先進(jìn)制造技術(shù)3211

先進(jìn)制造技術(shù)東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所劉永賢

第三章先進(jìn)制造工藝技術(shù)（切削部分）3．7超高速加工技術(shù)3．7．1概述

3．7.1．1超高速加工技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位提高切削、磨削加工效率一直是切削、磨削領(lǐng)域所十分關(guān)注并為之不懈奮斗的重要目標(biāo)。超高速切削和磨削加工就是近年來發(fā)展起來的一種集高效、優(yōu)質(zhì)和低耗于一身的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。

超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的制造設(shè)備，以極大地提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。它是提高切削和磨削效果以及提高加工質(zhì)量、加工精度和降低加工成本的重要手段。

顯著標(biāo)志是使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨具磨損、加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo)，而加工效率則大大高于傳統(tǒng)切削速度下的加工效率。

德國切削物理學(xué)家Salomo于1931年提出的著名切削理論認(rèn)為：一定的工件材料對應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度，在該切削速度下其切削溫度最高。如下圖所示，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)（圖中A區(qū)）切削溫度隨著切削速度的增大而提高，當(dāng)切削速度達(dá)到臨界切削速度后，隨著切削速度的增大切削溫度反而下降。Salomn的切削理論給人們一個(gè)重要的啟示：如果切削速度能超越切削“死谷”（圖中B區(qū)）在超高速區(qū)內(nèi)（圖3－30中C區(qū)）進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削，從而可大大地減少切削工時(shí)，成倍地提高機(jī)床的的生產(chǎn)率。

超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同切削方式而異，目前尚無確切的定義。一般認(rèn)為，超高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋁合金已達(dá)到

2000～7500m／min；鑄鐵為900～5000m／min；鋼為600～3000m／min；超耐熱鎳合金達(dá)500m／min；鈦合金達(dá)150～1000m／min；纖維增強(qiáng)塑料為2000～9000m／min。各種制造加工工序的切削速度范圍為：車削為700～7000m／min；銑削為300～6000m／min；鉆削為200～1100m／min；磨削為150m／s(相當(dāng)于9000m/min）以上。

高速加工有如下切削特征。

(1）切削力低由于加工速度高，使剪切變形區(qū)變窄，剪切角增大，變形系數(shù)減小，切屑流出速度加快，從而可使切削變形減小，切削力比常規(guī)切削降低30％--90%，刀具耐用度可提高70％，特別適合于加工薄壁類剛性較差的工件。

（2）熱變形小切削時(shí)工件溫度的上升不會超過30C，90%以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，特別適合于加工細(xì)長易熱變形的零件和薄壁零件。

（3）材料切除率高在高速切削時(shí)其進(jìn)給速度可隨切削速度的提高相應(yīng)提高50－10倍。這樣，在單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率可提高3－5倍，適用于材料切除率要求大的場合，如汽車、模具和航天航空等制造領(lǐng)域。

（4）高精度由于高切速高進(jìn)給率，使機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床一工件一刀具系統(tǒng)的固有頻率，使加工過程平穩(wěn)、振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工，非常適合于光學(xué)領(lǐng)域的加工。

（5）減少工序許多零件在常規(guī)加工時(shí)需要分粗加工、半精加工、精加工工序，有時(shí)機(jī)加工后還需進(jìn)行費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的手工研磨，而使用高速切削可使工件加工集中在一道工序中完成。這種粗精加工同時(shí)完成的綜合加工技術(shù)，叫做“一次過”技術(shù)（onepassmaching）。

3．7．1．2超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀近30年來，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家不斷努力地把高速和超高速加工技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在超高速切削技術(shù)發(fā)展方面，1976年美國的Vought公司首次推出一臺有級超高速銑床，采用了Bryant內(nèi)裝式電機(jī)主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000rpm，功率為15kw。美國宇航局和飛機(jī)制造業(yè)支持了從1977年開始的為期4年的研究項(xiàng)目，以研究用于加工輕型合金材料的超高速銑削技術(shù)。此后，法國、聯(lián)邦德國的主要機(jī)床制造廠家紛紛推出了超高速機(jī)床和機(jī)床主要部件，初步形成了專業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。瑞土、英國、日本也相繼推出了自己的超高速機(jī)床。超高速加工機(jī)床涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了其相關(guān)技術(shù)及關(guān)鍵部件如主軸部件、送給系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制裝置、輔助附件以及切削磨削工具等專業(yè)化生產(chǎn)，從而帶動(dòng)一大批相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。如在第12屆歐洲國際機(jī)床展覽會（EMO’97）上，展出高速超高速電主軸功能部件有36家廠商，滾珠絲杠副有23家廠商，直線導(dǎo)軌副有33家廠商。自80年代中后期以來，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。我國在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，主軸工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)速尚未突破10000r／min，快速送給速度在30m／min以下。超高速加工技術(shù)從發(fā)展趨勢來看，到21世紀(jì)初可實(shí)現(xiàn)超高速加工的材料將覆蓋大多數(shù)工程材料，可加工各種表面形狀的零件，可由毛坯一次加工成成品，并實(shí)現(xiàn)精密甚至超精密加工。超高速磨削可實(shí)現(xiàn)小的磨粒切深，使陶瓷等硬脆材料不再以脆性斷裂形式、而是以塑性變形形式產(chǎn)生切屑，使磨削表面質(zhì)量提高，對鎳合金、鈦合金等難加工材料加工也會在高應(yīng)變率響應(yīng)的作用下而改善其切削加工性能，從而得到高的加工質(zhì)量。超高速加工是現(xiàn)代制造業(yè)的必由之路，將對21世紀(jì)的制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。3．7.1．3超高速加工技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢隨著超高速切削機(jī)理、大功率超高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、超硬耐磨長壽命刀具材料及結(jié)構(gòu)、切削處理和冷卻系統(tǒng)、安全裝置以及高性能CNC控制系統(tǒng)和測試技術(shù)等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，已為超高速切削技術(shù)推廣和應(yīng)用提供了基本條件。近年來，高速、超高速加工的實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究取得了顯著成果。在國外許多著名公司的加工中心上，如美國Cincinnati、Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司。標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速配置可達(dá)到8000～10000rpm，可選的20000rpm以下的主軸單元已處于商品化階段。采用滾珠絲杠的進(jìn)給系統(tǒng)，快速進(jìn)給速度可以達(dá)到40～60m／min，加速度達(dá)到1g（g為重力加速度），工作進(jìn)給可達(dá)到30m／min以上，定位精度達(dá)到20～25m。采用直線電機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，快速進(jìn)給可以達(dá)到160m／min，進(jìn)給加速度達(dá)到25g以上，定位精度高達(dá)0．5～0.05m甚至更高。這些加工中心的刀具到刀具的換刀時(shí)間最快小于1s切削到切削的換刀時(shí)間小于2.4s，托盤交換時(shí)間小于10s。超高速切削目前主要用于以下幾個(gè)領(lǐng)域：

（1）大批生產(chǎn)領(lǐng)域如汽車工業(yè)，如美國福特（Ford）汽車公司與Ingersoll公司合作研制的HVM800臥式加工中心及援汽缸用的單軸鏡缸機(jī)床已實(shí)際用于福特公司的生產(chǎn)線。

（2）工件本身剛度不足的加工領(lǐng)域，如航空航天工業(yè)產(chǎn)品或其他某些產(chǎn)品，如Ingersoll公司采用超高速切削工藝所銑削的工件最薄壁厚度僅為lmm。

(3）加工復(fù)雜曲面領(lǐng)域，如模具工具制造。

（4）難加工材料領(lǐng)域，如Ingersoll公司的“高速模塊”所用切削速度為：加工航空航天鋁合金2438m／min，汽車鋁合金1829m／min，鑄鐵1219m／min，這均比常規(guī)切速高出幾倍到幾十倍。

（5）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域，日本的FANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制了一種超精密銑床，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)55000rpm，可用切削方法實(shí)現(xiàn)自由曲面的微細(xì)加工，據(jù)稱，其生產(chǎn)率和相對精度均為目前光刻技術(shù)領(lǐng)域中的微細(xì)加工所不及。超高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)符合加工中心或柔性制造技術(shù)的發(fā)展方向即高效高速化、實(shí)用廉價(jià)化、多功能（復(fù)合化），最主要是高效高速化方向。

綜上所述，超高速加工技術(shù)的發(fā)展前沿是采用現(xiàn)代超硬材料（金剛石CBN）作工具，運(yùn)用現(xiàn)代超高速切削磨削技術(shù)以及現(xiàn)代高柔性高自動(dòng)化設(shè)備,開展超高速加工技術(shù)的研究加速實(shí)用化進(jìn)程。

實(shí)現(xiàn)超高速加工技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)主要有：超高速切削、磨削機(jī)理，超高速主軸單元制造技術(shù)，超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)，超高速加工用刀具、磨具，超高速機(jī)床交承及輔助單元制造技術(shù)，以及超高速加工測試技術(shù)等。3．7．2超高速切削、磨削機(jī)理超高速切削和磨削機(jī)理研究主要指對超高速加工條件下切削磨削過程以及產(chǎn)生的各種切削磨削現(xiàn)象的理論研究，其是超高速加工技術(shù)中的最基本的技術(shù)支撐。

其涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：超高速切削磨削的加工過程研究；超高速切削加工現(xiàn)象及切削工藝參數(shù)優(yōu)化的研究；各種材料的超高速切削機(jī)理研究；超高速磨削技術(shù)中各種磨削現(xiàn)象及各種材料磨削的機(jī)理研究，超高速磨削（切削）的虛擬實(shí)際的磨削技術(shù)的開發(fā)研究；以及超高速磨削加工智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)等。

超高速加工技術(shù)的理論研究超高速加工技術(shù)的理論研究可追溯到20世紀(jì)30年代，即1931年4月德國切削物理學(xué)家薩洛蒙發(fā)表的著名的超高速切削理論，即人們常提及的“薩洛蒙曲線”，超高速切削概念可用圖示意。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)（見圖3．40A區(qū)），切削溫度隨切削速度的增大而提高，但是，當(dāng)切削速度增大到某一數(shù)值人之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低；V。之值與工件材料的種類有關(guān)，對每種工件材料，存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)速度范圍內(nèi)（見圖3．40B區(qū)），由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進(jìn)行，這個(gè)范圍被稱之為“死谷”（deadvally），由于受當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，這一理論未能嚴(yán)格區(qū)分切削溫度和工件溫度的界限，但是，他的思想給后來的研究者一個(gè)非常重要的啟示：如能越過這個(gè)“死谷”而在超高速區(qū)（3．40中的C區(qū)）進(jìn)行工作，則有可能用現(xiàn)有刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度地減少切削工時(shí)，成功地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。然而后繼的許多研究者和超高速切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果都對這種“死谷”假設(shè)提出了質(zhì)疑現(xiàn)在大多數(shù)研究者認(rèn)為：在超高速切削鑄鐵、鋼及難加工材料時(shí)，即使在很高切削速度范圍內(nèi)也不存在這樣的“死谷”，刀具耐用度總是隨切削速度的增加而降低的；而在硬質(zhì)合金刀具高速銑削鋼材時(shí)，盡管隨切削速度V的提高，切削溫度隨之升高，刀具磨損逐漸加劇，刀具耐用度T繼續(xù)下降，且T-v規(guī)律仍遵循Taylor方程，但在較高的切削速度段，Taylor方程中的m值大于較低速度段的m值，這意味著在較高速度段刀具耐用度T隨v提高而下降的速率逐級，這一結(jié)論對于超高速切削技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是十分有意義的。

超高速切削切屑形成試驗(yàn)研究表明，按照被加工材料的類型和工藝條件，對切削力和切屑變形的影響是不同的，存在著連續(xù)切屑和斷續(xù)切屑兩種類型，在超高速切削高導(dǎo)熱性、低硬度合金或金屬（如鋁合金、軟低碳鋼等）時(shí)易形成連續(xù)切屑，而在超高速切削低導(dǎo)熱性、密排六方多晶體結(jié)構(gòu)、高硬度材料（如鈦合金、超耐熱鎳合金、高硬度合金鋼）時(shí)易形成斷續(xù)切屑。美國于20世紀(jì)70年代前后用爆炸射擊法實(shí)現(xiàn)的1200m／s的超高速切削試驗(yàn)表明：在超高速切削條件下切屑的形成過程和普通切削時(shí)不同，隨著V的提高，塑性材料的切屑形態(tài)將從帶狀、片狀到碎屑不斷演變，單位切削力初期呈上升趨勢，爾后急劇下降，塑性變形區(qū)變淺，殘余應(yīng)力及硬度變化減小。

一系列超高速切削實(shí)驗(yàn)表明，在通過提高切削速度來降低機(jī)加工時(shí)間同時(shí)還具有一系列優(yōu)點(diǎn)如：單位時(shí)間材料切除量大大提高；切削力可降低30％左右，基于此可利用超高速切削來加工薄壁類零件；超高速切削特別適合那些對溫度十分敏感的零件的加工；由于機(jī)床結(jié)構(gòu)改善和超高速切削激振頻率提高，使激報(bào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)離機(jī)床固有頻率，有利于加工表面質(zhì)量提高。刀具耐用度提高70％左右，加工成本降低。但是超高速切削加工一些難加工材料時(shí)（如超耐熱不銹鋼，鋁合金等），切削速度的提高會受到刀具急劇磨損的限制。超高速磨削時(shí)，在很短暫的磨屑形成時(shí)間內(nèi)完成的切屑的高應(yīng)變率（可近似認(rèn)為等于磨削速度）形成過程將有些不同于普通磨削的表現(xiàn)，會使工件表面塑性變形層變淺，磨削溝痕兩側(cè)因塑性流動(dòng)而形成的隆起高度變小，使磨屑形成中的耕犁和滑擦距離變小，以及使工件表層硬化及殘余應(yīng)力傾向減?。惶貏e是超高速磨削時(shí)磨粒在磨削區(qū)上的移動(dòng)速度快了幾倍，工件進(jìn)給速度也大大加快，加上應(yīng)變率響應(yīng)的溫度滯后，會使工件表面磨削溫度有所降低，能越過容易發(fā)生熱損傷的區(qū)域，而極大地?cái)U(kuò)展了磨削工藝參數(shù)的應(yīng)用范圍。國內(nèi)在超高速切削和磨削機(jī)理方面因?qū)嶒?yàn)工作條件限制，所進(jìn)行工作不多，開展機(jī)理研究的單位也較少。東北大學(xué)自1992年開始進(jìn)行了目標(biāo)為250m／s的超高速磨削裝置研制和超高速磨削理論研究，并受到國家自然科學(xué)基金資助，目前更多的是進(jìn)行超高速磨削的計(jì)算機(jī)模擬仿真、難加工材料超高速磨削的計(jì)算機(jī)模擬砂輪基體形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)及超高速磨削冷卻液供液過濾系統(tǒng)的研究。湖南大學(xué)于80年代前后進(jìn)行過80m／s、120m／s、180m／s的高速磨削工藝試驗(yàn)研究，1994年研制生產(chǎn)了國內(nèi)第一臺用于高速高效低粗糙度磨削的高速高效外圓磨床。近期，湖南大學(xué)與鄭州三磨所正合作進(jìn)行“CBN高速高效數(shù)控磨削技術(shù)與裝備研制”，其中砂輪速度vs＞l00m／s。

在超高速切削和磨削機(jī)理研究方面，特別需要進(jìn)行的研究工作是：以超高速切削與磨削的工業(yè)實(shí)用化為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)加工機(jī)理的研究，通過對各種材料的超高速切削磨削加工機(jī)理、各種新型刀具磨具的超高速加工性能以及超高速切削磨削工藝參數(shù)優(yōu)化的系統(tǒng)性研究，將試驗(yàn)研究與計(jì)算機(jī)仿真方法相結(jié)合，最終建立完善的基礎(chǔ)理論體系和加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。另一主要研究工作是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)超高速切削磨削的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、視覺及預(yù)測仿真軟件，以揭示超高速切削磨削的內(nèi)在規(guī)律。3．7．3超高速主軸單元制造技術(shù)超高速加工技術(shù)的一個(gè)最根本最核心的特點(diǎn)和技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)超高速的切削速度或砂輪線速度，因此超高速主軸單元是超高速加工機(jī)床最關(guān)鍵部件。超高速主軸單元包括主軸動(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架四個(gè)主要部分，這四個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)。其性能決定了超高速加工的超高速化、高精度、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。超高速主軸單元制造技術(shù)所涉及關(guān)鍵技術(shù)有：超高速主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)，超高速主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)特性研究，柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)的研究，超高速主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)研究，以及超高速主軸系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究等。從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，主軸單元形成獨(dú)立的單元而成為功能部件以方便地配置到多種加工工藝、加工中心及超高速磨床上，而且越來越多地采用電主軸類型。主軸支撐、軸承選擇及軸承設(shè)計(jì)制造是超高速主軸單元技術(shù)中的關(guān)鍵。超高速大功率主軸單元的基本方案是采用集成內(nèi)裝式電主軸，主軸支撐考慮功能和經(jīng)濟(jì)性的要求，采用陶瓷混合球軸承或油基動(dòng)靜壓軸承是較好的可選方案，對于超高速的磁懸浮軸承是各制造商和研究機(jī)構(gòu)更為重視的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。小功率的超高速主軸單元可以采用高精度的滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)靜壓軸承或氣浮動(dòng)靜壓軸承。低速主軸軸承設(shè)計(jì)時(shí)主要設(shè)計(jì)參數(shù)是工作載荷，而高速主軸軸承的主要設(shè)計(jì)參數(shù)則是轉(zhuǎn)速，描述轉(zhuǎn)速的特征值用K=n·dm（n為每分鐘轉(zhuǎn)速，dm為軸承平均直徑）表示。國外高速主軸單元的發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速已普遍達(dá)到10000r／min甚至更高。美國福特汽車公司推出的HVM800臥式加工中心主軸單元采用液體動(dòng)靜壓軸承最高轉(zhuǎn)速為15000r／min，日本東北大學(xué)莊司研究室開發(fā)的CNC超高速平面磨床，使用陶瓷球軸承，主軸轉(zhuǎn)速為3000r／min，日本東芝機(jī)械公司在ASV40加工中心上，采用了改進(jìn)的氣浮軸承，在大功率下實(shí)現(xiàn)30000r／min主軸轉(zhuǎn)速，德國KAPP公司采用的磁懸浮軸承砂輪主軸，轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r／min，德國的GMN公司的磁浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)速最高達(dá)100000r／min以上。

