先進制造工藝技術(shù)(超精密加工)

先進制造工藝技術(shù)(超精密加工)第一頁，共26頁。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的過半球、形狀誤差要求小于0.1m空對空導(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Ra0.01～0.02m紅外反射鏡及激光制導(dǎo)反射鏡、平面度0.1m計算機磁盤及磁頭、平面度0.04m及反射率85～90%的激光印刷機和靜電復(fù)印機及激光熱處理的多棱鏡、精密儀器和機床的超精密零件等等。第二頁，共26頁。精密、超精密加工技術(shù)是提高機電產(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)動機的效率和功率，減少油耗；提高滾動軸承的滾動體的滾道的加工精度，就可以提高軸承的轉(zhuǎn)速，減少振動和噪聲；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。第三頁，共26頁。由此可知，超精密加工技術(shù)的高低，不只是一個國家制造技術(shù)水平的標志，也是一個國家的國力和國威所在。沒有高超的加工技術(shù)，就不會有高超性能和質(zhì)量的機電產(chǎn)品，更沒有現(xiàn)代化的國防工業(yè)，海灣戰(zhàn)爭已充分證明了超精密加工技術(shù)的重要性。在未來世界的技術(shù)競爭中，超精加工技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。第四頁，共26頁。⒈

國外現(xiàn)狀

美國是開展超精密加工技術(shù)起步最早的國家，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床。至80年代，超精密機床綜合技術(shù)趨于成熟。如LLNL實驗室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory）受美國國防部委托研制的大型光學零件金剛石車床，可加工1620mm、長508mm、重達1350Kg的工件，該機床采用了多項新技術(shù)，使在整個加工空間中的定位精度高達0.028m（均方根值）。第五頁，共26頁。英國也是較早從事精密、超精密加工技術(shù)研究的國家之一，Cranfield理工學院是迄今僅有的也能制造出用于大型超精密加工機床的高剛度（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射線天體望遠鏡筒的大型數(shù)控金剛石車床，最近又推出了OAGM2500和Nanocenter250超精密加工設(shè)備，分辨率高達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)揮了作用。

它發(fā)展超精密機床不是走美國“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)展計算機、錄像機、復(fù)印機等產(chǎn)品而研究加工磁盤、光盤、磁鼓、多面棱鏡等超精密機床。由于民用工業(yè)向精密化發(fā)展，生產(chǎn)超精密機床的企業(yè)、公司逐年增加，并投入大量人力、物力去開發(fā)，有計劃地引進先進技術(shù)并深入解剖。因此在發(fā)展速度上迅速追上美國，而且在技術(shù)上可以與美國相抗衡。除美國、英國、日本外，荷蘭、德國等也投入很大力量進行精密、超精密加工的研究。

第六頁，共26頁。

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國內(nèi)現(xiàn)狀我國超精密加工的研究起步并不晚，但是發(fā)展較慢，直到80年代才取得一定進展。如沈陽第一機床廠生產(chǎn)的S1-235型金剛石車床（主軸回轉(zhuǎn)精度0.15m、加工精度0.3m/60）；1984年上海理工大學（原上海機械學院）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；中國航空精密機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?？偟目磥?，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)配套方面與國外比、與生產(chǎn)實際要求比，還有相當?shù)牟罹?。對硬、脆的非金屬和半?dǎo)體材料表面的超精密加工技術(shù)的研究則剛剛起步，在這方面我們與國外的差距更大。第七頁，共26頁。⒊

發(fā)展趨勢

目前精密、超精密加工向著納米級精度發(fā)展。超精密機床設(shè)備趨向于多功能模塊化及用非金屬材料制造，當今機床的加工精度已達到0.025m、表面粗糙度Ra0.0045m，即已進入納米級加工時代。除傳統(tǒng)的加工方法外，非傳統(tǒng)加工方法將越來越占有重要地位，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、分子級加工等方向發(fā)展。第八頁，共26頁。由于精密、超精密加工技術(shù)是一門多學科綜合制造技術(shù)，要追趕世界先進水平，需要從加工工藝、加工設(shè)備、測量與控制、環(huán)境條件保障等四個方面來進行研究。(一)超精密加工工藝⒈

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是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力小，不會和工件材料產(chǎn)生粘附，切削時不產(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0.002～0.004m，我國目前約達到0.05m。第九頁，共26頁。⒉

超精密磨削

由于金剛石是碳的同素異形體，在高溫點時和鐵族元素（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，因此不能用來切削黑色金屬，只能用磨削方法。超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。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的大量等高的磨粒微刃進行精密加工而成的。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，微刃在工件表面上磨削痕跡多次重復(fù)，本來就很微小的“殘留面積”便更進一步縮小，留下的只是大量的極微細的劃痕，故可使表面粗糙度達到極微小的程度。此外，還由于在無火花磨削階段，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0.005m表面粗糙度的圓柱形零件。第十頁，共26頁。超精密磨削的加工對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。對于密實形無氣孔的金剛石砂輪，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，常用的有單點金剛石筆、燒結(jié)體多點金剛石筆、專用砂輪修整器等。日本物理化學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)，日本千葉大學報道了在77K（液氮溫度）低溫條件下，對玻璃進行磨削，能抑制材料裂紋的發(fā)生。第十一頁，共26頁。⒊

