精密加工及超精密加工理论与方法

现代制造理论和技术 学分 3机械工程学院NUSTNUST第一部分主要内容第1章 机械加工精度 第2章 机械加工表面质量 第3章 精密及超精密加工理论与方 法 第4章 高速加工技术 第5章 机械制造过程中的建模与分 析 Date2精密与超精密加工NUSTNUST3 精密与超精密加工理论与方法3.1 精密加工和超精密加工技术形成 与发展 3.2 精密加工机理与工艺原则 3.3 精密加工和超精密加工的体系结 构 3.4 精密加工和超精密切削加工 3.5 精密加工和超精密特种加工 3.6 细微加工与纳米制造技术参考资料： 张世昌编著，先进制造技术．天津大学出版社， 2004 王先逵．精密加工技术手册．机械工业出版社， 2001内内 容容 概概 要要Date3精密与超精密加工NUSTNUST3.1 精密加工和超精密加工技术形成与发展1）作用和地位 精密和超精密加工技术是先进制造技术的 基础和关键，也是一个国家制造工业水平的重 要标志之一 v产品精密化、微型化的发展趋势需要精密与 超精密加工技术； v发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子 工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪 器设备； v精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造 技术的前沿，也是今后技术发展的基础。

精精 密密 加加 工工 理理 论论Date4精密与超精密加工NUSTNUST精精 密密 加加 工工 理理 论论2）精密加工和超精密加工的发展精密加工和超精密加工是在20世纪60年代 日本著名学者谷口纪男教授提出来的Date5精密与超精密加工NUSTNUST2）精密加工和超精密加工发展 一般加工加工误差大于1μm、表面粗糙度 大于Ra0.1 μm ； 精密加工是指加工精度为1~0.1μm、表面 粗糙度为Ra0.1~0.01 μm的加工技术； 超精密加工是指加工误差小于0.1~0.01μm 、表面粗糙度小于0.01~0.001μm的加工技术 ，又称之为亚微米级加工超精密加工现已 进入纳米级（加工误差小于0.01~0.001μm、 表面粗糙度小于0.0001μm），称之为纳米加 工及相应的纳米技术 精密加工和超精密加工的范畴：它应该包 括微细加工和超微细加工（指制造微小尺寸 零件的加工）、光整加工和精整加工（指降 低表面粗糙度值和提高表面层力学及机械性 质为主的加工）等加工技术精精 密密 加加 工工 理理 论论Date6精密与超精密加工NUSTNUST精精 密密 加加 工工 理理 论论2）精密和超精密加工的发展v向高精度、高效率方向发展 v向大型化、微型化方向发展 微细尺寸(1μm)的加工，称为微细加工； 超微细尺寸(1nm)的加工，则称为超微细加 工。

v向加工检测一体化发展 v检测与误差补偿 v新型超精密加工方法的机理 v新材料的研究 超精密加工理论基础和应用技术的发展， 提出了量子技术、量子能量的利用，并将和 太空技术联系起来Date7精密与超精密加工NUSTNUST3）精密和超精密加工的应用国防工业、宇航工业、信息产品、民品科 技 1kg重的陀螺转子质量中心偏离其对称轴 0.5nm，导弹产生100m的射程误差和50m的 轨道误差 飞机发动机转子叶片的加工精度从60μm提 高到12μm，而加工表面粗糙度由0.5μm减 小到0.2μm，发动机的压缩效率将从89%提 高到94% 大型天体望远镜的透镜、微型卫星、纳米 卫星，超大规模集成电路、计算机上的芯片 、磁板基片、光盘基片，现代小型、超小型 的成像设备、激光打印机等精精 密密 加加 工工 理理 论论Date8精密与超精密加工NUSTNUST4）精密加工和超精密加工的特点(1)形成了系统工程精密加工和超精密加 工是一门多学科的综合高级技术，是加工技 术与系统论、方法论、计算机技术、信息技 术、传感器技术、检测技术、数字控制技术 等的综合 (2)与微细加工和超微细加工关系密切 (3)与特种加工关系密切。

