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1、 先进制造技术青岛科技大学机电学院精密与超精密加工技术1主要内容n精密与超精密加工概念n精密、超精密加工设备n加工工具和被加工材料n主要加工方法n精密、超精密加工环境n超精密加工发展趋势21. 概念n按加工精度，可将机械加工分为一般加工、精密加工、 超精密加工。n精密加工：加工精度（包括尺寸精度和形位精度）在0.1 1m，表面粗糙度Ra小于0.1m的加工技术；n超精密加工：加工精度小于0.1m，表面粗糙度Ra小于 0.025m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高 于0.01m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且 正在向纳米级加工技术发展。 3超精密加工是以高精度为目标的技术，必须综合应
2、用各种 新技术、且在各方面要求精益求精。实现超精加工的主 要条件包括以下各方面高新技术：n（1）超精密加工机床与装、夹具；n（2）超精密切削刀具、刀具材料、刀具刃磨技术；n（3）超精密加工工艺；n（4）超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制 等）n（5）超精密加工的测控技术。42. 超精密加工的发展、应用n超精密加工技术是在20世纪50年代初美国用单刃金刚石车刀镜 面切削铝合金和无氧铜开始的。n1977年日本精机学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的 要求，对机床的加工精度标准提出补充IT1和IT2两个等级 （见下表），比原来最高精度等级IT0提高了很多。精度等级/mIT2IT1IT0
3、IT-1IT-2零件尺寸精度2.51.250.750.30.25 圆度0.70.30.20.120.06 圆柱度1.250.630.380.250.13 平面度1.250.630.380.250.13 表面粗糙度0.20.070.050.030.01 机 床主轴跳动0.70.30.20.120.06 运动直线度1.250.630.380.250.135n近年来，超精密加工精度从0.1m提高到0.01m。随 着大规模集成电路的发展及微机械的要求，人们期望达 到甚至突破0.01m的加工精度，使超精密加工技术从亚 微米级向纳米级发展。n1980年，美国国防部空军兵器研究所和LLNL实验室提 出了PO
4、MA精度提高计划：将直径800mm的大型非球面 反射镜的形状精度由1.5m提高到0.1m数量级以上。n当前已经有了纳米级加工记录，但还只是一种实验阶段 的实验数据，用机械去除法加工还不能超越0.01m的界 限。6n近年来，超精密加工技术的应用呈每年翻一番的增长率，这标志着精 密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体。图1为精密 与超精密加工的应用。图173. 超精密加工方法机理n根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可分为去 除加工、结合加工和变形加工三大类。图2 超精密加工方 法、机理84 精密、超精密加工设备n加工机床是实现精密、超精密加工的首要条件。 要实现超微量切削，必须配
5、有微量移动工作台的 微进给驱动装置和满足刀具角度微调的微量进给 机构，并能实现数字控制。n（1）主轴及其驱动装置：主轴是超精密机床的 圆度基准，要求极高的回转精度，范围为0.02 0.1m；还要有相应的刚度以抵抗受力变形。主轴广泛 采用空气静压轴承，主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性 联轴节驱动的系统。9n（2）导轨及其驱动装置：导轨是超精密机床的直线性 基准，精度要求达到0.020.2m。有滑动导轨、滚动 导轨、液体静压导轨、空气静压导轨，用的最多的是液 体静压导轨、空气静压导轨。利用静压支撑的摩擦驱动 。n（3）微量进给装置：用于刀具微量调整，保证零件尺寸 精度。有机械式、弹性变形式、热变形式
6、、电致伸缩式 、微致伸缩、流体膜变形微量进给装置。105 加工工具和被加工材料n加工工具主要是刀具、磨具及其刃磨、修整装置：n（1）切削加工：n刀具材料：金刚石、立方氮化硼、陶瓷等n（2）磨削加工：n主要磨具：金刚石、立方氮化硼（CBN）等粉末砂轮n其修整比较困难n（3）研磨和抛光：n为获得高精度和低表面粗糙度，采用铸铁、聚酯、呢毡 等材料作为研具或抛光器，采用金刚石、CBN、铬刚玉 、氧化铝等磨料。11n被加工材料n工件材料的化学成分、物理性能、熔炼、塑性加工、 热处理等工艺都有严格要求；n金属材料各金属元素必须混合均匀，通过正确的热处 理控制晶粒细化；n材料必须无气泡，加工后残余应力小，能
7、长期保持尺 寸精度稳定性。126. 超精密加工的主要加工方法要求如下：n（1）高精度：包括高的静精度和动精度，主要性能指标 有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。n（2）高刚度：包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外 ，还应注意接触刚度，同时应考虑工件、车床、刀具、夹 具所组成的工艺系统刚度。n（3）高稳定性：机床在使用过程中应能长时间保持精度 、抗干扰、稳定工作，应具有良好的耐磨性、抗振性等。n（4）高自动化：为保证加工质量，减小人为因素影响， 加工设备多用数控系统实现自动化。13超精密切削n主要借助于锋利的金刚石刀具对工件进行车削和 铣削，用于加工要求高表面质量和高形状精度的 有色金
8、属和非金属零件。n超精密车削可达Ra0.05m粗糙度和0.1m非球面 形状精度。14n镜面加工大直径 光学镜头；n双立柱立式车床 结构；n六角刀盘驱动；n分辨力： 0.7nm；n定位误差： 0.0025m;n低热膨胀材料组 合技术，恒温液 体冷却，液体温 度控制在 200.0005美国Lawrence Livemore 实验室和美国空 军合作研制出的大型光学金刚石超精密车床15n美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究， 下图为日本一台比较理想的盒式超精密立式车床。图3 16超精密磨削n在一般精密磨削基础发展而来；n提供镜面级的表面粗糙度，保证精确的几何形状 和尺寸。n加工对象：玻
9、璃、陶瓷等脆硬材料。n砂轮修整技术非常关键，砂轮表面容易被切屑堵 塞。n加工精度：0.01m圆度、0.1m尺寸精度、 Ra0.005m表面粗糙度的圆柱形零件。n图例：英国四面体超精密磨床1718超精密研磨、抛光n研磨、抛光均是利用研磨剂使工件和研具之间通过 复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。n超精密研磨加工方法包括：机械研磨、化学机械研 磨、浮动研磨、弹性发射加工、磁力研磨。n球面度：0.025m；Ra0.003m，弹性发射加工 可达Ra0.5nm。1920n机械零件外圆超精研机n3MZ系列超精研机以无心贯穿方 式对轴承套圈、圆柱滚子、圆锥 滚子、滚针、油针、柱塞、阀芯 等外表面进行超
10、精加工。n本设备可在磨削的基础上显著改 善表面质量，提高几何精度，具 有高效率、高精度、高可靠性等 特点，广泛应用于轴承、汽车、 摩托车、油泵油嘴、液压件等行 业，尤其适用于圆柱和圆锥滚子 的凸度超精，通过导辊的特别设 计与加工，可获得对数型、圆弧 全凸型等多种滚子凸度形式。 21型号3MZ62303MZ62053MZ61303MZ6312加工对象圆柱凸度滚子滚针凸度圆锥滚子凸度外圆加工范围（mm）6352.55630 6120圆度改善率（%）30%粗糙度（Ra/m）0.080.04,超前为0.20.1凸度量（m）20315直素线振荡频率（r/min ）2000 （无极调速）振荡幅度（mm）0
