超精密加工技術(shù)教學(xué)課件

Ultraprecisionmachining3.2超精密加工技術(shù)

3.2.1概述

3.2.2超精密切削與金剛石刀具

3.2.3超精密磨料加工

3.2.4超精密加工設(shè)備

3.2.5納米加工技術(shù)

6/6/2023參考材料：1、張建華主編《精密與特種加工技術(shù)》2、於貽琛《精密機床》3、袁哲俊、王先逵主編

《精密和超精密加工技術(shù)》機械工業(yè)出版社6/6/20231精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵2

超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3精密和超精密加工的需求4

超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢3.2.1概述6/6/2023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，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。

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之間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精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵6/6/20231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、電鑄陽極氧化蒸鍍（真空蒸鍍），晶體生長，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粘滯性流動摩擦流動熱流動加工（高頻電流、熱射流、電子束、激光）液體、氣體流動加工（壓鑄、擠壓、噴射、澆鑄）微粒子流動加工6/6/2023

2.結(jié)合加工

利用物理和化學(xué)方法，將不同材料結(jié)合(Bonding)在一起。按結(jié)合的機理、方法、強弱等，結(jié)合加工又分為附著(Deposition)、注入(Injection)和連接(Jointed)三種。

附著加工：稱為沉積加工，是指在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)。這是一種弱結(jié)合，其典型的加工方法是鍍。

注入加工又稱為滲入加工，是指在工件表面上注入某些元素，使之與基體材料產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)。這是一種具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結(jié)合，用以改變工件表層材料的力學(xué)機械性質(zhì)，如滲碳、滲氮等。

連接是指將兩種相同或不同材料通過物化方法連接在一起，如焊接、粘接等。

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3.變形加工變形加工又稱為流動加工，它利用力、熱、分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形，改變其尺寸、形狀和性能。多年來，傳統(tǒng)加工的概念一直局限于去除加工和表面結(jié)合加工。近年來，人們提出了電鑄、晶體生長、分子束外延和快速成型等加工方法，突破了傳統(tǒng)加工的概念。例如：鎂合金，鈦合金的變形。

6/6/2023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）

6/6/2023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刀具切削鋼金剛石刀具得結(jié)晶方位選擇金剛石刀具刃口評價改進(jìn)型SEM

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)、防振采用高速運算裝置控制高剛度化的新方案：Tetraform結(jié)構(gòu)球殼結(jié)構(gòu)Al、Cu、塑料等軟質(zhì)材料無電解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ELID磨削鐵氧體精細(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：氟化樹脂發(fā)泡體跑關(guān)盤、液體工具－EEM及浮動拋光基于理論分析的平面研磨機大口徑光學(xué)元件用研磨機液中研磨機、EEM裝置、浮法拋光張之、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、研磨實例6/6/2023國內(nèi)外現(xiàn)狀(1)美國是開展研究最早的國家。(2)日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。(3)我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。2超精密加工國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技術(shù)”(1微英寸＝0.025μm)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面及非球面大型零件等。6/6/20236/6/20232超精密加工國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀超精密加工是國家制造工業(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國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。舉例1：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關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級；舉例2：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題。6/6/2023

4)在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所(簡稱CUPE)享有較高聲譽，它是當(dāng)今世界精密工程的研究中心之一，是英國超精密加工技術(shù)水平的獨特代表。實例：CUPE生產(chǎn)的Nanocentre(納米加工中心)既可進(jìn)行超精密車削又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。6/6/2023我國的超精密加工技術(shù)現(xiàn)狀：1.在20世紀(jì)70年代末有了長足進(jìn)步，2.80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等。3.在2000年北京第七屆國際機床展覽會上，北京機床研究所展出一臺納米超精密車床，采用氣浮主軸軸承和納米級光柵全閉環(huán)控制，光柵最小分辨率為5nm，加工表面粗糙度可達(dá)0.008μm，主軸回轉(zhuǎn)精度為0.05μm。

6/6/2023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

例如計算機工業(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的能力，當(dāng)前，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的發(fā)展。美國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，其中的舉措都是實實在在的制造技術(shù)。（安全氣囊安全標(biāo)準(zhǔn)）