超精密研磨

超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等方法。機械研磨是一種古老而又十分簡便的精密加工方法，在一定條件下可達到Ra0.1～0.3m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，研磨運動軌跡呈周期性且不重復(fù)，為對工件產(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。第十二頁，共26頁。如果在研磨液中加有粘性較好的油酸，它會附著在工件表面上，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，這就是化學機械研磨法。為使工件表面光潔，起到拋光研磨作用，采用浮動拋光或稱非接觸拋光法，即減輕對工件的研磨壓力，拋光研磨料在無機械壓力作用下“游動”而“打光”工件。彈性發(fā)射加工（ElasticEmissionMachining,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原子。從最基本原理來說，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±0.1m。第十三頁，共26頁。⒈

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，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的影響。對主軸驅(qū)動，目前仍采用電動機直接帶動或電動機、帶輪、聯(lián)軸節(jié)、主軸傳動，無論采用何種驅(qū)動方式，電動機必須經(jīng)過動平衡，電機軸采用靜壓支承更理想，皮帶必須無縫且厚度一致。第十四頁，共26頁。主軸支承結(jié)構(gòu)有多種型式，但大都采用球面支承結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。因為球面軸承具有自動定心、裝配方便、加工精度高（上海理工大學生產(chǎn)的半球軸承的圓度達0.02～0.05m）等特點。其中圖4－1a為德國慕尼黑工業(yè)大學的氣體靜壓高速精密車床，主軸轉(zhuǎn)速40,000r/min，圖4－1b為美國專利，當主軸200r/min時，其振擺0.031m、500r/min時為0.038m，徑向和軸向剛度分別為25.4N/m和83.1N/m。第十五頁，共26頁。⒉

直線運動導(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PneumoPrecision公司的MSG-235型超精密車床，采用空氣靜壓導(dǎo)軌，直線度為0.08m/300mm。美國Moore公司加工雙V型導(dǎo)軌有成熟的實踐經(jīng)驗，導(dǎo)軌的直線度為0.1m/100mm。我國上海儀表廠已達到同等精度。第十六頁，共26頁。⒊

微量進給

超精密機床一般都是微量切削，日本大阪大學設(shè)立了一個切薄課題，切削厚度約1nm的極限程度。在超精密機床上進行微量切削，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給，這方面的報導(dǎo)不少，比較多的是采用壓電陶瓷和平行彈簧，微量進給可達1nm。第十七頁，共26頁。⒋

機床結(jié)構(gòu)材料超精密機床的結(jié)構(gòu)材料對機床精度的影響很大，鑄鐵和鋼在過去曾是機床的主要結(jié)構(gòu)材料，今后相當長的時間內(nèi)，作為普通機床的材料，尤其是床身和底座仍將發(fā)揮很大作用。但是很難滿足超精密機床的要求。為此國外早就用天然花崗巖材料制造，它有很多優(yōu)點，如性能穩(wěn)定、線膨脹系數(shù)小，約是鑄鐵的2/3，美國PneumoPrecision公司的MSG-235型超精密車床，其重達7t，尺寸為2m×1.2m×0.6m的底座，就是花崗石制造的。我國航天航空總公司下屬的303所也制造了二臺全花崗石車床。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。美國柯達克公司研制成功的OAGM2500型CNC磨床，用于加工探索太空用的大型光學透鏡，機床總重130t，其床身底座是用Granitan材料制造的。

第十八頁，共26頁。花崗石的最大缺點是吸濕性大，吸水率為0.13%，甚至高達0.5%～0.7%，遇到液體會發(fā)生微量變形（干燥后復(fù)原），用此材料時需防止液體的“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0.6×10-6/k和0.05×10-8/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全陶瓷車床。由于陶瓷材料具有的優(yōu)越性，日本機械制造人員正在深入研究它的加工問題，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床的熱門材料。第十九頁，共26頁。（三）超精密測量由于工件的加工精度很高，將工件從機床上取下來拿到計量室測量，不僅麻煩而且由于環(huán)境溫度的變化會產(chǎn)生誤差，因此，國外超精密機床都有在線測量裝置，即在加工過程中測量工件精度。這里有二個問題需要解決好：第二十頁，共26頁。⒈

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。光柵過去能達到的分辨率為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Renishaw公司則高達0.001m，為目前能達到的最高水平。英國Crnfield、美國Zygo公司的雙頻激光儀的分辨率為1.2nm，超過了美國HP系統(tǒng)產(chǎn)品精度。第二十一頁，共26頁。⒉

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0.01m，接觸式的對有色金屬的測量表面易產(chǎn)生印痕，非接觸式的對旋轉(zhuǎn)中的工件進行測量較為理想，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，但對環(huán)境要求亦高。電容傳感器對外界環(huán)境也有一定要求，北京機床研究所研制的電容傳感器的分辨率可達2nm。實現(xiàn)在線測量除了上面兩個問題外，還要考慮測量裝置的精度問題，比如傳感器測頭中心與工件軸線不共面，兩傳感器測頭不同軸、測量中心線與工件中心線不垂直等項，所有誤差的總和限制在±0.05m以內(nèi)是非常困難的，故目前國內(nèi)成功的實例很少。第二十二頁，共26頁。⒈

機床的隔振

對于超精密機床，振動對工件尺寸精度和表面粗糙度的影響很大。一般來講，高頻振動的振幅要求減小到0.2m以下、低頻振動的振幅應(yīng)小于0.1m，據(jù)測量我國沿海大地脈動頻率一般為4Hz，機床隔振應(yīng)主要針對4Hz的大地脈動，要滿足這一要求，必須增加底座重量，如上述MSG－235型超精密機床重達7t的花崗石底座即為一例，同時，超精密機床還必須采用三級減振措施。第二十三頁，共26頁。⑴

將機床放置在整塊花崗石底座上，花崗石對振動的阻尼值是鑄鐵的4～5倍，可極大