超高速主軸單元制造技術(shù)的發(fā)展前沿主要涉及以下幾個(gè)方面：柔性主軸的設(shè)計(jì)技術(shù)，使得主軸可在系統(tǒng)的二階或三階固有頻率以上穩(wěn)定地工作；柔性主軸支撐技術(shù)，減小主軸系統(tǒng)向機(jī)架傳遞的動(dòng)載荷和控制主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性；主軸軸承的開發(fā)研究；主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)；新的主軸系統(tǒng)潤滑與冷卻技術(shù)的研究。根據(jù)我國實(shí)際情況，應(yīng)發(fā)展轉(zhuǎn)速在每分鐘萬轉(zhuǎn)以上且可調(diào)、中等功率以上的由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主軸單元系統(tǒng)，重點(diǎn)發(fā)展車削、銑削和磨削及加工中心的超高速這種單元能自身形成一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能良好的系統(tǒng)，可以方便地組合到多種加工工藝過程中。3．7．4超高速加工送給單元制造技術(shù)超高速加工送給單元是超高速加工機(jī)床的重要組成部分，是評價(jià)超高速機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持超高速加工中刀具磨具正常工作的必要條件。

超高速加工要求進(jìn)給系統(tǒng)能達(dá)到很高的速度，而且由于要求在瞬時(shí)達(dá)到高速、瞬時(shí)準(zhǔn)停等，所以還要求具有大的加減速度以及高的定位精度。

超高速進(jìn)給單元技術(shù)范圍包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、滾動(dòng)元件技術(shù)、監(jiān)測單元技術(shù)和其他周邊技術(shù)如防塵、防屑、降噪聲、冷卻潤滑及安全技術(shù)。具體所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：高速位置環(huán)芯片的研制，高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究，直線伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究，加減速控制技術(shù)的研究，超高速送給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，高速精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程滾珠絲杠副的研制，高精度導(dǎo)軌、新型導(dǎo)軌摩擦副的研究，以及新型導(dǎo)軌防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)與加工工藝研究等。

超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)發(fā)展趨勢及特點(diǎn)可歸納為以下幾個(gè)方面：（1）從80年代中期，快速移動(dòng)速度己由8～12m／min提高到現(xiàn)在的30～50m／min，18～20m／min正在普及，某些加工中心已達(dá)到60m／min，采用直線伺服電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)已成為當(dāng)前超高速加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。（2）在送給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用了新方法、新理論。（3）采用新結(jié)構(gòu)、新工藝。由交流伺服電機(jī)代替直流伺服電機(jī)，或者采用直線伺服電機(jī)；液體靜壓絲杠代替滾珠絲杠；滾柱絲杠副代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾珠絲杠副；采用靜壓導(dǎo)軌；主軸系統(tǒng)單元，采用新的制造工藝；簡化進(jìn)給系統(tǒng)，提高快速移動(dòng)速度和定位精度（4）數(shù)字交流伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)將向高精度、更高的轉(zhuǎn)速發(fā)展。（5）帶動(dòng)一些相關(guān)技術(shù)如機(jī)床移動(dòng)部件防護(hù)罩也將產(chǎn)生新的適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，潤滑方式也將有所突破。（6）高精度加工的交流伺服系統(tǒng)、高分辨率及高響應(yīng)速度的位置檢測器和用于降低加工形狀誤差的插補(bǔ)前加減速控制方法得到研究和開發(fā)。依據(jù)國內(nèi)外比較分析，近期我國用于中等規(guī)格的加工中。動(dòng)的高速進(jìn)給單元的相關(guān)指標(biāo)是：快速送給速度為40～60m／min，切削進(jìn)給速度為0．001～10m／min，定位精度上0．002mm。3.7.5超高速加工用刀具、磨具超高速加工用刀具、磨具主要指超高速銑8擁刀具和超高速磨削用砂輪。

超高速加工用刀具磨具單元技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：超高速加工用刀具材料及制備技術(shù)，超高速加工用刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的研究，超高速磨削砂輪的超硬磨料、結(jié)合劑、基體的開發(fā)研究，超高速磨削用超硬磨具制備技術(shù)，超硬磨料超高速砂輪應(yīng)用技術(shù)，以及硬脆材料及難加工材料的超硬磨料磨具的超高速磨削實(shí)用化技術(shù)等。在影響金屬切削發(fā)展的諸因素中，刀具材料及刀具（磨具）制造技術(shù)起著決定的作用。

超硬刀具和磨具是超高速加工技術(shù)最主要的刀具材料，主要有聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）。目前，超高速加工用刀具切削刃（如超高速銑刀的切削刃）一般選用以下刀具材料：超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、氮化硅（Si3N4）陶瓷材料、混和陶瓷和碳（氮）化鈦基硬質(zhì)合金以及采用氣相沉淀法的超硬材料涂層刀具等。

為了使刀具具有足夠的使用壽命和低的切削力，刀具的幾何角度必須選擇最佳數(shù)值，如超高速切削鋁合金時(shí)，刀具最佳前角數(shù)值為12o～15o，后角數(shù)值13o～15o：超高速切削鋼材時(shí)，對應(yīng)的是0o～5o、12o～16o；鑄鐵對應(yīng)的是0o、12o；銅合金是8o、16o；超高速切削纖維強(qiáng)化復(fù)合材料時(shí)，最佳前角數(shù)值為20o，后角為15o～20o。超高速切削刀具的切削部分應(yīng)短一些，以提高刀具的剛性和減小刀刃破損的概率。超高速切削條件下刀具與機(jī)床的聯(lián)接界面結(jié)構(gòu)裝夾要牢靠、工具系統(tǒng)應(yīng)有足夠整體剛性，同時(shí)，裝夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有利于迅速換刀并有最廣泛的互換性和較高的重復(fù)精度。

超高速磨削用砂輪的磨具材料主要有立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD），結(jié)合劑主要有陶瓷結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑。90年代，陶瓷或樹脂結(jié)合劑A12O3、SiC或CBN磨料砂輪，線速度可達(dá)125m／s，極硬的CBN或金剛石砂輪的使用速度可達(dá)150m／s，而單層電鍍CBN砂輪的線速度可達(dá)250m／s左右。為了充分發(fā)揮單層超硬磨料砂輪的優(yōu)勢，國外在80年代中后期開始以高溫釬焊替代電鍍開發(fā)了一種具有更新?lián)Q代意義的新型砂輪——單層高溫針焊超硬磨料砂輪。高溫釬焊砂輪研制開發(fā)的著眼點(diǎn)在于期望藉釬焊所可能提供的界面上的化學(xué)冶金結(jié)合從根本上改善磨料、結(jié)合劑（釬焊合金材料）、基體三者間的結(jié)合強(qiáng)度。

釬焊砂輪由于結(jié)合強(qiáng)度高使其砂輪壽命高，極高的結(jié)合強(qiáng)度也意味著砂輪工作線速度可達(dá)到300m／s至500m/s以上；又由于砂輪鋒利、容屑空間大，不易堵塞，因此在與電鍍砂輪相同的加工條件下，磨削力、功率消耗、磨削溫度會更低，甚至可接近實(shí)現(xiàn)冷態(tài)切削。超高速磨削用砂輪的修整主要采用電鍍杯形金剛石修整器，同時(shí)對個(gè)別磨粒高點(diǎn)進(jìn)行微米級修整。單層砂輪基體材料及形狀必須依據(jù)機(jī)床性能、使用要求、加工對象等進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。我國盡管已有一些高校和科研部門在超高速加工刀具、磨具材料及制造技術(shù)方面進(jìn)行了一定的研究，但相比較國外先進(jìn)水平，顯得規(guī)模小、離實(shí)用化還存在相當(dāng)大距離。我國應(yīng)當(dāng)開發(fā)各種超高速加工用刀具材料，切削速度指標(biāo)達(dá)到發(fā)達(dá)國家90年代末水平；工業(yè)實(shí)用速度為100～150m／s的磨料磨具得到推廣，研制開發(fā)出工業(yè)應(yīng)用速度150m／s以上的超硬磨料磨具。3．7．6超高速加工機(jī)床支承及輔助單元制造技術(shù)

超高速加工機(jī)床的支承及輔助單元制造技術(shù)是指超高速加工機(jī)床的支承構(gòu)件如床身、立柱、箱體、工作臺、底座、拖板、刀架等制造技術(shù)以及有關(guān)超高速加工的輔助單元制造技術(shù)，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：新型材料及結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，快速刀具磨具自動(dòng)交換和快速工件裝夾自動(dòng)交換技術(shù)，切削磨削液及其供液過濾系統(tǒng)的研究，超高速主軸和刀具磨具總成后的動(dòng)平衡技術(shù)，安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)制造技術(shù)以及超高速加工中干切削干磨削加工技術(shù)的研究等。這些技術(shù)對評定超高速加工技術(shù)的高速高效、高精度、高自動(dòng)化、高安全性等特點(diǎn)具有重大的影響和作用。

