先進(jìn)制造技術(shù)論文-超精密加工技術(shù)

1、金陵科技學(xué)院論文 先進(jìn)制造技術(shù)課程結(jié)業(yè)（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 超精密加工技術(shù) 學(xué)生姓名： 班級： 學(xué)號： 金陵科技學(xué)院論文 目錄目 錄摘 要II關(guān)鍵詞III1 緒 論12 超精密加工技術(shù)綜述22.1 超精密加工技術(shù)的內(nèi)涵及其重要性22.2 超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀23 超精密加工的主要方法43.1 超精密切削加工43.2 超精密磨料加工44 超精密機床6 4.1超精密主軸6 4.2機床的布局和導(dǎo)軌6 4.3超精密驅(qū)動系統(tǒng)6 4.4在線監(jiān)測與誤差補償問題6 4.5金剛石刀具在超精密切削技術(shù)中的應(yīng)用75 結(jié) 論8參考文獻(xiàn)9第 0 頁1金陵科技學(xué)院論文 摘要超精密加工技術(shù)的發(fā)展摘 要精

2、密超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到一個國家尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進(jìn)行研究開發(fā)，同時實行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。精密超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。 關(guān)鍵詞：超精密；微米；納米；尖端產(chǎn)品；數(shù)字控制第 0 頁1金陵科技學(xué)院論文 第1章 緒論1 緒 論超精密加工技術(shù)綜合應(yīng)用了機械技術(shù)發(fā)展的新成果及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計算機技術(shù)等，是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。同時， 超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機械、液

3、壓、電子、半導(dǎo)體、光 學(xué)、傳感器和測量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。從某種意義上說 ，超精密加工對先進(jìn)制造技術(shù)特別是納米技術(shù)對整個社會生產(chǎn)力水平的提高起到舉足輕重的地位，也成為衡量一個國家科技發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)之一 。 目前超精密加工還沒有確切的定義，一般是指達(dá)到絕對加工精度為0.1m或表面粗糙度 為Ra 0.0l m以及達(dá)到加工允差和加工尺寸之比為106的加工技術(shù)。超精密加工對環(huán)境的要求十分嚴(yán)格，納米加工對環(huán)境的要求就更加苛刻。只有對它的支撐環(huán)境加以嚴(yán)格控制，才能保證加工精度。加工所需的支撐環(huán)境主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動環(huán)境、聲環(huán)境和磁環(huán)境等幾個方面。本文著重介紹溫度環(huán)境以及振動環(huán)境兩個方面的環(huán)境因素

4、以及一般的解決措施 。 第 7 頁金陵科技學(xué)院論文 第2章 超精密加工技術(shù)綜述2 超精密加工技術(shù)綜述2.1 超精密加工技術(shù)的內(nèi)涵及其重要性當(dāng)前，精密加工是指加工精度為10.1m、表面粗糙度為Ra0.10.025m的加工技術(shù)；超精密加工是指加工精度高于0.1m、表面粗糙度Ra小于0.025m的加工技術(shù)，因此，超精密加工又稱之為亞微米級加工。但是，目前超精密加工已進(jìn)入納米級精度階段，故出現(xiàn)了納米加工及其相應(yīng)的技術(shù)。從精密加工和超精密加工的范疇來看，它應(yīng)該包括微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等加工技術(shù)。微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的加工技術(shù)；超微細(xì)加工技術(shù)是指制造超微小尺寸零件的加工技術(shù)

5、，它們是針對集成電路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的絕對值來表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示。光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機械性質(zhì)的加工方法，不著重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及無屑加工等。實際上，這些加工方法不僅能提高表面質(zhì)量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年來提出的一個新的名詞術(shù)語，它與光整加工是對應(yīng)的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機械性質(zhì)，又要提高加工精度(包括尺寸、形狀位置精度)的加工方法。航天、航空工業(yè)中，人造衛(wèi)星、航天飛機、民用客機等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造衛(wèi)星用的

