/300mm。美國(guó)Moore公司加工雙V型 導(dǎo)軌有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)軌的直線度為 0.1m/100mm。我國(guó)上海儀表廠已達(dá)到同等 精度。 微量進(jìn)給 超精密機(jī)床一般都是微量切削， 日本大阪大學(xué)設(shè)立了一個(gè)切薄課題，切削厚 度約1nm的極限程度。在超精密機(jī)床上進(jìn)行 微量切削，要使用刀尖圓弧半徑極小的金剛 石刀具，并保證刀具的超微量進(jìn)給，這方面 的報(bào)導(dǎo)不少，比較多的是采用壓電陶瓷和平 行彈簧，微量進(jìn)給可達(dá)1nm。 機(jī)床結(jié)構(gòu)材料超精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)材料對(duì)機(jī)床精度 的影響很大，鑄鐵和鋼在過(guò)去曾是機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)材 料，今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，作為普通機(jī)床的材料，尤 其是床身和底座仍將發(fā)揮很大作用。但是很難滿

16、足超 精密機(jī)床的要求。為此國(guó)外早就用天然花崗巖材料制 造，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如性能穩(wěn)定、線膨脹系數(shù)小，約 是鑄鐵的2/3，美國(guó)Pneumo Precision公司的MSG-235型 超精密車床，其重達(dá)7t，尺寸為2m1.2m0.6m的底 座，就是花崗石制造的。我國(guó)航天航空總公司下屬的 303所也制造了二臺(tái)全花崗石車床。瑞士Stuter公司用 樹脂與花崗石粉混合而成的人造花崗石（商品名 Granitan），以鑄造成形，可減小大量加工量，該公司 已將此材料用于S系列磨床床身。美國(guó)柯達(dá)克公司研制 成功的OAGM2500型CNC磨床，用于加工探索太空用 的大型光學(xué)透鏡，機(jī)床總重130t，其床身底座是用 G

17、ranitan材料制造的。 花崗石的最大缺點(diǎn)是吸濕性大，吸水率為0.13%， 甚至高達(dá)0.5%0.7%，遇到液體會(huì)發(fā)生微量變形 （干燥后復(fù)原），用此材料時(shí)需防止液體的“侵 入”。在這種情況下，日本又開發(fā)了精密陶瓷材料， 其中Invar和Zerodur陶瓷材料的線膨脹系數(shù)分別為 0.610-6/k和0.0510-8/k，即約為鑄鐵的1/20 1/240，而且可以鑄造成型。日本古川勇二教授曾 制造了兩臺(tái)全陶瓷車床。由于陶瓷材料具有的優(yōu)越 性，日本機(jī)械制造人員正在深入研究它的加工問(wèn)題， 如能突破加工技術(shù)難關(guān)，陶瓷材料在今后將是超精 密機(jī)床的熱門材料。 （三）超精密測(cè)量 由于工件的加工精度很高，將工件

18、從機(jī) 床上取下來(lái)拿到計(jì)量室測(cè)量，不僅麻煩而且 由于環(huán)境溫度的變化會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，國(guó) 外超精密機(jī)床都有在線測(cè)量裝置，即在加工 過(guò)程中測(cè)量工件精度。這里有二個(gè)問(wèn)題需要 解決好： 尺寸定位精度 尺寸定位精度一般均采用 光柵、雙頻激光干涉儀控制。光柵過(guò)去能達(dá) 到的分辨率為0.1m、0.05m，現(xiàn)在日本的 三豐、東京精密、Canon、Sony等公司為 0.01m，英國(guó)Renishaw公司則高達(dá)0.001m， 為目前能達(dá)到的最高水平。英國(guó)Crnfield、 美國(guó)Zygo公司的雙頻激光儀的分辨率為 1.2nm，超過(guò)了美國(guó)HP系統(tǒng)產(chǎn)品精度。 傳感器傳感器目前有接觸式和非接觸式 兩類，要求其分辨率必須小于0.

19、01m，接觸式 的對(duì)有色金屬的測(cè)量表面易產(chǎn)生印痕，非接觸 式的對(duì)旋轉(zhuǎn)中的工件進(jìn)行測(cè)量較為理想，它有 電容、電渦流、激光及光導(dǎo)纖維等形式。激光 傳感器精度最高，但對(duì)環(huán)境要求亦高。電容傳 感器對(duì)外界環(huán)境也有一定要求，北京機(jī)床研究 所研制的電容傳感器的分辨率可達(dá)2nm。 實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量除了上面兩個(gè)問(wèn)題外，還要 考慮測(cè)量裝置的精度問(wèn)題，比如傳感器測(cè)頭中 心與工件軸線不共面，兩傳感器測(cè)頭不同軸、 測(cè)量中心線與工件中心線不垂直等項(xiàng)，所有誤 差的總和限制在0.05m以內(nèi)是非常困難的， 故目前國(guó)內(nèi)成功的實(shí)例很少。 機(jī)床的隔振 對(duì)于超精密機(jī)床，振動(dòng)對(duì)工件尺寸 精度和表面粗糙度的影響很大。一般來(lái)講，高頻振 動(dòng)的振幅要求減小到0.2m以下、低頻振動(dòng)的振幅 應(yīng)小于0.1m，據(jù)測(cè)量我國(guó)沿海大地脈動(dòng)頻率一般 為4Hz，機(jī)床隔振應(yīng)主要針對(duì)4Hz的大地脈動(dòng)，要 滿足這一要求，必須增加底座重量，如上述MSG 235型超精密機(jī)床重達(dá)7t的花崗石底座即為一例， 同時(shí)，超精密機(jī)床還必須采用三級(jí)減振措施。 將機(jī)床放置在整塊花崗石底座上，花崗石對(duì)振動(dòng)的 阻尼值是鑄鐵的45倍，可極大地衰減機(jī)床的切削振動(dòng)。 將機(jī)床與底座放置在隔振器上，如美國(guó)Barry公 司的ServeLevl隔振系統(tǒng)的3個(gè)AL556空氣彈簧隔振 器，垂直方向固有頻率為0.5Hz、水平方向?yàn)?.