精密与超精密加工5

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1、超精密加工技术超精密加工技术是指：被加工零件的尺寸精度高于 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。超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量 技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境条件等。精密加工磨料精密加工一、研磨 IT5IT3, Ra值0.10.008 m磨料精密加工研磨剂：1.磨料：机械切削作用（氧化铝、碳化硅、金刚石 W14W5 ）2.研磨液：冷却、润滑作用（煤油、汽油、机油）3.辅助填料：使金属表面产生

2、极薄、较软的化合物薄膜（硬脂酸、油酸）研具：1.比工件材料软2.涂敷、镶嵌磨料3.用铸铁、软钢、紫铜、塑料或硬木制造（铸铁常用）精密加工磨料精密加工研磨的特点及应用1. 可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度2. 可提高零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳强度和使用寿命3.研磨所用的设备和研具简单，成本低4. 研磨生产率低，余量不应超过0.010.03mm5. 应用范围广（表面、材料）精密加工磨料精密加工二、珩磨IT6IT4, Ra值0.20.025 m精密加工磨料精密加工珩磨的特点及应用1.可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度2.可提高零件的耐磨性3.珩磨效率高4.不宜加工有色金属精密加工磨

3、料精密加工三、挤压珩磨Ra值0.025 m精密加工磨料精密加工挤压珩磨的特点及应用1.对工件材料适应性广（淬火、不淬火钢，铸铁、有色金属、陶瓷、硬塑料）2.珩磨各种模腔、异形孔、交叉孔、齿轮齿面、三维叶片3.易于实现自动化，提高加工效率精密加工复合超精加工Ra值0.20.012 m精密加工磨料精密加工复合超精加工的工艺特点及工艺1.设备简单，也可用通用机床改装，自动化程度高，操作简便2.加工余量极小（210um）3.加工表面耐磨性好4.生产率高精密加工精密镜面磨削l主要靠精密磨床的精度来保证,可以达到亚 微米级精度,在某些超精密磨床上可以磨出数 十纳米精度的工件.l使用细磨粒可以得到RA=0.

4、10.05微米的 磨削表面,最近出现的在线电解修磨砂轮ELID 可以得到0.010.002微米的镜面精密研磨和抛光l使用超细粒度的自由磨料,在研具的作用和 带动下冲击加工表面,使产生压痕和微裂纹,依 次去除表面的微细突出处达到 RA=0.010.002的镜面l研磨过程中一般都加入了化学活性剂,实际 上是机械和化学的复合作用的加工过程.l在超精密加工中应用广泛,即可以得到很高 的表面精度还可以得到很高的平面度.还大量 应用于曲面的最终加工.在线电解修整砂轮镜面磨削技术lELID(Electrolytic In-Process Dressing)磨削是在 磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结

5、合 剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用 的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨 粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳 的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨 削。ELID磨削技术以其效率高、精度高、表面质量 好、加工装置简单及加工适应性广等特点，在日本 已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领 域。 在线电解修整砂轮镜面磨削技术lELID磨削原理如图所示。金属结合剂超硬磨料砂 轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，在砂 轮和电极的间隙中通过电解磨削液，利用电解过程 中的阳极溶解效应，对砂轮表层的金属基体进行电 解去除，从而逐渐露出崭新锋利的磨粒，形成对砂 轮

6、的修整作用：同时形成一层钝化膜附着于砂轮表 面，抑制砂轮过度电解，从而使砂轮始终以最佳磨 削状态连续进行磨削加工。所以该技术将砂轮修整 与磨削过程结合在一起，利用金属基砂轮进行磨削 加工的同时利用电解方法对砂轮进行修整，从而实 现对硬脆材料的连续超精密镜面磨削。 ELID磨削技术的工艺特点 lELID磨削技术是对金属结合剂超硬磨料砂轮在线 修整、修锐的复合磨削技术，它有别于电解磨削、 电火花磨削，在精密加工领域独树一帜，具有自身 的一些显著特点。 磨削过程具有良好的稳定性和可控性，易于实现磨 削过程的最优化： 加工精度高，表面裂纹少，表面质量好： 适应性广泛，磨削效率高： 装置简单，成本低，推