超高速加工機(jī)床要有“三剛”，即靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度特性都極好的機(jī)床支承構(gòu)件，近年來出現(xiàn)的聚合物混凝土材料（人造花崗巖）是以石英巖等礦物的顆粒作填料，用熱固性樹脂的粘結(jié)劑，通過聚合反應(yīng)成型，制成高速或超高速加工機(jī)床的床身和立柱。美國EdgetekMachine公司生產(chǎn)的小型3軸、4軸及5軸CNC經(jīng)濟(jì)型高效深磨磨床，其床身及立柱結(jié)構(gòu)采用封有花崗巖的鋼基體以提高剛性，減少振動(dòng)，利用成形CBN砂輪對淬硬鋼實(shí)現(xiàn)了高效磨削，表面質(zhì)量可與普通磨削相比。Ingersoll公司推出的HVM800臥式加工中心的床身采用鋼板焊接件，其內(nèi)腔充滿阻尼材料。超高速加工機(jī)床中，為減少直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量與慣量（移動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量），對于相同剛度而言，必須采用輕質(zhì)材料來制造運(yùn)動(dòng)零件，如鈦合金、鋁合金或纖維強(qiáng)化復(fù)合材料，大力發(fā)展“輕質(zhì)材料”。也可在聯(lián)結(jié)機(jī)床部件時(shí)減少質(zhì)量慣性。

刀柄是超高速加工機(jī)床（加工中心）的重要配套件，德國阿享工業(yè)大學(xué)和40余家機(jī)床廠家、刀具廠商和用戶共同開發(fā)了HSK刀柄，于1992年列入德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN69893，這種刀柄以錐度1：10代替?zhèn)鹘y(tǒng)的7：24，楔作用較強(qiáng)，用雄面再加上法蘭端面的雙定位，轉(zhuǎn)速高時(shí)，錐體向外擴(kuò)張，增加了壓緊力，刀桶中空且連接雄面長度短，刀柄重量減輕，因此適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)、剛性高、轉(zhuǎn)速扭距大、重復(fù)精度好，由于質(zhì)量輕和連接錐面短以縮短了換刀時(shí)間。冷卻液使用是超高速加工的重要部分,在超高速切削加工中，一般在刀具系統(tǒng)開設(shè)一個(gè)直接供給冷卻液的通路，并主要采用主軸中心供液的方式。IngCrsoll公司為了及時(shí)冷卻并清除過熱的切屑，從超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸孔向?qū)Ρ鷩娚淅鋮s液，壓力達(dá)5．5～69MPa，流量為37．85L／min。對于超高速磨床，需要使用達(dá)7MPa高的供液壓力和大的流量，并選擇合適的超高速磨削液供液方法。由于從噴嘴噴注到砂輪上的磨削液，會在強(qiáng)大離心力作用下形成嚴(yán)重的油霧，所以超高速加工機(jī)床要把切削磨削工作區(qū)封閉起來并要及時(shí)抽出油霧，然后利用離心和靜電方法進(jìn)行油氣分離。超高速切削磨削加工中，為了從源頭就消除冷卻潤滑液帶來的一系列環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，德、美、日等國已開始對不用任何切削液的干切削加工進(jìn)行研究并在生產(chǎn)中應(yīng)用，汽車行業(yè)中，鋁的高效干切削加工方面已有了一定進(jìn)展，BigThree公司安裝了8臺高速（1500rimin）金剛石于切削加工系統(tǒng)，用以加工變速箱上的鋁通道盤，加工精度為0．05mm，每小時(shí)加1600件。超高速磨削中，以實(shí)現(xiàn)無磨削液為目標(biāo)，國外日本已開發(fā)了一種采用低溫壓縮空氣冷卻法的杜絕污染的磨削新技術(shù)，其應(yīng)用可便污染及有損操作者健康的磨削變成環(huán)境清潔、安全舒適的操作。超高速加工中，高的金屬切除率、高速時(shí)流出的切屑和磨屑以及高壓噴灑的冷卻潤滑液需要一個(gè)足夠大的密封工作室。防護(hù)裝置必須有靈活控制系統(tǒng)。此外，從安全角度看，超高速加工刀具和砂輪裝夾方式有特殊要求，如超高速銑刀要有十分可靠的刀體結(jié)構(gòu)和刀片結(jié)構(gòu)，刀體與刀片之間的聯(lián)結(jié)配合要封閉，刀片夾緊機(jī)構(gòu)要有足夠夾緊力，而對于砂輪，采用砂輪軸與砂輪法蘭一體化方式。

超高速主軸和刀具磨具總成后的動(dòng)平衡技術(shù)也是一項(xiàng)重要的輔助單元技術(shù)。其目的就是消除因刀具磨具高速回轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)態(tài)不平衡所引起的工藝系統(tǒng)振動(dòng)對機(jī)床主軸和軸承使用壽命以及工件加工質(zhì)量和刀具磨具壽命的不利影響。超高速切削中對超高速銑刀動(dòng)平衡目前最簡單方法是采用在刀體上徑向安裝的調(diào)整螺釘來調(diào)整刀具動(dòng)平衡，超高速磨削中，國內(nèi)外砂輪自動(dòng)平衡技術(shù)中主要有機(jī)械平衡和液體平衡技術(shù)，80年代末，美國生產(chǎn)出了一種被譽(yù)為“世界上最先進(jìn)的磨床在線砂輪平衡系統(tǒng)——SBS電腦化磨床砂輪平衡系統(tǒng)，日本研制出一種光控砂輪平衡儀，德國Hoffman公司和HermingHausenl廠提出了砂輪平衡裝置與微機(jī)控制高精度砂輪裝置有機(jī)結(jié)合，生產(chǎn)出稱為BalanceDoctor的全自動(dòng)砂輪平衡系統(tǒng)。超高速加工機(jī)床支承及輔助單元制造技術(shù)隨著超高速加工技術(shù)進(jìn)展和推廣應(yīng)用已取得了極大的發(fā)展。我國在該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展方面應(yīng)全面縮短與國外差距如：將刀具到刀具或切削到切削換刀時(shí)間縮短為ZS或3S以內(nèi)；開發(fā)新型材料、新型結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件并研制出支承構(gòu)件的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算和虛擬設(shè)計(jì)軟件；某些超高速加工領(lǐng)域引入于切削平磨削加工方活；對刀具砂輪超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下動(dòng)平衡技術(shù)有所突破。3．7．7超高速加工測試技術(shù)超高速加工測試技術(shù)主要指在超高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等對超高速機(jī)床及系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測和控制，包括多方面的監(jiān)測技術(shù)其成功應(yīng)用，可大大延長刀具壽命，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、保證設(shè)備及人員安全性。超高速加工測試技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：基于監(jiān)控參數(shù)的在線檢測技術(shù)，超高速加工的多傳感信息融合檢測技術(shù)，超高速加工機(jī)床中各單元系統(tǒng)功能部件的測試技術(shù)，超高速加工中工件狀態(tài)的測試技術(shù)以及超高速加工中自適應(yīng)控制技術(shù)及智能控制技術(shù)等。超高速加工測試技術(shù)一個(gè)基本內(nèi)容就是對超高速加工系統(tǒng)狀態(tài)如刀具磨具的磨損、破損情況等進(jìn)行檢測以識別超高速加工狀況，其檢測方法主要有基于切削力聲發(fā)射（AE）、切削功率和溫度熱信息等單個(gè)監(jiān)控參數(shù)的監(jiān)測方法。自80年代開始，美國、日本開始研究和采用多種傳感器信息進(jìn)行刀具狀態(tài)識別即傳感器融合（SensorFusion）或傳感器集成（SensorIntegration）經(jīng)過集成與融合的多傳感信息具有以下四方面特征：信息冗余性、信息的互補(bǔ)性、信息的實(shí)時(shí)性和信息的低成本性。超高速加工測試技術(shù)中另一重要內(nèi)容就是對加工工件的尺寸、形狀與位置精度和加工表面質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)控，國內(nèi)外的研究已發(fā)展到對加工工件的尺寸、形狀與位置精度、加工表面質(zhì)量等建立在線測量數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了各種先進(jìn)的測試儀器裝備和在線測量系統(tǒng)，結(jié)合微機(jī)進(jìn)行處理，最終與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)控制及加工的自動(dòng)檢測，保證加工高精度及加工高效率化。超高速加工技術(shù)要取得突破，應(yīng)以超高速加工機(jī)床的工業(yè)實(shí)用化為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)測試技術(shù)的研究，關(guān)鍵解決超高速加工機(jī)床主軸單元、送給單元系統(tǒng)、機(jī)床支承及輔助單元等功能部件和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，重點(diǎn)對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)各種測控裝置和測量系統(tǒng)的國產(chǎn)化，同時(shí)開展超高速加工的自適應(yīng)控制及智能控制技術(shù)的研究。

3．8超精密加工技術(shù)3．8．1概述3．8．1．1超精密加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇現(xiàn)代制造業(yè)持續(xù)不斷地致力于提高加工精度和加工表面質(zhì)量，主要目標(biāo)是提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性，改善零件的互換性，提高裝配效率。超精密加工技術(shù)是精加工的重要手段，在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)方面都有著至關(guān)重要的作用，因此，該技術(shù)是衡量一個(gè)國家先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。超精密加工已經(jīng)成為全球市場競爭取勝的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)展尖端技術(shù)，發(fā)展國防工業(yè)，發(fā)展微電子工業(yè)等都需要精密和超精密加工制造出來的儀器設(shè)備。當(dāng)代的精密工程、微細(xì)工程和納米技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿，也是明天制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