6、姿態(tài)軸承和遙測部件對觀測性能影響很大。該軸承為真空無潤滑軸承，其孔和軸的表面粗糙度要求為Ry0.01m，即1nm，其圓度和圓柱度均要求納米級精度。被送入太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡(HST)，可攝取億萬千米遠(yuǎn)的星球的圖像，為了加工該望遠(yuǎn)鏡中直徑為2.4m、重達(dá)900kg的大型反光鏡，專門研制了一臺形狀精度為0.01m的加工光學(xué)玻璃的六軸CNC研磨拋光機。據(jù)英國Rolls-Royce公司報道，若將飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片的加工度，由60m提高到12m、表面粗糙度由Ra0.5m減少到0.2m，發(fā)動機的加速效率將從89%提高到94%；齒輪的齒形和齒距誤差若能從目前的36m，降低到1m，則其單位重量所能傳遞的扭距可提高

7、近1倍。 當(dāng)前，微型衛(wèi)星、微型飛機、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展十分迅猛，涉及微細(xì)加工技術(shù)、納米加工技術(shù)和微型機電系統(tǒng)(MEMS)等已形成微型機械制造。這些技術(shù)都在精密和超精密加工范疇內(nèi)，與計算機工業(yè)、國防工業(yè)的發(fā)展直接相關(guān)。2.2 超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在過去相當(dāng)長一段時期，由于受到西方國家的禁運限制，我國進(jìn)口國外超精密機床嚴(yán)重受限。但當(dāng)1998年我國自己的數(shù)控超精密機床研制成功后，西方國家馬上對我國開禁，我國現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)口了多臺超精密機床。我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機床，如北京機床研究所研制的加工直徑800mm的超精密車床

8、和哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密車床，這兩臺機床均有兩坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)和兩坐標(biāo)激光在線測量系統(tǒng)，可以加工非球回轉(zhuǎn)曲面；還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用于光學(xué)倍頻，是大功率激光系統(tǒng)中的重要元件。必須承認(rèn)，在超精密機床技術(shù)方面，我們與國外先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距，國產(chǎn)超精密機床的質(zhì)量水平尚待進(jìn)一步提高。在大型超精密機床方面，目前美、英、俄等國都擁有自行開發(fā)的大型超精密機床，而我國由于沒有大型超精密機床，因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件，國外對這些大型超精密零件的出口有嚴(yán)格限制，從而嚴(yán)重影響了我國國防尖端技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在我國正在加緊研制加工直徑1m

9、以上的立式超精密機床。金陵科技學(xué)院論文 第3章 超精密加工的主要方法3 超精密加工的主要方法3.1 超精密切削加工3.1.1 超精密切削加工的歷史60年代初，由于宇航用的陀螺，計算機用的磁鼓、磁盤，光學(xué)掃描用的多面棱鏡，大功率激光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各種復(fù)雜形狀的紅外光用的立體鏡等等，各種反射鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、拋光等方法進(jìn)行加工，不但加工成本很高，而且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此，研究、開發(fā)了使用高精度、高剛度的機床和金剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法加工。3.1.2 超精密切削對刀具的要求為實現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)滿足以下要求。1.極高的硬度、極高的耐

10、磨性和極高的彈性模量，以保證刀具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度。2.有研磨得特別鋒利的刀口。刀口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄的切削厚度。刀尖無缺陷。因切削時刀形將印在加工表面上，而不能得到超光滑的鏡面和工件材料的抗黏結(jié)性號、化血親和性小、摩擦系數(shù)小的要求。3.2 超精密磨料加工國內(nèi)外都采用超精密磨削、精密修整、微細(xì)磨料磨具進(jìn)行亞微米級以下切深磨削的研究，以獲得亞微米級的尺寸精度。微細(xì)磨料磨削，用于超精密鏡面磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均直徑可小至4 m。日本用激光在研磨過的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致的微小切刃，對硬脆材料進(jìn)行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂輪超精密磨削主要 用于磨

