精密與特種加工課件第一章概要

周杰2010年3月Precisionandultra-precisionmachining精密及特種加工技術(shù)周杰Precisionandultra-precisio2022/10/152教材：

《精密及特種加工技術(shù)》李文貴主編

重慶大學(xué)出版社學(xué)時(shí)：32周一上午1、2節(jié)（1-4周）周二下午1、2節(jié)（1-4周）周三上午1、2節(jié)（1-4周）周四上午1、2節(jié)（1-4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》

2022/10/112教材：

《精密及特種加工技術(shù)》李文貴主2022/10/153精密和超精密加工技術(shù)主要內(nèi)容第1章精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展第2章超精密切削與金剛石刀具第3章精密磨削和超精密磨削第4章精密和超精密加工的機(jī)床設(shè)備第5章精密加工中的測(cè)量技術(shù)第6章在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù)第7章精密研磨與拋光2022/10/113精密和超精密加工技術(shù)主要內(nèi)容第1章2022/10/1541.1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(shì)第1章精密和超精密加工

技術(shù)及其發(fā)展2022/10/1141.1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵第12022/10/155精密和超精密加工的加工范疇

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0.1～1μm，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(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2022/10/115精密和超精密加工的加工范疇精密和超精2022/10/1562022/10/1162022/10/1572022/10/1172022/10/1581.1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵精密和超精密加工方法分類（1）

分類加工機(jī)理加工方法去除加工化學(xué)分解（氣體、液體、固體）電解（液體）蒸發(fā)（真空、氣體）擴(kuò)散（固體）熔化（液體）濺射（真空）刻蝕（曝光），化學(xué)拋光，軟質(zhì)粒子機(jī)械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴(kuò)散去除加工熔化去除加工粒子束濺射去除加工，等離子體加工結(jié)合加工化學(xué)附著化學(xué)結(jié)合電化學(xué)附著電化學(xué)結(jié)合熱附著擴(kuò)散結(jié)合熔化結(jié)合物理附著注入化學(xué)鍍，氣相鍍氧化，氮化電鍍、電鑄陽(yáng)極氧化蒸鍍（真空蒸鍍），晶體生長(zhǎng)，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳浸鍍，熔化鍍?yōu)R射沉淀，離子沉淀（離子鍍）離子濺射注入加工變形加工熱表面流動(dòng)粘滯性流動(dòng)摩擦流動(dòng)熱流動(dòng)加工（高頻電流、熱射流、電子束、激光）液體、氣體流動(dòng)加工（壓鑄、擠壓、噴射、澆鑄）微粒子流動(dòng)加工2022/10/1181.1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵精密2022/10/159分類加工方法可加工材料應(yīng)用切削加工等離子體切削微細(xì)切削微細(xì)鉆削各種材料有色金屬及其合金低碳鋼、銅、鋁熔斷鉬、鎢等高熔點(diǎn)材料，硬質(zhì)合金球，磁盤，反射鏡，多面棱鏡油泵油嘴，化學(xué)噴絲頭，印刷電路板磨料加工微細(xì)磨削研磨拋光彈性發(fā)射加工噴射加工黑色金屬、硬脆材料金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、半導(dǎo)體、玻璃金屬、非金屬金屬、玻璃、水晶集成電路基片的外圓、平面磨削平面、空、外圓加工，硅片基片平面、空、外圓加工，硅片基片硅片基片刻槽，切斷，圖案成形，破碎特種加工電火花成形加工電火花切割加工電解加工超聲波加工微波加工電子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工導(dǎo)電金屬，非金屬導(dǎo)電金屬金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬絕緣金屬，半導(dǎo)體各種材料各種材料各種材料金屬，非金屬，半導(dǎo)體孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔切斷，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蝕打孔，切斷，劃線劃線，圖形成形復(fù)合加工電解磨削電解拋光化學(xué)拋光各種材料金屬，半導(dǎo)體金屬，半導(dǎo)體刃磨，成形，平面，內(nèi)圓平面，外圓，型面，細(xì)金屬絲，槽平面精密和超精密加工方法分類（2）

2022/10/119分類加工方法可加工材2022/10/1510工具等加工裝置材料用途、零件等鏡面切削

金剛石刀具刃口鋒利化利用CBN(立方氮化硼)刀具切削鋼金剛石刀具的結(jié)晶方位選擇金剛石刀具刃口評(píng)價(jià)，改進(jìn)型SEM（電子掃描鏡）

采用空氣軸承、流體軸承及空氣道軌等的高精度化高剛度化冷卻、空調(diào)、防振采用高速運(yùn)算裝置控制高剛度化的新方案：Tetraform結(jié)構(gòu)球殼結(jié)構(gòu)（立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問(wèn)世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術(shù)產(chǎn)品。它具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，它的硬度僅次于金鋼石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金鋼石，對(duì)鐵系金屬元素有較大的化學(xué)穩(wěn)定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量。

立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業(yè)生產(chǎn)的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。它具有優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬的化學(xué)惰性，用以制造的磨具，適于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、冷硬鑄鐵等。）Al、Cu、塑料等軟質(zhì)材料無(wú)電解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盤基板各種模具各種發(fā)射鏡紅外用光學(xué)元件激光核聚變用光學(xué)元件X射線天體望遠(yuǎn)鏡用元件鏡面磨削