超精密加工是一個(gè)十分廣泛的領(lǐng)域，它包括了所有能使零件的形狀、位置和尺寸精度達(dá)到微米和亞微米范圍的機(jī)械加工方法。各種加工機(jī)床和測量儀器的加工精度隨時(shí)代在不斷發(fā)展的。普通機(jī)械加工的加工精度從過去的毫米級向微米級發(fā)展，精密加工則從十微米級向納米級發(fā)展，超精密加工正在，向納米級工藝發(fā)展圖3－20表明了綜合加工精度與年代的關(guān)系，昨天的所謂超精密加工，到今天只能作為精密加工甚至作為普通加工的范疇。超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的精密加工工藝，從概念上講具有相對性，隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也是不斷變化的。在當(dāng)今技術(shù)條件下，一般加工、精密加工、超精密加工以及納米加工可以劃分如下：

（1）一般加工。加工精度在10m左右、表面粗糙度Ra值在0.3～0.8m的加工技術(shù)，如車、銑、刨、磨、膛、鉸等。適用于汽車、拖拉機(jī)和機(jī)床等產(chǎn)品的制造

（2）精密加工。加工精度在10～0.1m，表面粗糙度Ra值在0.3～0.03m的加工技術(shù)，如金剛車、金剛健、研磨、現(xiàn)磨、超精加工、砂帶磨削、鏡面磨削和冷壓加工等。適用于精密機(jī)床、精密測量儀器等產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件的加工，如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導(dǎo)軌、精密軸承等。

（3）超精密加工。加工精度在0.l～0.01m，表面粗糙度Ra值在0.03～0.05m的加工技術(shù)，如金剛石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特種加工和復(fù)合加工等。適用于精密元件、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的制造。目前，超精密加工的精度正處在亞納米級工藝，正在向納米級工藝發(fā)展。

（4）納米加工。加工精度高于10-3m(納米，1nm=10-3m)，表面粗糙度Ra小于0．005m的加工技術(shù)，其加工方法大多已不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子分子單位加工等方法。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，一般加工、精密加工、超精密加工的精度可分別達(dá)到1m、0.0lm和0.00lm（1nm）的水平。3.8．1．2超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域

超精密加工技術(shù)從加工技術(shù)范疇來說，其包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、精整和光整加工。

超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包含了以下幾個(gè)方面：

(1）加工技術(shù)即加工方法與加工機(jī)理，主要有超精密切削、超精密磨料加工、超精密特種加工及復(fù)合加工。超精密加工的關(guān)鍵是在最后一道工序能夠從被加工表面微量去除表面層，微量去除表面層越薄，則加工精度越高。

（2）材料技術(shù)即加工工具和被加工材料，如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制備及刃磨技術(shù)。例如，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(gè)比較重要問題，一是晶面的選擇，這對刀具的使用性能有著重要的關(guān)系，再就是金剛石刀具的研磨質(zhì)量即刃口半徑，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。工件材料對超精密切削也有重要影響。

（3）加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件，主要加工設(shè)備有超精密切削機(jī)床、各種研磨機(jī)拋光機(jī)以及各種特種精密加工、復(fù)合加工設(shè)備，對于這些加工設(shè)備有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高度自動(dòng)化的要求。加工設(shè)備中的主要基礎(chǔ)元部件及其結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：精密軸承，如空氣軸承技術(shù)，回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.02m；微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)如利用電致伸縮、磁致伸縮、彈性變形、熱變形等效應(yīng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)；精密直線運(yùn)動(dòng)，使用空氣或液體靜壓導(dǎo)軌，提高精度，防止低速爬行；微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)反饋控制和自適應(yīng)控制；支承件性能優(yōu)越，如人造花崗巖作支承材料，抗振性和熱穩(wěn)定性好。

（4）測量及誤差補(bǔ)償技術(shù)，必須有相應(yīng)精度級別的測量技術(shù)和裝置，即超精密加工要求測量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級。此外誤差預(yù)防和補(bǔ)償技術(shù)是提高加工精度的重要策略。從目前發(fā)展趨勢看，要達(dá)到最高精度還需要使用在線檢測和誤差補(bǔ)償。例如高精度靜壓空氣軸承的徑向圓跳動(dòng)大約在50nm左右，工作臺的直線運(yùn)動(dòng)誤差也在數(shù)十納米，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高精度就有一定困難，但用誤差補(bǔ)償可以達(dá)10nm以下。CNC超精密機(jī)床實(shí)際上是反饋補(bǔ)償原理的體現(xiàn)，用激光干涉測長儀測出工作量臺實(shí)際位置，通過反饋而控制其運(yùn)動(dòng)。

（5）超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進(jìn)行，必須具備各種物理效應(yīng)恒定的工作環(huán)境,如恒溫室、凈化間、防振和隔振地基等。工作環(huán)境加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度，使越精密加工達(dá)不到預(yù)期目的，因此，，

（6）工件的定位與夾緊。

(7)人的技藝。現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)之所以要致力于提高加工精度，其主要的原因在于：可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。超精密及納米加工技術(shù)在以下領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景：儀器儀表工業(yè)、航空航天工業(yè)、電子工業(yè)、國防工業(yè)、計(jì)算機(jī)制造、各種反射鏡的加工、微型機(jī)械領(lǐng)域。

。超精密及納米加工技術(shù)在以下領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景：儀器儀表工業(yè)、航空航天工業(yè)、電子工業(yè)、國防工業(yè)、計(jì)算機(jī)制造、各種反射鏡的加工、微型機(jī)械領(lǐng)域。3．8．l．3超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀基于超精密及納米加工技術(shù)的重要性，國內(nèi)外對該技術(shù)的研究和開發(fā)都投入了大量的人力和財(cái)力。超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本，目前這些國家的超精密加工技術(shù)正向納米精度發(fā)展。以精密和超精密機(jī)床為標(biāo)志，目前世界各國的超精密機(jī)床已發(fā)展到了極高的水平。

美國LLL實(shí)驗(yàn)室（LawrenceLivermoreLaboratory）在美國能源部支持下和聯(lián)合碳化物公司Y－121廠聯(lián)合開發(fā)，于1983年7月研制成功DTM．3型大型超精密金剛石車床，用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡（包括X光天體望遠(yuǎn)鏡）等。該機(jī)床主軸剛度大于500N／m。采用嚴(yán)格的恒溫控制、流體溫度控制可達(dá)（20±0.0006）℃，機(jī)床采用花崗石底座和空氣墊隔板。該機(jī)床加工精度指標(biāo)是，其加工形狀誤差，在半徑方向28nm，圓度平面度（P-V值）為12.5nm，加工表面粗糙度約為Ra4.2nm（在最終切削深度為0.635m時(shí)的值），加工最大尺寸為2100mm，重量為4500kg。美國LLL實(shí)驗(yàn)室和空軍Wrigh航空研究所等單位合作，于1984年研制出LODTM大型超精密金剛石非球面車床，該機(jī)床采用雙立柱式立式車床結(jié)構(gòu)及面積較大的止推軸承以保證主軸較高的回轉(zhuǎn)精度和剛度，采用高分辨率（約為0.7nm)的7路雙頻激光測量系統(tǒng)，提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)位置測量系統(tǒng)的測量精度。該機(jī)床采用大量恒溫水冷卻，恒溫水控制為20土0.0005℃，還使用了在線測量和誤差補(bǔ)償使該機(jī)床達(dá)到更高的精度。

英國CranfieldPrecisionEngineering公司（CUPE）1991年和英國科學(xué)工程研究委員會（SERC）合作研制成功OAGM2500大型超精密機(jī)床，用于精密磨削和坐標(biāo)測量X射線大體望遠(yuǎn)鏡的大型曲面反射鏡，該機(jī)床最大加工尺寸2500mmX2500mmX610mm，有2500mm的高精度回轉(zhuǎn)工作臺，床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，中間用人造花崗巖填充，機(jī)床用精密數(shù)控驅(qū)動(dòng)，并用數(shù)控系統(tǒng)反饋控制這臺機(jī)床已使大型超精密機(jī)床發(fā)展成為極高精度的多功能機(jī)床。英國的納米加工中心（Nanometre超精密車床）加工工件形狀精度可達(dá)0．1nm，表面粗糙度達(dá)Ra10nm。英國國立物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）開發(fā)的四面體結(jié)構(gòu)立軸超精密磨床，其由6個(gè)柱連接4個(gè)支持球構(gòu)成一個(gè)罐狀的四面體，靜剛度為10N／nm，加工精度可達(dá)1nm以上。

日本已發(fā)展了多種高效專用超精密機(jī)床，TOYOTA公司生產(chǎn)的專用超精密車床用于加工非球曲面的鋼模具，有很高的加工效率，可用于車削、銑削、磨削并帶有精密測量裝置。該機(jī)床有一個(gè)X和Y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動(dòng)的高精度轉(zhuǎn)臺，借助王軸精密數(shù)控，可以加工平面、球面和非球曲面。機(jī)床主軸用空氣軸承，加工直徑為100mm，砂輪軸轉(zhuǎn)速10萬rpm，刀具的切削刃（或砂輪廊形）通過顯微鏡放大顯示在屏幕上，易于定位，提高加工精度，該機(jī)床加工模具形狀精度為0.05m，表面粗糙度為Ra0.025m。日本一臺盒式超精密立式車床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：整個(gè)機(jī)床采用了盒式結(jié)構(gòu)，加工區(qū)域形成封閉空間，自成系統(tǒng)，不受外界影響；采用熱對稱結(jié)構(gòu)、低熱變形復(fù)合材料，從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑制；采用冷卻液淋浴、恒溫油循環(huán)、熱源隔離等措施，以保證整個(gè)機(jī)床處于恒溫狀態(tài)；