11、4 （无极调速）导辊转速（r/min ）250 （无极调速）气动系统最大压力 （Mpa）0.6外形尺寸（mm）186018001760净重（Kg）320022n无锡华康机床厂 237 加工环境n要求恒温、恒湿、洁净、隔绝振动n（1）洁净度：在高洁净室内进行加工，无灰尘。通常要 求洁净度为100级（每立方英尺空气内大于0.5m的灰 尘粒不超过100个）以上的洁净室。n（2）温度：环境温度控制在200.06之间。n（3）湿度：在4050RH之间。低于40，会产 生静电，高于50会生锈。n（4）气流和压力：室内气流以均匀速度向同一个方向流 动；室内压力高于室外，保持正压。n（5）振动：带防振沟的隔振
12、地基；把机床放在地下室； 使用隔振气垫。248 发展趋势n不断探索新型超精密加工方法的机理。n向高精度、高效率方向发展。n研究开发加工、测量一体化技术。n在线测量与误差补偿。n新材料研制。n向大型化、微型化方向发展，分别满足航天、 MEMS需要25超高速加工技术n超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过 极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除 率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 n 超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、 不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速 切削各种材料的切速范围为：n铝合金已超过1600m/min，n铸铁为1500m/min，n超耐热镍合金达300m/m
13、in，n钛合金达1501000m/min，n纤维增强塑料为20009000m/min。一、技术概述 26n各种切削工艺的切速范围为：n车削7007000m/min，n铣削3006000m/min，n钻削2001100m/min，n磨削250m/s以上等等。n超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机 理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给 单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技 术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。 27n 工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平 高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有 德国、日本、美国、意大利等。 n在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超
14、高 速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术 是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床 和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。 n目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高 速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚 石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立 方氮化硼（CBN）。 二 现状及国内外发展趋势 28n切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的 12m/min提高到1200m/min以上。n砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等， 美国GE公司50年代首先在金刚石人工合成方 面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。n90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂 轮线速度可达1
15、25m/s，有的可达150m/s，而 单层电镀CBN砂轮可达250m/s。n因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断 发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃 至超声速加工的出现不会太遥远了。 29n在超高速切削技术方面，1976年美国的Vought 公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了 20000rpm。n特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业 大学生产工程与机床研究所（PTW）从1978年 开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金 属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组 织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该 项研究工作，自八十年代中后期以来，商品化的 超高速
16、切削机床不断出现，超高速机床从单一的 超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至 各种高速加工中心等。30n瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床 。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最 高转速达3600040000r/min，工作台快速移 动速度为3640m/min。采用直线电机的美国 Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给 移动速度为60m/min。 31n 在高速和超高速磨削技术方面，人们开发了高速、超高 速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削（即HEDG ）、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削， 这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及 应用。 n德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时 世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床，Vs达 到140160m/s。n德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方 面取得了世界公认的高水平成果，并积极在
