《精密和超精密加工技术配套教学课件第3版袁哲俊 第1章精密和超精密加工技术及其发展展望》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密和超精密加工技术配套教学课件第3版袁哲俊 第1章精密和超精密加工技术及其发展展望（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 1发展精密和超精密加工技术的重要性1 2超精密加工技术的现状1 3超精密加工技术发展展望 2020 4 21 第1章精密和超精密加工技术及其发展展望 2020 4 21 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段 通常 按加工精度划分 可将机械加工分为一般加工 精密加工 超精密加工三个阶段 精密加工 加工精度在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之间的加工方法称为精密加工 超精密加工 加工精度高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m的加工方法称为超精密加工 微细加工 超微细加工 光整加工 精整加工等 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 一 精密和超精密加
2、工 2020 4 21 提高制造精度后可提高产品的性能和质量 提高产品稳定性和可靠性 促进产品小型化 增强零件的互换性 提高装配生产率 并促进自动化装配 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 二 提高加工精度的原因 2020 4 21 对于导弹来说 具有决定意义的是导弹的命中精度 而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的 制造惯性仪表 需要有超精密加工技术和相应的设备 美国民兵 型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0 03 0 05 h 其命中精度的圆概率误差为500m 而MX战略导弹 可装载10个核弹头 制导系统陀螺仪精度比民兵 型导弹高出一个数量级 从而保证命中精度的圆概率误差只有50 150m 惯
3、性仪表中有许多零件的制造精度都要求达到小于微米级 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 1超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位 三发展超精密加工的重要性 2020 4 21 人造卫星的仪表轴承是真空无润滑的轴承 其孔和轴的表面粗糙度达到Rz1nm 其圆度和圆柱度误差均以nm为单位 雷达的关键元件波导管 其品质因数与内表面的粗糙度有很大关系 内腔表面粗糙度值越小越好 其端面要求有很小的表面粗糙度 垂直度和平面度值 采用超精密车削 波导管内腔表面粗糙度可达Ra0 01 0 02 m或 0 01 m 端面粗糙度可达Ra 0 01 m 平面度 0 1 m 垂直度 0 1 m
4、 可使波导管的品质因数值达到6000 而用一般方法生产的只能达到2000 4000 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 1超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位 三发展超精密加工的重要性 2020 4 21 已被美国航天飞机送入空间轨道的 用来摄制亿万公里远星球图像的哈勃望远镜HST HubbleSpaceTelescope 其一次镜要求使用直径2 4m 重达900kg的大型反光镜 并且具有很高的分辨率 为此 专门研制了超精密加工 形状精度为0 01 m 光学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机 据英国劳斯莱斯公司的资料 若将飞机发动机转子叶片的加工精度由60 m提高到12
5、 m 而加工表面粗糙度Ra由0 5 m减小到0 2 m 则发动机的压缩效率将从89 提高到94 传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的3 6 m降低到1 m 则单位齿轮箱重量所能传递的转矩将近提高一倍 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 1超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位 三发展超精密加工的重要性 2020 4 21 集成电路的发展要求电路中各种元件微型化 使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件 以形成功能复杂和完备的电路 因此 提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度 就成了提高集成电路集成度的技术关键 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 2大规
6、模集成电路的发展 促进了微细工程的发展 并且密切依赖于微细工程的发展 表1 1集成度与最小线条宽度 2020 4 21 目前工业发达国家都在发展微细加工技术 为减小集成电路的 线宽 而奋斗 美国IBM公司用扫描探针显微镜 SPM 光刻 在Si表面加工出宽度为10nm的线条 这10nm的线宽还不是SPM光刻加工最小极限 还有可能加工出更小的线宽 新技术在精密加工中的应用 增添了多种精密加工的新原理和新方法 如3D打印技术现在已能制造金属精密零件 这些都极大地丰富了精密和超精密加工的内容 当代各类加工方法所能达到的精度 及其发展趋势预测如图1 1所示 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 2大规
7、模集成电路的发展 促进了微细工程的发展 并且密切依赖于微细工程的发展 2020 4 21 可见精密工程正在向其终极目标 原子级 亚纳米级 精度的加工逼近 也就是做到 移动原子 美国已将纳米技术列为21世纪科技发展的3项重中之重的项目之一 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 2大规模集成电路的发展 促进了微细工程的发展 并且密切依赖于微细工程的发展 图1 1各类加工方法所能达到的精度及其发展趋势预测 2020 4 21 服役的哈勃望远镜 狮子座螺旋星系 宇宙深处的星体 银河系环形星群 2020 4 21 我国当前不少精密机电产品尚靠进口 有些精密产品靠老工人手艺 因而废品率极高 某些精密机电