整個(gè)機(jī)床有隔振結(jié)構(gòu)，這臺機(jī)床反映了現(xiàn)代越精密機(jī)床的發(fā)展趨向。

在測量技術(shù)方面，廣泛采用激光干涉儀、電容式測微儀、莫爾條紋光學(xué)尺甚至掃描隧道顯微鏡等技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密超精密測量。對于小位移測量，采用電容式測頭的分辨率可做到0.5nm（量程為15m時(shí)）和0.1nm（量程為5m），線性誤差小于0.l％。采用光電子纖維光學(xué)測頭的分辨率可達(dá)到0.5nm（量程為50m）；采用掃描隧道顯微鏡（STM）的分辨率可達(dá)到0.0lnm（量程為20mm）；X射線干涉儀的分辨率可做到0.003nm（200m量程時(shí)）。對于大長度測量，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm（量程為2.6m）。氦氖激光的分辨率可達(dá)0.01nm（量程為2m）；莫爾條紋光學(xué)尺的分辨率可做到10nm（量程為lm），精度為1m／m。我國的超精密加工技術(shù)研究始于60年代末，在80年代有幾個(gè)機(jī)床廠生產(chǎn)液體靜壓軸承主軸的超精密車床和空氣軸承主軸的磁盤車床，80年代中后期，我國已具有世界先進(jìn)水平的超精密加工機(jī)床及機(jī)床部件，并向?qū)I(yè)化批量生產(chǎn)發(fā)展。北京機(jī)床研究所研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床和超精密測試儀器，如加工球面的JCS－027超精密車床，主軸精度小于0.05mm，JCS－026高精度圓柱儀，其主軸回轉(zhuǎn)精度為0.025mm；JCS－031超精密銑床，主軸精度為0.05mm，加工無氧銅件工件表面粗糙度可達(dá)民0.0025mm；其后還生產(chǎn)了JCS－035超精密車床、JCS－042高精度圓柱度儀、JCS－043高精度氣電測微儀、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率反射鏡超精密振動(dòng)——位移測微儀等，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。航空航天工業(yè)部三O三所利用花崗巖材料制造空氣軸承主軸，所制造的超精密車床，其回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05mm、剛性為100N／mm。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和拋光、金剛石微粉砂輪超精密磨削等方面進(jìn)行了深入的研究，并生產(chǎn)了相應(yīng)的產(chǎn)品。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、長春光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位在超精密加工這一領(lǐng)域都進(jìn)行了大量的研究，成績顯著。3．8．1．4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢及其重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)前，超精密及納米加工技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下一些方面：（1）向高精度方向發(fā)展，向加工精度的極限沖刺，由現(xiàn)階段的亞微米級向納米級進(jìn)軍，其最終目標(biāo)是做到“移動(dòng)原子”，實(shí)現(xiàn)原子級精度的加工。（2）向大型化方向發(fā)展，研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿足航天航空、電子通信等領(lǐng)域的需要。（3）向微型化方向發(fā)展，以適應(yīng)微型機(jī)械、集成電路的發(fā)展。（4）向超精結(jié)構(gòu)、多功能、光機(jī)電一體化、加工檢測一體化方向發(fā)展，并廣泛采用各種測量、控制技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差。（5）不斷出現(xiàn)許多新工藝和復(fù)合加工技術(shù)，被加工的材料范圍不斷擴(kuò)大。（6）在作業(yè)環(huán)境建造方面諸如高性能的基礎(chǔ)隔振技術(shù)、凈化技術(shù)與環(huán)境溫控技術(shù)將有更大發(fā)展。

超精密加工關(guān)鍵技術(shù)有：超精密加工方法和機(jī)理，超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)，超精密加工裝備技術(shù)，超精密測量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)以及超精密加工工作環(huán)境建造技術(shù)等。3．8．2超精密切削加工

超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密切削，主要用于加工軟金屬材料，如銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石和碳素纖維板等非金屬材料，主要加工對象是精度要求很高的鏡面零件。最新進(jìn)展表明，國外金剛石刀具刃口半徑可達(dá)到納米級水平，日本大皈大學(xué)和美國LLL實(shí)驗(yàn)室合作研究超精密切削的最小極限，使用極鋒銳的刀具和機(jī)床條件最佳的情況下，可以實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米（nm）級的連續(xù)穩(wěn)定切削?，F(xiàn)在我國生產(chǎn)中使用的金剛石刀具，刀刃鋒銳度約為=0.2～0.5m，特殊精心研磨可以達(dá)到=0.lm。在對加工表面質(zhì)量有特殊要求時(shí)，特別是在要求殘留應(yīng)力和變質(zhì)層很小時(shí)，需要進(jìn)一步提高刀刃的鋒銳度。

1．超精密切削對刀具的要求為實(shí)現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)具有如下的性能：l）極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度。2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑產(chǎn)值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度。3）刀刃無缺陷，因切削時(shí)刃形將復(fù)印在加工表面上，而不能得到超光滑的鏡面。4）與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦因數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。

2．金剛石刀具的性能特征目前，超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒（0.5—1.5克拉，1克拉=200mg）、無雜質(zhì)。無缺陷、淺色透明的優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石，具有如下的性能特征。l）具有極高的硬度，其硬度達(dá)到6000－10000HV；而TiC僅為3200HV；WC為2400HV。2)能磨出及其鋒銳的刀口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現(xiàn)象。普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5－30m，而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數(shù)納米，沒有其他任何材料可以磨到如此鋒利的程度。3）熱化學(xué)性能優(yōu)越，具有導(dǎo)熱性能好，與有色金屬間的摩擦因數(shù)低、親和力小的特征。4）耐磨性好，刀刃強(qiáng)度高。金剛石磨擦因數(shù)小，和鋁之間的摩擦因數(shù)僅為0.06－0.13，如切削條件正常，刀具磨損極慢，刀具耐用度極高。因此，天然單晶金剛石雖然價(jià)值昂貴，但被一致公認(rèn)為是理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。