(4)加工检测一体化在精密加工和超精密 加工中，加工和检验都是难题，检测与 动态误差补偿是加工检测一体化的重要举措 (5)与自动化技术联系密切 (6)技术发展与产品需求联系紧密精精 密密 加加 工工 理理 论论Date9精密与超精密加工NUSTNUST5）精密加工和超精密加工方法与分类加工成形原理分类： v去除加工又称为分离加工，是从工件上去 除一部分材料 v结合加工是利用理化方法将不同材料结合 在一起，按结合的机理、方法、强弱等又可 分为附着（沉积加工）、注入（渗入加工） 和连接三种 v变形加工又称为流动加工，是利用力、热 、分子运动等手段使工件产生变形，改变其 尺寸、形状和性能精精 密密 加加 工工 理理 论论Date10精密与超精密加工NUSTNUST3.2 精密加工机理与工艺原则1）加工机理 (l)新工艺新方法传统刀具切削加工、磨料加工、 特种加工等已占有重要地位；复合加工，如电解研磨 、超声珩磨等，都是加工机理的创新 (2)加工、处理的新概念突破表现在明确提出了去 除加工、结合加工和变形加工，特别是以快速成形制 造为代表的“堆积”加工的出现，在加工技术的思路 上具有里程碑意义。

(3)极薄加工具有无限生命力超精密加工的最终目 标是实现原子级加工目前的极薄切削水平是纳米级 ，随着科学技术的发展，这个极限将逐步前移 (4)进化加工原则值得提倡利用精度低于工件精度 要求的机床设备，借助工艺手段、特殊工具、计算机 技术、传感器技术等，直接或间接加工出所需工件， 这种进化加工原则将影响精密加工和超精密加工的全 局 精精 密密 加加 工工 理理 论论Date11精密与超精密加工NUSTNUST2）材料堆积工艺方法材料的生长堆积加工大体可以分为以下几 类： (1)生长：如分子束外延、电铸、拉单晶等 都是使材料逐渐增长，形成毛坯或零件现 代制造还与生物工程相结合，现成生物制造 例如，电动剃须刀的网刃就是用精密电铸 的方法制成的，其制作过程精精 密密 加加 工工 理理 论论Date12精密与超精密加工NUSTNUST2）材料堆积工艺方法(2) 堆积 如涂层、电镀、刷镀、堆焊等是 在工件表面上堆积一层，其目的是改变工件表 层的物理、力学件质(耐磨、防蚀、装饰等)， 或为了增大零件的尺寸，以便进行修复（再制 造技术） 磁盘是计算机的信息载体，分为硬磁盘和 软磁盘两种，磁盘制作过程如下：1)基片成形加工。

2)采用球磨混合和离心甩涂方法涂敷磁性 材料3)涂层面的精密加工利用精密研磨、精 密砂带研抛等使涂层面得到高精度和低表面粗 糙度之后，对于甩涂盘，还要进行高点铲刮 工艺，去除涂层表面因磁粉与粘接剂混合不匀 所形成的高点精精 密密 加加 工工 理理 论论Date13精密与超精密加工NUSTNUST2）材料堆积工艺方法(3)分层制造：即快速成形制造(RPM)，又 称快速原型(零件)制造，可分为平面分层、 曲面分层和卷绕成形制造三大类零件分割 的层数越多，则层厚越小，所堆积的零件精 度越高 平面快速成形制造方法很多，基本工艺过 程：精精 密密 加加 工工 理理 论论Date14精密与超精密加工NUSTNUST快速成型工艺方法1）立体印刷SLA：液态光敏树脂选择 性固化2）分层实体制造 LOM：薄形材料选择性切 割并粘接3）选域激光烧结 SLS：粉末材料选择性激 光烧结4）熔融沉积造型 FDM：丝状材料选择性熔 覆5）三维打印3D-P：粉末材料选择性粘 结快快 速速 制制 造造 技技 术术Date15精密与超精密加工NUSTNUST现有的工艺方法中，立体印刷SLA（光敏树脂固 化）精度最高±0.1mm，表面质量最好6.3µm。