2超精密加工國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀6/6/20233精密和超精密加工的需求國防工業(yè)上的需求超精密加工技術(shù)在尖端產(chǎn)品和現(xiàn)代化武器制造中占有非常重要的地位。例如：導(dǎo)彈的命中精度是由慣性儀表的精度決定的，而慣性儀表的關(guān)鍵部件是陀螺儀，如果1kg重的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離對稱軸0.5nm，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。美國民兵Ⅲ型洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)陀螺儀的精度為0.03°～0.05°，其命中精度的概率誤差為500m；而MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈(可裝載10個核彈頭)制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀精度比民兵Ⅲ型導(dǎo)彈高出一個數(shù)量級，從而保證命小精度的概率誤差只有50～150m。/thread-3789-1-1.htm

6/6/20233精密和超精密加工的需求國防工業(yè)上的需求大型天體望遠(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140億光年的天體紅外線探測器反射鏡，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。

6/6/2023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6/6/20233精密和超精密加工的需求信息產(chǎn)品中的需求

計算機磁盤的存儲量在很大程度上取決于磁頭與磁盤之間的距離(即所謂“飛行高度”)，早期磁頭在盤面上的飛行高度約0.1μm～0.5μm，現(xiàn)在的水平已經(jīng)達(dá)到0.005μm～0.01μm，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一

。為了實現(xiàn)如此微小的“飛行高度”，要求加工出極其平坦、光滑的磁盤基片及涂層。計算機上的芯片、磁板基片、光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造。錄像機的磁鼓、復(fù)印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機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。6/6/20233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、照相機等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機、激光打標(biāo)機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成。超精密加工機床、設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。飛機發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60μm提高到12μm，而加工表面粗糙度Ra由0.5μm減少到0.2μm，則發(fā)電機的壓縮效率將從89％提高到94％。傳動齒輪的齒形及齒距誤差若能從目前的3～6μm降低到1μm，則單位齒輪箱重量所能傳遞的扭矩提高近一倍。6/6/20234超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)加工機理

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，在加工機理上均有所創(chuàng)新。

6/6/2023精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)

被加工材料

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：1）被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷；2）化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10-2～10-3數(shù)量級，不能含有雜質(zhì)；3）物理力學(xué)性能，如拉伸強度、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；4）材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。

4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6/6/2023精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)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、直線運動單元和分度轉(zhuǎn)臺等密切相關(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。4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6/6/2023精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)

加工工具加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。金剛石刀具超精密切削的主要研究問題：1）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，2）金剛石刀具刃口檢測方法，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、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6/6/2023精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)

超精密加工的檢測與誤差補償技術(shù)

尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來測量。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、激光干涉法等來測量。檢測可采取離線的、在位的和在線的三種方式。誤差預(yù)防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償技術(shù)是在誤差分離的基礎(chǔ)上，利用誤差補償裝置對誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)補償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補償是根據(jù)事先測出的誤差值，在加工時通過硬件或軟件進(jìn)行補償；動態(tài)誤差補償是在在線檢測基礎(chǔ)上，在加工時進(jìn)行實時補償。

4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6/6/2023精密和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)

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%，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點漂移等。潔凈度要求1000～100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個，依此類推。

4超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢6/6/2023OAGM2500LODTM6/6/2023你認(rèn)為我國要發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)，應(yīng)重點發(fā)展哪些方面內(nèi)容？課后思考題6/6/20233.2.2超精密切削與金剛石刀具

超精密切削是使用精密的單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005μm，加工精度<0.01μm)。加工應(yīng)用：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達(dá)的波導(dǎo)管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復(fù)印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也是金屬切削的一種，當(dāng)然也服從金屬切削的普遍規(guī)律。金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。6/6/20231）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄切削厚度。3）刀刃無缺陷，切削時刃形將復(fù)制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。4）與工件材料的抗粘性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石。一、超精密切削對刀具的要求6/6/2023