3．超精密切削時(shí)的最小切削厚度超精密切削實(shí)際能達(dá)到的最小切削厚度是與金剛石刀具的鋒銳度、使用的超精密機(jī)床的性能狀態(tài)、切削時(shí)的環(huán)境條件等直接有關(guān)。1986年日本大皈大學(xué)和美國LLL實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行的“超精密切削的極限”實(shí)驗(yàn)研究可知：在LLL實(shí)驗(yàn)室的超精密金剛石車床上，切削厚度為1nm時(shí)，仍能得到連續(xù)穩(wěn)定的切屑，說明切削過程是連續(xù)、穩(wěn)定和正常的。3．8．3超精密磨削和磨料加工對于銅、鋁及其合金等軟金屬，用金剛石刀具進(jìn)行超精密車削是十分有效的，而對于黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，主要采用超精密磨削的精密加工方法，超精密磨削和磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉主要對黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，可分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類加工方式。其中固結(jié)磨料加工主要有：超精密砂輪磨削和超硬材料微粉砂輪磨削、超精密砂帶磨削、ELID磨削、雙端面精密磨削、電泳磨削以及超精密研磨與拋光技術(shù)等。3．8．3．l超精密砂輪磨削技術(shù)超精密磨削即是加工精度在0.1m以下、表面粗糙度度0.025nm以下的砂輪磨削方法，此時(shí)因磨拉去除切屑極薄，將承受很高的壓力，其切削刃表面受到高溫和高壓作用，因此，需要用人造金剛石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂輪超精密磨削工件表面的微觀輪廓是砂輪表面微觀輪廓的某種復(fù)印，其與砂輪特性、修整砂輪的工具、修整方法和修整用量等密切相關(guān)。超精密磨削表面形成機(jī)理的分析中，可通過采用切入法磨削、然后觀察工件表面狀況并測量其表面粗糙度，以此來評定砂輪表面輪廓和切刃的分布。超精密磨削與普通磨削不同之處主要是切削深度極小，是超微量切除，除微切削作用外，可能還有塑性流動(dòng)和彈性破壞等作用。經(jīng)研究表明，超精密磨削實(shí)現(xiàn)極低的表面粗糙度，主要靠砂輪精細(xì)修正得到大量的、等高性很好的微刃，實(shí)現(xiàn)了微量切削作用，經(jīng)過磨削一定時(shí)間之后，形成了大量的半鈍化刃，起到了摩擦拋光作用，最后又經(jīng)過光磨作用進(jìn)一步進(jìn)行了精細(xì)的摩擦拋光，從而獲得了高質(zhì)量表面。超精密磨削加工中，在采用粗粒度及細(xì)粒度砂輪時(shí)，砂輪速度vs為12～20m／s工件速度vw為4～10m／min、工作合縱進(jìn)給fa為50～100mm／min、磨削余量為0.002～0.005mm。砂輪每轉(zhuǎn)修整導(dǎo)程為0.02～0.03m／r、修正橫進(jìn)給次數(shù)為2～3次、無火花磨削次數(shù)為4～6次?，F(xiàn)代超精密磨削己采用超硬磨料砂輪，如采用CBN砂輪時(shí)，Vs一般為60m／S以上，vw為5m／min以上，修整進(jìn)給量為0.03mm／r，表面粗糙度Ra達(dá)0.l～0.5m。超硬材料微粉砂輪超精密磨削技術(shù)已成為一種更先進(jìn)的超精密砂輪磨削技術(shù)，國內(nèi)外對其已有一些研究，主要用于加工難加工材料，其精度可達(dá)0.025mm的水平，該技術(shù)關(guān)鍵有：微粉砂輪制備技術(shù)及修整技術(shù)、多磨粒磨削模型的建立和磨削過程分析的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等。3．8．3．2超精密砂帶磨削技術(shù)隨著砂帶制作質(zhì)量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達(dá)到高精度和低表面粗糙度值。用超聲波砂帶精密磨削加工硬盤基體，使用聚脂薄膜砂帶，切削速度35m／min，利用滾花表面接觸輥，其加工表面粗糙度為Ra0.043m，加工時(shí)間125min，用光滑表面接觸輥，得到Ra0.073m，平均加工時(shí)間為20min。3，8．3．3ELID（電解在線修整）超精密鏡面磨削技術(shù)隨著新材料特別是硬脆材料等難加工材料的大量涌現(xiàn)，對這些材料盡管存在多種加工方法，但最實(shí)用的加工方法仍是金剛石砂輪進(jìn)行粗磨、精磨以及研磨和拋光等。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效低耗的超精密加工，80年代末期，日本東京大學(xué)中川威雄教授創(chuàng)造性提出采用鑄鐵纖維劑作為金剛石砂輪的結(jié)合劑，可使砂輪壽命成倍提高，緊接著，日本理化所大森整等人完成了電解在線修整砂輪（ELID）的超精密鏡面磨削技術(shù)的研究，成功地解決了金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的在線修銳問題ELID技術(shù)的基本原理是利用在線的電解作用對金屬基砂輪進(jìn)行修整，即在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶解效應(yīng)而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實(shí)現(xiàn)對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID磨削技術(shù)由于采用ELID（ElectrolyticIn－ProcessDressing）技術(shù)，使得用超微細(xì)（甚至超微粉）的超硬磨料制造砂輪并用于磨削成為可能，其可代替普通磨削、研磨及拋光并實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。日本研究人員使用8000’最大磨粒直徑約為2m’鑄鐵基金剛石砂輪對硅片進(jìn)行磨削，獲得了最大表面粗糙度值為0.lm的高精表面。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用ELID磨削技術(shù)對硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，部分工件的表面粗糙度Ra值已達(dá)到納米級，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達(dá)Ra0.012m。目前，ELID磨削技術(shù)在加工過程中仍存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層的末電解物質(zhì)被壓入工件表面而造成表面層釉化及電解磨削液配比改變等問題，有待進(jìn)一步研究解決。3．8．3．4雙端面精密磨削技術(shù)近期新出現(xiàn)了作平面研磨運(yùn)動(dòng)的雙端面精磨技術(shù)，其雙端面精磨的磨削運(yùn)動(dòng)和作行星運(yùn)動(dòng)的雙面研磨一樣，工件既作公轉(zhuǎn)又作自轉(zhuǎn)，磨具的磨料粒度也很細(xì)，一般為3000?！?000#，在磨削過程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲勞斷裂同時(shí)起作用，磨痕交叉而且均勻，該磨削方式屬控制力磨削過程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可獲得很高的平面接和兩平面的平行度，該技術(shù)目前取代金剛石車削成為磁盤基片等零件的主要超精加工方法。ELID技術(shù)也被用于雙端面磨削（如日本HOM-380E型雙端面磨床），加工精度更高。3.8．3．5電泳磨削技術(shù)基于超微磨粒電泳效應(yīng)的磨削技術(shù)即電泳磨削技術(shù)也是一種新的超精密及納米級磨削技術(shù)，其磨削機(jī)理是利用超細(xì)磨粒的電泳特性，在加工過程中使磨拉在電場力作用下向磨具表面運(yùn)動(dòng)，并在磨具表面沉積形成一超細(xì)磨拉吸附層，利用磨粒吸附層對工件進(jìn)行磨削加工，同時(shí)新的磨粒又不斷補(bǔ)充（如圖3．42）。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性，同時(shí)，磨具每旋轉(zhuǎn)一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補(bǔ)充，使微刃始終保持鋒利尖銳。通過對電場強(qiáng)度、液體及磨粒特性等影響因素加以控制，就可使磨粒層在加工過程中呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：一種是在加工過程中使磨料的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到一個(gè)表面不斷自我修整而尺寸不變的超細(xì)砂輪；另一種狀態(tài)是在加工過程中，使磨料的吸附量超過脫落量，那么磨粒層厚度就會不斷增加，這樣就可以在機(jī)床無切深進(jìn)給條件下實(shí)現(xiàn)磨削深度的不斷增加，即所謂的自送給電泳磨削。在電泳磨削技術(shù)中，磨粒吸附層可以作為磨具用于俄勝材料的精密磨削工藝；自送給電泳磨削實(shí)現(xiàn)微米級甚至亞微米級深度進(jìn)給，而不依賴于機(jī)床本身的進(jìn)給精度是可能的。對于該項(xiàng)技術(shù)的理論研究和實(shí)用化還有許多工作要做。3．8．3．6超精密研磨與拋光技術(shù)游離磨料加工指在加工時(shí)，磨?；蛭⒎鄢捎坞x狀態(tài)，如研磨時(shí)的研磨劑、拋光時(shí)的拋光液，其中的磨粒或微粉在加工時(shí)不是固結(jié)在一起的。游離磨料加工的典型方法是超精密研磨與拋光加工。如：超精密研磨、磁流體精研、磁力研磨、電解研磨復(fù)合加工、軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光（彈性發(fā)射加工、機(jī)械化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光）、磁流體拋光、擠壓研拋、砂帶研拋、超精研拋等。超精密研磨拋光有以下發(fā)展動(dòng)向：采用軟質(zhì)磨粒，甚至比工件硬度還要軟的磨粒，如SiO2、ZrO2等，在拋光時(shí)不易造成被加工表面的機(jī)械損傷，加微裂紋、磨料嵌入、洼坑、麻點(diǎn)等；非接觸拋光或稱浮動(dòng)拋光，拋光工具與工件被加工表面之間有一薄層磨料流，不直接接觸；在恒溫液中進(jìn)行拋光既可以減小熱變形，又可防止塵埃或雜物混入拋光區(qū)而影響加工質(zhì)量；采用復(fù)合加工等。

1．超精密研磨技術(shù)研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高（可達(dá)0.025m），表面粗糙度參數(shù)值得以降低（Ra0.01m）。研磨機(jī)理可以歸納為以下幾種作用：磨拉的切削作用；磨粒的擠壓使工件表面產(chǎn)生塑性變形；磨拉的壓力使工件表面加工硬化和斷裂；磨粒去除工件表面的氧化膜的化學(xué)促進(jìn)作用。超精密研磨是一種加工誤差達(dá)0.1m以下，表面粗糙度Ra達(dá)0．02m以下的研磨方法，是一種原子、分子加工單位的加工方法，從機(jī)理上來看，其主要是磨粒的擠壓使被加工表面產(chǎn)生塑性變形，以及當(dāng)有化學(xué)作用時(shí)使工件表面生成氧化膜的反復(fù)去除相比較研磨加工，超精密研磨具有一些特點(diǎn)，即：在恒溫條件下進(jìn)行，磨料與研磨液混合均勻，超精研磨時(shí)所使用磨拉的顆粒非常小，所用研具材料較軟、研具剛度精度高。研磨液經(jīng)過了嚴(yán)格過濾。超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅片、石英晶體、高級乎晶和光學(xué)鏡頭等零件的最后加工工序。

2．磁流體精研技術(shù)磁性流體為強(qiáng)磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸（＜0.015m）的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動(dòng)性，其特性是：每一個(gè)粒子的磁力矩極大，不會因重力而沉降磁性曲線無磁滯，磁化強(qiáng)度隨磁場增加而增加。當(dāng)將非磁性材料的磨料混入磁流體，置于磁場中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行研磨。磁流體精研為研磨加工的可控性開拓了一個(gè)方向，有可能成為一種新的無接觸研磨方法。磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加工、磨料控制式加工及磁流體封閉式加工。磨粒懸浮式加工是利用懸浮在液體中的磨粒進(jìn)行可控制的精密研磨加工。研磨裝置由卜磨加工部分、驅(qū)動(dòng)部分和電磁部分等三部分組成。磨料控制式加工是在研磨具的孔洞內(nèi)預(yù)先放磨粒，好過磁流體的作用，將磨料逐漸輸送到研磨盤上面。磁流體封閉式加工是通過橡膠板將磨粒與磁流體分隔放置進(jìn)行加工。

3磁力研磨技術(shù)磁力研磨是利用磁場作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的研磨刷，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對工件表面的研磨作用。這種加工方法不僅能對圓周表面、平面和棱邊等進(jìn)行研磨，而且還可對凸凹不平的復(fù)雜曲面進(jìn)行研磨。

4電解研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、超聲研磨等復(fù)合研磨方法電解研磨是電解和研磨的復(fù)合加工，研具是一個(gè)與工件表面接觸的研磨頭，它既起研磨作用，又是電解加工用的陰極，工件接陽極。研磨加工時(shí)，以精度較高電解成形所采用的硝酸鈉水溶液為主，加人既能保持其精度又能提高其蝕除速度的添加劑（如含氧酸鹽）和1％氟化鈉（NaF）等光亮劑組成電解液，電解液通過研磨頭的出口流經(jīng)金屬工件表面，工件表面在電解作用下發(fā)生陽極溶解；在溶解過程中，陽極表面形成一層極薄的氧化物（陽極薄膜），但剛剛在工件表面凸起部分形成的陽極膜被研磨頭研磨掉，于是陽極工件表面上又露出新的表面并繼續(xù)電解，這樣，電解作用與研磨頭刮除陽極膜作用交替進(jìn)行，在極短時(shí)間內(nèi)，可獲得十分光潔的鏡面。機(jī)械化學(xué)研磨是在研磨的機(jī)械作用下，加上研磨劑中的活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，從而提高了研磨質(zhì)量和效率。超聲研磨是在研磨中使研具附加超聲振動(dòng)，從而提高了效率，對難加工材料的研磨有較好效果。