8、产品我国虽已能生产 但其中的核心关键部件仍需依靠进口 如飞机的发动机还需进口 进口的大部分为高档精密数控机床 而出口的则是低精度廉价的简单机床 当前 某些大型精密机械和仪器国外还对我国禁运 这些都说明我国必须大力发展精密和超精密加工技术 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 3现代超精密加工不仅必须达到极高的加工精度和表面质量 同时应该保证成本低 效率高 成品率高 这对精密和超精密加工提出了更加严格的要求 2020 4 21 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 四精密和超精密加工目前包含三个领域超精密切削超精密金刚石刀具切削精密和超精密磨削 研磨和抛光大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁
9、盘等的加工精密特种加工电子束 离子束加工 美国生产的超大规模集成电路最小线宽现已达到0 1 m 实验室中线宽已达0 01 m 2020 4 21 超精密切削加工技术发展到今天 已经获得了重大的进展 超精密切削加工已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题 而成为一项包含内容极其广泛的系统工程 实现超精密切削加工 不仅需要超精密的机床设备和刀具 也需要超稳定的环境条件 还需要运用计算机技术进行实时检测 反馈补偿 只有将各个领域的技术成就集结起来 才有可能实现超精密切削加工 1 2超精密加工技术的现状 一超精密加工技术的新发展 2020 4 21 金刚石刀具的超精密切削加工技术 主要应用于两个方面
10、 单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术 单件大型零件的超精密金刚石刀具切削 以美国最为发达 居于世界领先地位 其最高水平是LLL实验室 LawrenceLivermoreLaboratory 在1983年研制的第三号大型超精密金刚石车床 DTM 3型 该机可加工 2100mm 质量为4500kg的工件 和在1984年研制的大型光学金刚石车床LODTM 可加工 1625mm 质量为1360kg的非球面工件 其加工精度可达0 025 m 表面粗糙度达到Ra0 0045 m 1 2超精密加工技术的现状 一超精密加工技术的新发展 2020 4 21 大量生产的中小型
11、超精密零件大多是感光鼓 磁盘 光盘 多面镜 以及平面 球面或非球面的光学和激光透镜 反射镜等 材料多为铜 铝及其合金 非电解镀镍层 进而扩展至塑料及硬脆材料 间或有铁氧体材料加工 最近也有用CBN精车黑色金属的报道 这些零件的加工精度可用表1 2说明 1 2超精密加工技术的现状 一超精密加工技术的新发展 2020 4 21 1 2超精密加工技术的现状 一 超精密加工技术的新发展 表1 2中小型精密零件的加工精度 超精密切削加工是一项内容广泛的新技术 它的加工精度和表面质量是由所使用的超精密机床设备 金刚石刀具 切削加工工艺 计量和误差补偿技术 操作者的技术水平 环境支撑条件等多种因素影响的综合
12、结果 下面对其中几个主要方面的情况予以说明 2020 4 21 超精密机床是实现超精密切削的首要条件 各国都投入了大量人力 物力研制超精密切削用机床 目前水平最高的是美国 其代表作是DTM 3型大型超精密车床和大型光学金刚石车床LODTM 为实现超精密位置的确定 采用了精密数字伺服方式 控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪 实现随机测量定位 为了实现刀具的微量进给 在DC伺服机构内装有压电式微位移机构 可实现纳米级微位移 该车床还采用了压电晶体误差补偿技术 使加工精度达到0 025 m 该机床可用于加工平面 球面及非球面 用于加工激光核聚变工程的零件 红外线装置用零件以及大型天体望远镜
13、二 超精密切削的机床设备 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 在欧洲以具有研究开发超精密金刚石切削加工机械传统的Philips公司的中央研究所为中心 研究开发CNC超精密金刚石车床COLATH 1978年以后用于本公司高精度零件的加工 英国Cranfield公司与BritishScienceandEngineeringResearchCouncil SERC 签订合同 研制开发X射线天体望远镜用大型超精密机床OAGM2500 机床于1991年研制成功 工作台2500mm 2500mm 可用于超精密车削 磨削和坐标测量 使用性能良好 二 超精密切削的机床设备 1 2超精密加工技术的现
14、状 2020 4 21 日本大型超精密金刚石切削机床的研究与开发 远远落后于欧美 至今未见有关的报道 日本有关方面正大声疾呼在这方面积极赶超欧美 我国北京机床研究所于1987年研制成功加工球面的JSC 027空气静压轴承超精密车床 1998年研制成加工直径800mm的NAM 800型CNC超精密金刚石车床和加工平面的SQUARE 200型等超精密铣床 北京航空精密机械研究所研制成功空气静压主轴的超精密车床和金刚石镗床 二 超精密切削的机床设备 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 我国的这些超精密机床虽已达到较高水平 但和国外比还有差距 现在还没有加工直径1m以上的大型超精密机床此外
15、 精密空气静压主轴 微位移机构 精密CNC伺服系统 机床热变形和结构稳定性等关键部件和关键技术都还需要研究提高 二 超精密切削的机床设备 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 金刚石刀具是超精密切削中的关键 金刚石刀具有两个比较重要的问题 一是晶面的选择 这对刀具的使用性能有着重要的影响 再就是金刚石刀具的研磨质量 切削刃钝圆半径rn 它关系到切削变形和最小切削厚度 因而影响加工表面质量金刚石晶体是各向异性的 用于制造刀具时需要晶体定向 三 金刚石刀具和超精密切削机理的研究 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 超精密切削中 切削刃的实际切削厚度与名义切削厚度不相同 有一个
16、差值 实际切削厚度又称有效切削厚度 切削厚度小过一定界限就不能正常切削 能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度 最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径 切削刃钝圆半径越小 则最小切削厚度越小 三 金刚石刀具和超精密切削机理的研究 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 超精密切削机理的某些方面 如各种因素对金刚石刀具磨损的影响 最小切削厚度 积屑瘤的生存规律等有一定的特殊性 过去研究较少研究这些问题对提高切削加工表面质量 减少变质层和减少表面残留应力等有直接影响 最近黑色金属的超精密切削正在研究 有用金刚石刀具的 也有用CBN刀具的 目前还在实验室研究阶段 三 金刚石刀具和超精密切削机理的研究 1 2超精密加工技术的现状 2020 4 21 工件材料对超精密切削有重要影响 其主要原因有 表面出现不纯物 造成不规则的空穴和划伤 结晶的晶界出现阶梯 加工工件有残留变形和残留应力 对金刚石刀具的亲和性 产生黏结现象等 由于晶体材料的各向异性 影响切削变形和加工表面质量 为解决这些问题 可以采用高纯度合金元素 例如99 99 Al等 在高真空中熔解铸造 用极高速度使铸件冷却