精密和超精密磨削概述

精密磨削

超精密研磨拋光的主要新技術(shù)3.2.3超精密磨料加工6/6/2023

金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進(jìn)行超精密切削，對于黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，則主要是應(yīng)用精密和超精密磨料加工。精密和超精密磨料加工，就是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。3.2.3超精密磨料加工6/6/2023一、精密和超精密加工分類3.2.3超精密磨料加工6/6/2023一、精密和超精密加工分類固結(jié)磨料加工將磨料或微粉與結(jié)合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強度，再采用燒結(jié)、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。精密和超精密砂輪磨削精密砂輪磨削：砂輪的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂輪磨削：砂輪的粒度W40～W50，得加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂帶磨削精密砂帶磨削：砂帶粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂帶磨削：砂帶粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。3.2.3超精密磨料加工6/6/2023

精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分類游離磨料加工磨料或微粉不是固結(jié)在一起，而是成游離狀態(tài)。傳統(tǒng)方法：研磨和拋光新方法：磁性研磨、彈性發(fā)射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。6/6/2023

精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料及其選擇6/6/2023

精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料粒度及其選擇多選用180?！?40＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各種粒度的微粉。結(jié)合劑及其選擇將磨料粘合在一起，形成一定的形狀，并有一定的強度。樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑組織和濃度及其選擇普通磨具中磨料的含量用組織表示，超硬磨具中磨料的含量用濃度表示。成形磨削、溝槽磨削、寬接觸面平面磨削選用高質(zhì)量濃度；半精磨、精磨選用細(xì)粒度、中質(zhì)量濃度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削選用細(xì)粒度、低質(zhì)量濃度。6/6/2023

精密磨削一、精密磨削機理微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑擠、摩擦、拋光作用6/6/2023

精密磨削四、精密磨床

精密磨削要在精密磨床上進(jìn)行。精密磨床應(yīng)滿足的要求：

1、高幾何精度：主要有砂輪主軸回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌平直度，以保證工件的幾何形狀精度要求，主軸軸承一般采用動壓和動靜壓組合軸承。

2、低速進(jìn)給運動的穩(wěn)定性：要求無爬行和沖擊現(xiàn)象，能平穩(wěn)工作。特殊設(shè)計液壓系統(tǒng)，采取排除空氣、低流量節(jié)流閥、工作臺導(dǎo)軌壓力潤滑。

3、減少振動

1）電動機的轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行動平衡，電動機與砂輪架之間進(jìn)行隔振；

2）砂輪要進(jìn)行動平衡；

3）精密磨床最好安裝在防振地基上。6/6/2023

精密磨削五、磨削用量砂輪速度一般在15～30m/s一般在6～12m/min工作速度工件縱向進(jìn)給量一般為50～100mm/min或0.06～0.5mm/r橫向進(jìn)給量（吃刀量）一般取0.6～2.5μm/單行程橫向進(jìn)給次數(shù)一般約2～3次（單行程）光磨（無火花磨削）粗粒度砂輪精細(xì)修整后，光磨次數(shù)采用5～8次細(xì)粒度砂輪精細(xì)修整后，光磨次數(shù)采用10～25次。6/6/2023

超精密研磨拋光的主要新技術(shù)液中研磨

將超精密拋光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨劑中進(jìn)行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游離的微細(xì)磨粒進(jìn)行研磨加工，并對磨粒作用部分所產(chǎn)生的熱還有極好的冷卻效果，對研磨時的微小沖擊也有緩沖效果。6/6/2023機械化學(xué)研磨

機械化學(xué)研磨加工是利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行機械研磨，有濕式和干式兩種。濕式條件下的機械化學(xué)研磨，用于硅片的最終精加工，研磨劑含有0.01μm大小的SiO2磨粒的弱堿性膠狀水溶液，而與它相配合的研具是表層由微細(xì)結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)發(fā)泡聚氨基申酸涂敷的人造革。

干式條件下的機械化學(xué)研磨，是利用工件與磨粒之間生成化學(xué)反應(yīng)的研磨方法。干式條件下的微小范圍的化學(xué)反應(yīng)有利于加工的進(jìn)行，由于0.01～0.02粒徑的SiO2磨粒有較強的化學(xué)活性，研磨量較大。6/6/2023磁流體精密研磨

磁性流體為強磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸（<0.015μm）的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動性，特性是：每一個粒子的磁力矩較大，不會因重力而沉降，磁化強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。6/6/2023磁流體精密研磨