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪添加Mo2S2、WS2、C等鑄鐵基金剛石砂輪采用電解腐蝕修整鐵氧體精細(xì)陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁頭紅外用光學(xué)元件非球面玻璃透鏡各種模具鏡面研磨

瀝青拋光盤、石蠟拋光盤、合成樹(shù)脂拋光盤微細(xì)磨料、軟質(zhì)磨料、易微細(xì)化的磨料軟質(zhì)工具的采用：氟化樹(shù)脂發(fā)泡體拋光盤、一體工具－EEM（彈性發(fā)射加工）及浮動(dòng)拋光

基于理論分析的平面研磨機(jī)大口徑光學(xué)元件用研磨機(jī)液中研磨機(jī)、EEM裝置、浮法拋光裝置、P－MAC拋光裝置

NC化CAM化水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精細(xì)陶瓷CVDSiC膜玻璃壓電濾波器基片SAW元件基片半導(dǎo)體基片各種模具SOR用X射線光學(xué)元件激光核聚變用各種光學(xué)元件投影透鏡精密切削、磨削、研磨實(shí)例2022/10/1110工具等加工裝置材料用途、零件等鏡面切2022/10/15111.2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用超精密加工是國(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。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(guó)尚處于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；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(wèn)題。2022/10/11111.2精密和超精密加工技術(shù)的地位與2022/10/15122022/10/11122022/10/15131.2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用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

作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)，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(shuō)，當(dāng)前，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。美國(guó)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)。

2022/10/11131.2精密和超精密加工技術(shù)的地位與2022/10/15142022/10/11142022/10/15151.3精密和超精密加工的需求國(guó)防工業(yè)上的需求

超精密加工技術(shù)與國(guó)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(duì)稱軸0.0005μm，則會(huì)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0.01μm，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(cè)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(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1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。2022/10/11151.3精密和超精密加工的需求國(guó)防2022/10/15162022/10/11162022/10/1517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2022/10/1117服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡獅子座螺旋星系宇宙深2022/10/15181.3精密和超精密加工的需求信息產(chǎn)品中的需求

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(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)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。2022/10/11181.3精密和超精密加工的需求信息2022/10/15191.3精密和超精密加工的需求民用產(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(lái)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。2022/10/11191.3精密和超精密加工的需求民用2022/10/15201.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀(1)美國(guó)是開(kāi)展研究最早的國(guó)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(guó)家。(3)我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)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。2022/10/11201.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)2022/10/15211.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

加工機(jī)理

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。

2022/10/11211.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15221.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

被加工材料

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(wú)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(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)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10-5～10-6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)濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無(wú)方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。

2022/10/11221.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15231.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件

(1)高精度。(2)高剛度。(3)高穩(wěn)定性。(4)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)、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、輔具等也要求有相應(yīng)的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。2022/10/11231.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15241.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

加工工具

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(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2～4nm，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(wèn)題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹(shù)脂、銅、纖維鑄鐵等。2022/10/11241.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15251.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

檢測(cè)與誤差補(bǔ)償

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。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，可用X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。

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；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，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補(bǔ)償是根據(jù)事先測(cè)出的誤差值，在加工時(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。

2022/10/11251.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15261.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影響精密和超精密加工的因素

工作環(huán)境

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(jí)，100級(jí)是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過(guò)100個(gè)，依此類推。

2022/10/11261.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)影2022/10/15271.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)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。2022/10/11271.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)技2022/10/15281.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要研究?jī)?nèi)容(1)超精密加工的加工機(jī)理?！斑M(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(duì)各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過(guò)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(jí)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。2022/10/11281.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主2022/10/1529OAGM2500[三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床]LODTM[LargeOpticsDiamondTurningMachine]2022/10/1129OAGM2500[三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床2022/10/1530德國(guó)海德漢公司制造光柵尺地下車間示意圖2022/10/1130德國(guó)海德漢公司制造光柵尺2022/10/15311.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要研究?jī)?nèi)容(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)研究。

(4)精密測(cè)量技術(shù)及誤差補(bǔ)償技術(shù)。納米級(jí)基準(zhǔn)與傳遞系統(tǒng)建立；納米級(jí)測(cè)量?jī)x器研究；空間誤差補(bǔ)償技術(shù)研究；測(cè)量集成技術(shù)研究。

(5)超精密加工工作環(huán)境條件。超精密測(cè)量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究。

2022/10/11311.4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主2022/10/1532IBM成功用12個(gè)原子存儲(chǔ)信息

目前的硬盤容量已經(jīng)達(dá)到海量般的4TB，但要存儲(chǔ)單獨(dú)一個(gè)比特(bit)，也得大約100萬(wàn)個(gè)原子才行，而來(lái)自IBM的科學(xué)家們?cè)陂L(zhǎng)達(dá)30年納米研究的基礎(chǔ)上，成功利用僅僅12個(gè)磁性原子就實(shí)現(xiàn)了信息的存儲(chǔ)。硅晶體管如今是越來(lái)越密集、高效、便宜，但是最基礎(chǔ)的物理局限使得這條路不可能一直走下去，要想繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算能力的快速提升，早晚得另尋他法。

從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單元原子著手，IBM發(fā)現(xiàn)磁性存儲(chǔ)的密度至少可以達(dá)到機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤的100倍，未來(lái)的納米技術(shù)還可以操縱單個(gè)原子，形成所