5．軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光典型的軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光是彈性發(fā)射加工（ElasticEmissionMachining即EEM），其最小切除量可以達(dá)原子級，即可小于0.00lm，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。EEM的加工原理其實(shí)質(zhì)是磨粒原子的擴(kuò)散作用和加了速的微小粒子彈性射擊的機(jī)械作用的綜合結(jié)果。微小粒子可利用振動(dòng)法、真空中帶靜電的粉末粒子加速法、空氣流或水流來加速，其中用水流使微粒加速的方法最穩(wěn)定。EEM與數(shù)控結(jié)合的NCEEM加工能達(dá)到的加工精度為土0.lm，表面粗糙度Ra小于0.0005m。機(jī)械化學(xué)拋光是一種無接觸拋光方法，即拋光器與被加工表面之間有小間隙，這種拋光是以機(jī)械作用為主，其活化作用是靠工作壓力和高速摩擦由拋光液而產(chǎn)生?；瘜W(xué)機(jī)械拋1光強(qiáng)調(diào)化學(xué)作用，靠活性拋光液（在拋光液中加入添加劑）的化學(xué)活性作用，在被加工表面上生成一種化學(xué)反應(yīng)生成物，由磨粒的機(jī)械磨擦作用去除，它可以得到無機(jī)械損傷的加工表面，而且提高了效率。

6.磁流體拋光磁流體是由強(qiáng)磁性微粉（l～15nm大小的Fe2O3）、表面活化劑和運(yùn)載液體所構(gòu)成的懸浮液，在重力或磁場作用下呈穩(wěn)定的膠體分散狀態(tài)，具有很強(qiáng)的磁性，磁化曲線幾乎沒有磁滯現(xiàn)象，磁化強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度增加而增加。將非磁性材料的磨?；烊氪帕黧w中，置于有磁場梯度的環(huán)境內(nèi)，則非磁性磨粒在磁流體將受磁浮力作用向低磁力方向移動(dòng)。例如當(dāng)磁場梯度為重力方向時(shí)，如將電磁鐵或永久磁鐵置于磁流體的下方，則非磁性磨粒將漂浮在磁流體的上表面上（反之，非磁性磨拉將下沉在磁流體的下表面），將工件置于磁流體的上面并與磁流體在水平面產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，則上浮的磨粒將對工件的下表面產(chǎn)生拋光加工，拋光壓力由磁場強(qiáng)度控制。在磁流體拋光中，由于磁流體的作用，磨粒的刮削作用多，滾動(dòng)作用少，加工質(zhì)量和效率均提高。磁流體拋光可加工平面、自由曲面等，加工材料范圍較廣。該方法又稱之為磁懸浮拋光。

7.超精研拋超精研拋是一種具有均勻復(fù)雜軌跡的精密加工，它同時(shí)具有研磨、拋光和超精加工的特點(diǎn)。越精研拋時(shí)，研拋頭為～圓環(huán)狀，裝于機(jī)床的主軸上，由分離傳動(dòng)和采取隔振措施的電動(dòng)機(jī)作高速旋轉(zhuǎn)，工件裝于工作臺上。工作臺由兩個(gè)作同向同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的立式偏心軸帶動(dòng)作縱向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺的這兩種運(yùn)動(dòng)合成為旋擺運(yùn)動(dòng)。研拋時(shí)，工件浸泡在超精研拋液池中，主軸受主軸箱內(nèi)的壓力彈簧作用對工件施加研拋壓力。超精研拋頭采用脫脂木材制成，其組織疏松，研拋性能好。磨料采用細(xì)粒度的Cr2O3，在研拋液（水）中成游離狀態(tài)，加入運(yùn)量的聚乙烯醇和重鉛酸鉀以增加Cr2O3的分散程度。由于研拋頭和工作臺的運(yùn)動(dòng)造成復(fù)雜均密的運(yùn)動(dòng)軌跡，又有液中研拋的特性，因此可獲得極高的加工精度和表面質(zhì)量。3．8．4超精密特種加工超精密特種加工的方法很多，多是分子、原子單位加工方法，可以分為去除（分離）、附著（沉積）和結(jié)合以及變形三大類。分離（去除）加工就是從工件上分離原子或分子，如電子束加工和離子束濺射加工等。附著（沉積）是在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，如電子鍍、離于鍍、分子束外延、離子束外延等。結(jié)合是在工件表面上滲入或涂入一些物質(zhì)，如離子注入、氮化、滲碳等。變形是利用高頻電流、熱射線、電子束、激光、液流、氣流和微粒子束等使工件被加工部分產(chǎn)生變形，改變尺寸和形狀。

這里主要對電子束加工與光刻技術(shù)進(jìn)行介紹。

電子束加工是利用陰極發(fā)射電子，經(jīng)加速、聚焦成電子束，直接射到放置于真空室中的工件上，按規(guī)定要求進(jìn)行加工。電子束加工主要有兩大類加工方法即高能量密度加工和低能量密度加工。電子束加工裝置通常由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分所組成，電子槍產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電子束，可利用靜電透鏡或磁透鏡將電子束進(jìn)一步聚成極細(xì)的束徑，其束徑大小隨應(yīng)用要求而確定，如用于微細(xì)加工時(shí)，約為10m或更??；用于電子束曝光的微小束徑是平行度好的電子束中央部分，僅有1m量級。

電子束高能密度加工就是利用電子束熱效應(yīng)進(jìn)行電子束加工，可通過調(diào)整功率密度來實(shí)現(xiàn)不同加工，其有熱處理、區(qū)域精煉、熔化、蒸發(fā)、穿孔、切槽、焊接等，在各種材料上加工圓孔、異形孔和切槽時(shí)，最小孔徑或縫定可達(dá)0．02～0．03mm。電子束低能量密度加工中，功率密度相當(dāng)?shù)偷碾娮邮丈湓诠ぜ砻嫔?，幾乎不會引起表面溫升，入射的電子與高分子材料的分子碰撞時(shí)，會使它的分子鏈切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學(xué)性質(zhì)和分子量產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱為電子束的化學(xué)效應(yīng)。利用這種化學(xué)效應(yīng)可進(jìn)行電子束光刻。在實(shí)際應(yīng)用中，電子束光刻獲得很大成功，它是利用電子束透射掩模（其上有所需集成電路圖形）。照射到涂有光敏抗蝕劑的半導(dǎo)體基片上，由于化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)顯影后，在光敏抗蝕劑涂層上就形成與掩膜相同的所需線路圖形，見圖3－43。以后有兩種處理辦法，一層洱海寧束濺射去除，或稱離子束刻蝕，再在刻蝕出的溝槽內(nèi)進(jìn)行離子束沉積，填入所需金屬，經(jīng)過剝離和整理，便可在基片上得到凹形所需電路。另一種是用金屬蒸鍍方法，即可在基片上形成凸形電路。光刻工藝的圖形密度、線寬是很重要的指標(biāo)，由于電子束波長比可見光要短得多，其光刻線寬度可達(dá)0.1nm。電子束光刻可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖形的寫圖或復(fù)印，目前它仍是大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSL）的掩膜或基片圖形光刻的重要手段。3．8．5超精密加工裝備超精密加工所用的加工設(shè)備主要有超精密切削磨削機(jī)床、各種研磨機(jī)和拋光機(jī)等。對于超精密加工所用加工設(shè)備應(yīng)有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和高度自動(dòng)化的要求。超精密切削機(jī)床由于其結(jié)構(gòu)、精度、穩(wěn)定性等均對加工質(zhì)量有直接影響，因此其應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

(1）高精度。超精密切削機(jī)床應(yīng)具有高的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度和分辨率，主要表現(xiàn)在主軸回轉(zhuǎn)精度、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)直線度、定位精度、重復(fù)精度等。機(jī)床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導(dǎo)軌，并可以進(jìn)一步采用誤差補(bǔ)償方法來提高其精度。為了能進(jìn)行微細(xì)切削、機(jī)床配有微動(dòng)工作臺，采用電致伸縮、磁致伸縮、彈性元件等微位移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微送給。超精密切削機(jī)床通常采用寬速直流或交流伺服電機(jī)一光柵位置檢測閉環(huán)系統(tǒng)，采用激光干涉位置檢測系統(tǒng)，可以獲得極高的定位精度。

（2）高剛度。超精密加工時(shí)，切削深度和進(jìn)給量很小，切削力很小，但仍應(yīng)該有足夠剛度，例如超精密磁盤加工鋁合金基片的端面時(shí)，其主軸軸向剛度可達(dá)490N／m。

（3）高穩(wěn)定性。在機(jī)床結(jié)構(gòu)上，多采用熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、內(nèi)阻尼大的天然花崗石來制作床身、工作臺等，也可采用人造花崗石制作床身、工作臺和軸承等。為了防止熱變形對加工精度的影響，超精密切削機(jī)床除必須放在恒溫室中使