第三章 先进制造工艺技术第三节 超精密加工技术加工精度的进化一、概述一、概述精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺 超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向精密与超精密加工分类 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。
适用通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件适用于单件、小批生产于单件、小批生产 间接式进化加工：借助于直接式间接式进化加工：借助于直接式“进化进化”加工原则，加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件适生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件适用于批量生产用于批量生产进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同 微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法q 精密与超精密加工特点要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大 形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量 与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备） 与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。
切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N13000 N/ / mmmm2 2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生用，产生“ “碳化碳化磨损磨损” ”，影响刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影大型投影电视屏幕、电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理、特点二、金刚石超精密加工技术二、金刚石超精密加工技术 加工设备 要求高精度、高刚度要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性、良好稳定性、抗振性及数控功能等。
及数控功能等 关键技术Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器 如美国如美国MooreMoore公司公司M-M-18AG18AG金刚石车床，主金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，轴采用空气静压轴承，转速转速5 5000000转转/ /分，径跳分，径跳0.10.1mm；液体静压导轨液体静压导轨，直线度达，直线度达 0.05/100mm0.05/100mm；数控系数控系统分辨率统分辨率0.01 0.01 车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局 T形布局的金刚石车床 T形布局 金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m 金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根十二面体和六面体，有三根4 4次对称轴，四根次对称轴，四根3 3次对称轴和次对称轴和六根六根2 2次对称轴（图次对称轴（图7-207-20）。
a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面 金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理” 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到圆角半径越小越好（理论可达到1nm1nm）单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.64.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000金刚石刀具角度 金刚石刀具角度金刚石刀具角度金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用用CBNCBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可修整修整 砂轮修整：三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing） 使用使用ELIDELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。
通电后，砂磨削，冷却液为一种特殊电解液通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行在切削轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒由于电解力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态 塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来磨削后料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹 塑性磨削工艺条件：塑性磨削工艺条件： （1 1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关一般临界切削深度磨粒的几何形状有关一般临界切削深度1m1m 为此对机床要求：为此对机床要求：高的定位精度和运动精度以免因高的定位精度和运动精度以免因磨粒切削深度超过磨粒切削深度超过1m1m时，导致转变为脆性磨削。
时，导致转变为脆性磨削高的刚高的刚性因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性性因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件 （2 2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）已有试验作支持） 砂带：带基材料为砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒上植有细微砂粒 砂带在一定工作压砂带在一定工作压力下与工件接触并力下与工件接触并作相对运动，进行作相对运动，进行磨削或抛光磨削或抛光 有开式和闭式两种有开式和闭式两种形式，可磨削平面形式，可磨削平面、内外圆表面、曲、内外圆表面、曲面等面等接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动 精密与超精密砂带磨削用于磨削管件的用于磨削管件的砂带磨床（砂带磨床（带有带有行星系统）行星系统） 几种常见砂带磨削方式几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触。