快速成型典型产品快快 速速 制制 造造 技技 术术Date16精密与超精密加工NUSTNUST3）进化加工原则一般加工时，作为工作母机的机床，其精 度总是要比被加工零件的精度高，称之为“母 性”加工原则，是一种“蜕化”加工原则，也 是目前加工的主要手段和思路采用“母性”加工原则对精密加工和超精 密加工而言，存在以下几个问题：1)由于被加工零件的精度和技术要求很 高，很难研制其工作母机进行加工，非常困难 ；2)投资太大，技术经济指标很不合理， 特别是在单件小批生产情况下，每件零件的牛 产成本更难承受精精 密密 加加 工工 理理 论论Date17精密与超精密加工NUSTNUST3）进化加工原则精密加工和超精密加工是—个系统工程 ，其组成环节很多，虽然加工设备是主要因 素，但可发挥其他组成环节的影响，如借助 于工艺手段和特殊工具来弥补机床的不足 可采用创造性加工原则，即“进化”加工原 则，这将对精密加工和超精密加工产生深远 的影响利用精度低于工件精度要求的机床设备设备 ，借助工艺艺手段、特殊工具、计计算机技术术、 传传感器技术术等，直接或间间接加工出所需工件 ，这这就是进进化加工原则则精精 密密 加加 工工 理理 论论Date18精密与超精密加工NUSTNUST3）进化加工原则 进化加工原则可分为两种情况： v直接式进化加工：在精度低于工件精度要求 的机床设备上，借助工艺手段和专用工具直 接加工出高于工作母机的零件。

该原则可扩展到加工尺寸范围例如在加工精密 丝杠采用算机控制的检测微位移补偿装置进行在 线检测和实时补偿，使被加工丝杠的螺距精度能够达 到要求普通镗床上加工精密孔时，可采用浮动镗刀 来保证孔径尺寸，弥补机床进给系统精度不足 v间接式进化加工：用较低精度机床和工具， 通过工艺措施制造出第二代高精度工作母机 ，用第二代工作母机加工出高精度零件这对批量生产比较合适，工厂只要研制出第二代 工作母机，就能保证产品的高质量生产精精 密密 加加 工工 理理 论论Date19精密与超精密加工NUSTNUST4）微量加工理论微量加工是超精密加工的关键技术，能够 在被加工表面上进行微量加工，其加工量的 大小标志着精密加工和超精密加工的水平 微量切削又称极薄切削：对于精密切削和 超精密切削主要以金刚石刀具超精密车削和 金刚石微粉砂轮超精密磨削为代表 超精密加工的目标和追求就是要寻求和探 讨加工极限，目前的极薄切削水平是纳米级 因为微量切削的切屑厚度极小，因此微量 切削的机理与一般切削有很大差别的精精 密密 加加 工工 理理 论论Date20精密与超精密加工NUSTNUST4）微量加工理论微量切削的机理：由于背吃刀量(切削深度)可 能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，因此 ，切削不是在晶粒之间的破坏，切削力一定要超 过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上 所承受的切应力非常大；同时，切削区会产生很 大的热量、刀刃切削处的温度会很高，要求刀具 材料应有很高的高温强度和高温硬度。

只有超硬 刀具材料，如金刚石、立方氮化硼等才能胜任金刚石刀具不仅有很高的高温强度和高温硬度 ，而且金刚石材料本身质地细密，切削刃钝圆半 径很小，通常可达0.02~0.0051m，最高可达2nm， 是极薄切削的刀具理想材料如在切削低碳钢的 情况下，刀刃上的切应力值接近材料的抗剪强度 极限，当切削厚度在1m以下时，被切材料的切应 力可达1300MPa精精 密密 加加 工工 理理 论论Date21精密与超精密加工NUSTNUST• 微量切削材料缺陷及其破坏在进行超精密切削时，从工件上去除的一 块材料的大小(切削应力所作用的区域) 和材 料缺陷分布的尺寸大小不同时，被加工材料 的破坏方式就不同材料微观缺陷分布或材 质不均匀性，有以下几种情况：1)1)晶格原子、分子：晶格原子、分子：破坏方式是把原子、分子一破坏方式是把原子、分子一 个一个地去除个一个地去除2)2)点缺陷或原子缺陷：点缺陷或原子缺陷：晶体中的空位、填隙原子晶体中的空位、填隙原子 、杂质原子等杂质原子等破坏方式是以这些原子缺陷为起破坏方式是以这些原子缺陷为起 点来增加晶格缺陷的破坏点来增加晶格缺陷的破坏精精 密密 加加 工工 理理 论论Date22精。