7、广性强等。 刀具精密加工一、高速精车适合加工塑性大的有色金属金刚石车刀：速度1500m/min 背吃刀量0.030.05mm进给量0.020.08mm/r精度达IT6IT5，Ra值0.80.1 m车削条件：精密车床、主轴回转精度高、导轨直线度误差小夹具经过动平衡、车刀角度合理，前后刀面研磨 精密加工刀具精密加工二、高速精镗金刚镗床、精度高、主轴圆跳动度误差小、刚性好、工作平稳主轴转速达5000r/min 背吃刀量0.050.2mm进给量0.020.08mm/r精度达IT6，Ra值1.60.2 m大批大量生产中加工汽缸的缸孔、连杆孔、活塞销孔、精密箱体支承孔精密加工l目前大部分微细制造技术所能达

8、到的加工 精度还在亚微米至微米范围,相距通常所说的 纳米尺度(0. 1100 nm) 还有很大的差距。 微细加工技术的进一步提高及进一步“微细”取 决于多种因素,例如研究探索的深入开展、相 关学科新成就的借鉴、新工艺新思维的出现 、工业对纳米制造需求推动等。超精密加工技术国内外现状l在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，也 是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精 密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床， 用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非 球面大型零件。如美国LLL实验室和Y-12工厂在

9、美国能源部 支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM 3型。美国LLL的大型光学金刚石车床LODTM主轴回 转误 差（ 静态 ）50r/min 时的 回转 误差 (P-V 值)直线定 位误 差导轨运 动直 线度 误差 (P-V 值)激光测 量系 统综 合误 差X向0.0250.0510.0510.1020.0025Y相0.0510.0510.0510.1020.0025超精密加工技术国内外现状l该机床可加工最大零件2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件 、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机 床的加工精度可达到形状误差为28nm（

10、半径），圆 度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。l该机床及该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床，仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度 最高的大型金刚石超精密车床。超精密加工技术国内外现状l 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。 日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象 ，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用 于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零 件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至 超过了美国。超精密加工技术国内外现状l我国的超精密加工技术在

11、70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研 究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出 了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器 等，如精度达0.025m的精密轴承、JCS-027超精密车床、 JCS-31超精密铣床、JCS-035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密 振动位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。 超精密加工技术国内外现状l航空航天工业部303所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机 等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚 石超精密切削、金刚石刀具晶体定

12、向和刃磨、金刚石微粉砂 轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大 学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位 移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密 磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相 应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理 工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学 等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国 在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸 ）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相 当大的差距。超精密加工技术国内外现状l国内研究基础 在行业需要的关键技术方面我国已经开展了

13、较多单项研究，其中一部分已经实现产业化，但总的说 难度高的复杂技术还未能掌握。 超精密加工的特点 l超精密切削l加工零件的尺寸精度和几何精度要靠超精 密机床来保证.l要求最后一次的切削厚度必须小于尺寸精 度值,进给量也要小.l特殊的切削规律l刀刃必须十分锋锐并且耐磨,如金刚石单晶 刀具超精密切削时的材料去除l工件材料缺陷的影响l 晶格原子缺陷:l 点缺陷:缺少原子团l 位错缺陷,晶格变形和位移l 晶界,空隙和微裂纹超精密切削的最小极限切削厚度l 单晶金刚石刀具可以获得0.02-0.002微米 的镜面.超精密加工技术发展趋势超精密加工技术的发展趋势：l向更高精度、更高效率方向发展；l向大型化、微型化方向发展；l向加工检测一体化方向发展；l机床向多功能模块化方向发展；l不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料 。21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。