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。研磨裝置由研磨加工部分、驅(qū)動部分和電磁部分組成。磨?？刂剖郊庸な窃谘心ゾ叩目锥磧?nèi)預(yù)先放磨粒，通過磁流體的作用，將磨料逐漸輸送到研磨盤上。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。6/6/2023磁力研磨

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劑，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對運動下，實現(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，而且還可以對凸凹不平的復(fù)雜曲面進(jìn)行研磨。6/6/2023軟質(zhì)磨粒機械拋光（彈性發(fā)射加工）

最小切除可以達(dá)到原子級，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。加工原理實質(zhì)是磨粒原子的擴(kuò)散作用和加速的微小粒子彈性射擊的機械作用的綜合效果。真空中帶靜電的粉末粒子加速法、空氣流或水流來加速。6/6/2023化學(xué)機械拋光

化學(xué)機械拋光是一種利用研磨液的腐蝕作用和磨粒的機械作用雙重作用的研磨方法。腐蝕研磨液如氧化鐵和硫酸或鹽酸的水溶液，Mn－Zn鐵氧體磨粒和鹽酸水溶液等。6/6/2023水合拋光

是一種利用在工件界面上生成水合化學(xué)反應(yīng)的研磨方法，其主要特點是不使用磨粒和加工液，而加工裝置又與當(dāng)前使用的研磨盤或拋光機相似，只是在水蒸氣環(huán)境中進(jìn)行加工。機制：在拋光過程中，兩個物體產(chǎn)生相對摩擦，在接觸區(qū)產(chǎn)生高溫高壓，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或過熱的水作用其界面，使之在界面上形成水合化學(xué)反應(yīng)層，然后借助過熱水蒸汽或在一個大氣壓的水蒸汽環(huán)境條件下利用外來的摩擦力，從工件表面上將這層水合層分離、去除，從而實現(xiàn)鏡面加工。6/6/20231精密和超精密機床發(fā)展概況及典型機床簡介2精密主軸部件3床身和精密導(dǎo)軌部件4進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)5機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)6機床的穩(wěn)定性和減振隔振7減少變形和恒溫控制3.2.4超精密加工設(shè)備6/6/2023第1節(jié)精密和超精密機床發(fā)展概況

精密機床是實現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件。1）美國：50年代首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。2）英國：1991研制成功大型超精密機OAGM2500。3）日本：現(xiàn)在在中小型超精密機床生產(chǎn)上已經(jīng)具有一定的優(yōu)勢，甚至超過了美國。4）中國：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

一、發(fā)展概況6/6/2023OAGM2500LODTM6/6/2023二、典型機床簡介Moore車床由Moore3型坐標(biāo)測量機改造而成。采用臥式主軸，三坐標(biāo)精密數(shù)控，消振和防振措施，加強恒溫控制等。M-18AG型超精密非球面車床，采用空氣靜壓軸承主軸、氣浮導(dǎo)軌、雙坐標(biāo)雙頻激光測量系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，有恒溫油澆淋機和空氣隔振墊支承。6/6/2023二、典型機床簡介Pneumo

公司的MSG-325超精密車床

采用T形布局，機床空氣主軸的徑向圓跳動和軸向跳動均小于等于0.05μm。床身溜板用花崗巖制造，導(dǎo)軌為氣浮導(dǎo)軌；機床用滾珠絲杠和分辨率為0.01μm的雙坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動，用HP5501A雙頻激光干涉儀精密檢測位移。6/6/2023二、典型機床簡介大型光學(xué)金剛石車床LODTM