11、削難加工材料，精度可達(dá)0.025 m。日本開發(fā)了電解在線修整(ELID)超精密鏡面磨削技術(shù)，使得用超細(xì)微(或超微粉)超硬磨料制造砂輪成為可能，可實現(xiàn)硬脆材料的高精度、 高效率的超精密磨削。作平面研磨運動的雙端面精密磨削技術(shù)，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可獲得很高的平面度, 在工具和模具制造中，磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工序。技術(shù)關(guān)鍵除磨床本身外、磨削工藝也起決定性的作用。在磨削脆性材料時，由于材料本身的物理特性，切屑形成多為脆性斷裂，磨劑后的表面比較粗糙。在某些應(yīng)用場合如光學(xué)元件，這樣的粗糙表面必須進(jìn)行拋光，它雖能改善工件的表面粗糙度，但由于很難控制形狀精度，拋光后經(jīng)常會降

12、低。為了解決這一矛盾，在80年代末日本和歐美的眾多公司和研究機構(gòu)相繼推回了兩種新的磨削工藝：塑性磨削（Ductile Grinding）和鏡面磨削（Mirror Grinding）。塑性磨削 它主要是針對脆性材料而言，其命名來源出自該種工藝的切屑形成機理，即磨削脆性材料時，切屑形成與塑性材料相似，切屑通過剪切的形式被磨粒從基體上切除下來。所以這種磨削方式有時也被稱為剪切磨削（Shere Mode Grindins）。由此磨削后的表面沒有微裂級形成，也沒有脆必剝落時的元規(guī)則的凹凸不平，表面呈有規(guī)則的紋理。（2）鏡面磨削 顧名思義，它關(guān)心的不是切屑形成的機理而是磨削后的工件表面的特性。當(dāng)磨削后的工

13、件表面反射光的能力達(dá)到一定程度時，該磨削過程被稱為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金屬材料如鋼、鋁和鉬等。為了能實現(xiàn)鏡面磨削，日本東京大學(xué)理化研究所的Nakagawa和Ohmori教授發(fā)明了電解在線修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。鏡面磨削的基本出發(fā)點是：要達(dá)到境面，必須使用盡可能小的磨粒粒度，比如說粒度2m乃至0.2m。在ELID發(fā)明之前，微粒度砂輪在工業(yè)上應(yīng)用很少，原因是微粒度砂輪極易堵塞，砂輪必須經(jīng)常進(jìn)行修整，修整砂輪的輔助時間往往超過了磨削的工作時間。ELID首次解決了僅用微粒度砂輪時，修整與磨削在時間上的矛盾

14、，從而為微粒度砂輪的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造條件。金陵科技學(xué)院論文 第4章 超精密機床4 超精密機床4.1關(guān)鍵技術(shù)在超精密機床中的應(yīng)用超精密機床的質(zhì)量，取決于關(guān)鍵部件的質(zhì)量。世界各國都給予了足夠的重視，投入大量人力物力，對超精密機床的關(guān)鍵部件和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究。4.1.1超精密主軸精密主軸部件的回轉(zhuǎn)精度決定了精密機床的加工精度，其關(guān)鍵在于精密軸承。早期的精密主軸采用超精密級的滾動軸承，制造超精密級的滾動軸承變得尤為困難。于是推出了液體靜壓軸承，這種軸承具有剛度高、動態(tài)特性好等特點，但發(fā)熱是其致命的弱點。20世紀(jì)60年代開始發(fā)展空氣軸承主軸，與液體靜壓軸承相比，它有很高的回轉(zhuǎn)精度、溫升甚小，空氣軸承的應(yīng)

15、用促進(jìn)了超精密機床的發(fā)展?？諝廨S承的主要問題是剛度低，只能承受較小的載荷。超精密切削時，切削力甚小，因此空氣軸承能滿足要求，故得到廣泛的應(yīng)用。4.2機床的布局和導(dǎo)軌超精密機床的總體布局對其性能好壞起決定性影響。對于超精密車床來說，一般有z和x兩個方向的導(dǎo)軌，某些機床，如Moore車床，還增加一個垂直的轉(zhuǎn)軸。目前超精密機床的總體布局有十字形滑板工作臺布局、T形布局、R-布局、偏轉(zhuǎn)圓轉(zhuǎn)角布局、立式結(jié)構(gòu)布局。超精密機床床身結(jié)構(gòu)因材料不同而異。目前，花崗巖已是制造超精密機床的床身和導(dǎo)軌的熱門材料，這是因為花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并不會生銹等。導(dǎo)軌的類

16、型有液體靜壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌。4.3超精密驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)在當(dāng)多的相超精密機床采用精密滾珠絲杠作為進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動元件，但是由于絲杠的螺距有一定制造誤差，影響進(jìn)給運動的平穩(wěn)性。為此，在更高要求時采用摩擦驅(qū)動。摩擦驅(qū)動具有運動平穩(wěn)、無反向間隙等特點，在一些輕載、低速的超精密加工設(shè)備及檢測設(shè)備上得到了應(yīng)用。近年來，直線電機在超精密加工設(shè)備的驅(qū)動上得到了廣泛的應(yīng)用，也成為一個趨勢。和傳統(tǒng)的伺服電機加滾珠絲杠不同,在直線電機與機床工作臺之間,沒有直接的機械聯(lián)系,而是依靠磁性驅(qū)動作用,從而實現(xiàn)機床進(jìn)給系統(tǒng)的零傳動,極大地減小了各種傳動誤差。4.4在線監(jiān)測與誤差補償問題現(xiàn)在國外生產(chǎn)的超精密機床，都裝有

17、在線檢測系統(tǒng)，檢測機床運動部件的位移，并和精密數(shù)控系統(tǒng)組成精密反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證加工的尺寸精度?，F(xiàn)在超精密機床的在線檢測系統(tǒng)大部分都是使用雙路雙頻激光干涉測距儀，因為它有很高的測量分辨率和測量精度，使用分光鏡容易實現(xiàn)多路測量。精密檢測是超精密加工的必要手段,誤差補償是提高加工精度的有效措施。關(guān)鍵技術(shù)主要有幾何尺寸的納米級測量。包括測量基準(zhǔn)的建立、測量儀器的研究表面質(zhì)檢測技術(shù)及其側(cè)量儀器的研究、測量集成技術(shù)的研究、空間誤差補償技術(shù)的研究。4.5金剛石刀具在超精密切削技術(shù)中的應(yīng)用金剛石刀具是超精密切削中的重要關(guān)鍵。金剛石刀具有兩個比較重要的問題：一是晶面的選擇，這對刀具的使用性能有著重要的關(guān)

18、系；再就是金剛石刀具的研磨質(zhì)量切削刃鈍圓半徑n，它關(guān)系到切削變形和最小切削厚度，因而影響加工表面質(zhì)量。使用單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，可以加工出超光滑的加工表面。1986年開始日本大阪大學(xué)和美國LLL實驗室合作進(jìn)行了一項名為“超精密切削極限”的實驗研究，研究結(jié)果表明，使用極鋒銳的刀具和機床條件最佳的條件下，金剛石刀具的超精密切削，可以實現(xiàn)切削厚度為納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。由于金剛石硬度極高，且晶體各向異性，因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。制造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向，過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀，儀器昂貴，且定向操作相當(dāng)繁瑣。哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功開發(fā)了一種新的激光晶體定向方法，所用設(shè)備較簡單，且定向操作方便，可使金剛石晶體定向大大簡化。金陵科技學(xué)院論文 第5章 結(jié)論5 結(jié) 論超精密加工，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一,在提高機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。我國的制造業(yè)發(fā)展已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，中國民營企業(yè)已具備足夠的經(jīng)濟(jì)實力來使企業(yè)邁向現(xiàn)代化，先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)和大量專業(yè)人才的涌入使許多沿海地區(qū)的制造業(yè)水平迅速提高。隨著國家決策的科學(xué)化、民主化進(jìn)程