機床采用立式結(jié)構(gòu)，采用止推軸承，7路高分辨力雙頻激光測量系統(tǒng)，4路激光檢測橫梁上溜板的運動，3路激光檢測刀架上下運動位置，使用在線測量和誤差補償，各發(fā)熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。6/6/2023二、典型機床簡介OAGM2500大型超精密機床機床的x和y向?qū)к壊捎靡后w靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，用精密數(shù)控驅(qū)動，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測運動位置。6/6/2023二、典型機床簡介AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動的高精度轉(zhuǎn)臺，借助三軸精密數(shù)控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承，刀架、設(shè)計滑板結(jié)構(gòu)，直線移動分辨力0.01μm，激光測量反饋，定位精度全行程0.03μm。加工模具形狀精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm6/6/2023第2節(jié)精密主軸部件一、液體靜壓軸承主軸主軸回轉(zhuǎn)精度回轉(zhuǎn)精度——在主軸空載手動或機動低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。影響回轉(zhuǎn)精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。關(guān)鍵在于精密軸承。6/6/2023（一）滑動軸承的分類按滑動軸承工作時軸瓦和軸頸表面間呈現(xiàn)的摩擦狀態(tài)，滑動軸承可分為:液體摩擦軸承非液體摩擦軸承液體動壓潤滑軸承液體靜壓潤滑軸承按滑動軸承承受載荷的方向可分為:徑向滑動軸承（向心）推力滑動軸承（止推）6/6/2023根據(jù)潤滑膜的形成原理不同分為：動壓潤滑軸承利用相對運動副表面的相對運動和幾何形狀，借助流體粘性，把潤滑劑帶進(jìn)摩擦面之間，依靠自然建立的流體壓力膜，將運動副表面分開的潤滑方法為流體動壓潤滑。靜壓潤滑軸承在滑動軸承與軸頸表面之間輸入高壓潤滑劑以承受外載荷，使運動副表面分離的潤滑方法成為流體靜壓潤滑。6/6/2023徑向軸承（向心軸承）徑向軸承的受力Fr與軸的中心線垂直止推軸承（推力軸承）止推軸承受力Fa與軸的中心線平行FrFa軸承座徑向軸瓦止推軸瓦6/6/2023第2節(jié)精密主軸部件雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調(diào)心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。6/6/2023第2節(jié)精密主軸部件前部用球形后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸6/6/2023第2節(jié)精密主軸部件立式空氣軸承6/6/2023三、超精密機床主軸和軸承的材料第2節(jié)精密主軸部件1）不易磨損。用多孔石墨作空氣軸承套。2）不易生銹腐蝕。3）熱膨脹系數(shù)小，且主軸和軸套的熱膨脹系數(shù)要接近。4）材料的穩(wěn)定性好。38CrMoAl氮化鋼，經(jīng)表面氮化和低溫穩(wěn)定處理，不銹鋼和多孔石墨和軸承鋼。此外：銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷。6/6/2023四、主軸的驅(qū)動方式第2節(jié)精密主軸部件1）電動機通過帶傳動驅(qū)動2）電動機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動3）采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)速高，目前最高可達(dá)200000r/min。其缺點是電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內(nèi)裝式電機主軸的關(guān)鍵問題

6/6/2023車床用電主軸銑床用電主軸6/6/2023第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件二、床身和導(dǎo)軌的材料

鑄鐵——成本低有良好減振性和耐磨性易于鑄造和切削加工導(dǎo)軌常用的鑄鐵——灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵灰鑄鐵應(yīng)用最多的牌號是HT200

常用的孕育鑄鐵牌號是HT300

耐磨性高于灰鑄鐵，但較脆硬，不易刮研，且成本較高。常用于較精密的機床導(dǎo)軌耐磨鑄鐵中應(yīng)用較多的是高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵及釩鈦鑄鐵與孕育鑄鐵相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本較高常用于精密機床導(dǎo)軌優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵6/6/2023第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件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。人造花崗巖由花崗巖碎粒用樹脂粘結(jié)而成，可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。6/6/2023第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件五、液體靜壓導(dǎo)軌工作原理:具有一定壓力的潤滑油，經(jīng)節(jié)流器輸入到導(dǎo)軌面上的油腔，即可形成承載油膜，使導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)。優(yōu)點:導(dǎo)軌運動速度的變化對油膜厚度的影響很??；載荷的變化對油膜厚度的影響很小；液體摩檫，摩檫系數(shù)僅為0.005左右，油膜抗振性好。缺點：導(dǎo)軌自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；需要增加一套供油系統(tǒng)；對潤滑油的清潔程度要求很高。主要應(yīng)用：精密機床的進(jìn)給運動和低速運動導(dǎo)軌6/6/2023第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件六、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌常用平導(dǎo)軌，運動導(dǎo)軌的底平面和兩側(cè)導(dǎo)軌有壓縮空氣，使滑板或工作臺浮起，工作臺的浮起是氣浮作用，但側(cè)面是氣體靜壓作用。美國Pneumo公司的MSG－325使用氣浮導(dǎo)軌。6/6/2023第3節(jié)床身和精密導(dǎo)軌部件六、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌空氣靜壓導(dǎo)軌運動件的導(dǎo)軌面，上下、左右均在靜壓空氣的約束下，比氣浮導(dǎo)軌的剛度和運動精度高。靜壓空氣的節(jié)流方式：多孔石墨節(jié)流、小孔節(jié)流、毛細(xì)管節(jié)流、狹縫節(jié)流、表面節(jié)流。靜壓空氣壓力4～6大氣壓。6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動。

6/6/2023

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進(jìn)電機等）和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運動。第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)位置控制模塊速度控制單元伺服電機

工作臺

位置檢測測量反饋伺服驅(qū)動裝置指令速度環(huán)位置環(huán)速度檢測一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)一、數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的基本要求1、位移精度高2、穩(wěn)定性好3、快速響應(yīng)4、調(diào)速范圍寬5、低速大扭矩6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)二、精密數(shù)控系統(tǒng)對超精密機床，刀具和工件的z向和x向運動以及加工非球曲面的精密回轉(zhuǎn)工作臺都是由精密數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制的。精密數(shù)控系統(tǒng)通過直流伺服電機或交流伺服電機，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測z向和x向的位移反饋給精密數(shù)控系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到要求的位移精度。6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)三、滾珠絲杠副驅(qū)動進(jìn)給的驅(qū)動元件，滾珠在絲杠和螺紋槽內(nèi)滾動，摩擦力小，且滾珠在螺母內(nèi)有再循環(huán)通道。滾珠絲杠副要求正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)沒有回程間隙，要求滾珠絲杠和螺母間有一定的預(yù)載過盈。精密級和高精密級滾珠絲杠的螺母常做成兩段組合。為減小滾珠絲杠的徑向圓跳動和軸向跳動對導(dǎo)軌直線運動的影響，采用螺母和工作臺柔性連接，即螺母裝在柔性的過渡連接塊上再和工作臺固定。6/6/2023第4節(jié)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)四、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅(qū)動提高進(jìn)給運動的平穩(wěn)性。液體靜壓軸承的間隙大，氣體靜壓軸承的間隙小。6/6/2023第5節(jié)機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)一、激光在線檢測系統(tǒng)的工作原理

超精密機床的工件的形狀由機床的兩坐標(biāo)（z向和x向）的精密數(shù)控系統(tǒng)來控制工件和刀具的相對位置。精密數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在采用閉環(huán)控制，即機床的運動部件的位移用裝在機床內(nèi)部的雙頻激光干涉測距系統(tǒng)隨機精確檢測，將數(shù)據(jù)反饋給精密數(shù)控系統(tǒng)，保證位移運動的高精度。6/6/2023第5節(jié)機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)三、三坐標(biāo)測量機激光位移測量系統(tǒng)6/6/2023第5節(jié)機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)二、MSG－325超精密機床的激光檢測系統(tǒng)美國HP公司生產(chǎn)的HP5501兩坐標(biāo)雙頻激光干涉測量系統(tǒng)。主軸箱作z向運動，刀架作x向運動。激光測量系統(tǒng)的分辨率為0.01微米，大部分激光光路采用封閉。6/6/2023第5節(jié)機床運動部件位移的激光在線檢測系統(tǒng)四、LODTM大型光學(xué)金剛石車床激光測量系統(tǒng)6/6/2023第6節(jié)機床的穩(wěn)定性和減振隔振一、機床的穩(wěn)定性1、各部件的尺寸穩(wěn)定性好

1）采用尺寸穩(wěn)定性好的材料制造機床部件；

2）各部件經(jīng)過消除應(yīng)力；2、結(jié)構(gòu)剛度高，變形小

1）結(jié)構(gòu)剛度高、變形量極小，基本不影響加工精度；

2）各接觸面和聯(lián)接面的接觸良好，接觸剛度高，變形極小。6/6/2023第6節(jié)機床的穩(wěn)定性和減振隔