精密和超精密加工技術(shù)第2版 教學(xué)課件 ppt 作者 袁哲俊 哈爾濱工大 主編 第1章精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望

1、1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀1.3 超精密加工技術(shù)發(fā)展展望,2024/4/2,第1章 精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展展望,2024/4/2,精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將機(jī)械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個(gè)階段。 精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之間的加工方法稱為精密加工；超精

2、密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm的加工方法稱為超精密加工。(微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等 ),1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,一 精密和超精密加工,2024/4/2,提高制造精度后可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品小型化；增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自動(dòng)化裝配。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,二 提高加工精度

3、的原因,2024/4/2,超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國(guó)尚處于亞微米水平，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)(國(guó)際上公認(rèn)0.1nm~100nm為納米尺度空間，100nm~1000nm為亞微米體系，小于1個(gè)納米為原子團(tuán)簇 )；金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提

4、高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,1 超精密加工是國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一,三 發(fā)展超精密加工的重要性,2024/4/2,計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強(qiáng)的能力，我國(guó)集成電路的制造水平約束了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。美國(guó)制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩毫米工程”（車身尺寸變動(dòng)量控制在２ｍｍ以內(nèi) ）使汽車質(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實(shí)

5、實(shí)在在的制造技術(shù)。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,2 精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,2024/4/2,陀螺儀的加工涉及多項(xiàng)超精密加工，導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對(duì)稱軸0.0005μm，則會(huì)引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)2.4m，形狀精度為0.01μm，如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察140億光年的天體（六軸CNC研磨拋光機(jī) ）

6、（圖）。紅外線探測(cè)器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，表面粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率。激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,3 國(guó)防工業(yè)上的需求,2024/4/2,服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡,獅子座螺旋星系,宇宙深處的星體,銀河系環(huán)形星群,,,,2024/4/2,計(jì)算機(jī)上的芯片、磁板基片

7、、光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感光鼓、各種磁頭、激光打印機(jī)的多面體、噴墨打印機(jī)的噴墨頭等都必須進(jìn)行超精密加工，才能達(dá)到質(zhì)量要求。,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,4 信息產(chǎn)品中的需求,5 民用產(chǎn)品中的需求,現(xiàn)代小型、超小型的成像設(shè)備，如攝相機(jī)、照相機(jī)等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成。至于超精密加工機(jī)床、設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密

8、加工技術(shù)才能制造。,2024/4/2,1.1 發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)的重要性,四 精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域超精密切削精密金剛石刀具切削精密和超精密磨削研磨解決大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤等加工精密特種加工電子束、離子束加工，使美國(guó)超大規(guī)模集成電路線寬達(dá)到0.1µm,2024/4/2,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,美國(guó)是開展研究最早的國(guó)家(單件大型零件加工)。日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最

9、快的國(guó)家（中小零件加工） 。我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(zhǎng)足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。,2024/4/2,近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、刻蝕、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等

10、，在加工機(jī)理上均有所創(chuàng)新。,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,影響精密和超精密加工的因素,1 加工機(jī)理,2024/4/2,用精密和超精密加工的零件，其材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能均有嚴(yán)格要求。例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷；其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10-2～10-3數(shù)量級(jí)，不能含有雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10-5～10-6數(shù)量級(jí)；材料在冶煉、鑄

11、造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。,2 被加工材料,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,2024/4/2,(1)高精度。(2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動(dòng)化。 加工設(shè)備的質(zhì)量與基礎(chǔ)元部件，如主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)單元和分度轉(zhuǎn)臺(tái)等密切相關(guān)，應(yīng)注意這些元部件質(zhì)量。此外，夾具、輔具等也要求有相應(yīng)的高精度、高剛

12、度和高穩(wěn)定性。,3 加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,2024/4/2,加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達(dá)到2～4nm，同時(shí)應(yīng)解決其檢測(cè)方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。 磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒

13、度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。,4 加工工具,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,2024/4/2,尺寸和形位精度可用電子測(cè)微儀、電感測(cè)微儀、電容測(cè)微儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來測(cè)量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進(jìn)行接觸測(cè)量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進(jìn)行非接觸測(cè)量；表面應(yīng)力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測(cè)量。檢測(cè)可采取離線的、在位的和

14、在線的三種方式。,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,5 檢測(cè)與誤差補(bǔ)償,2024/4/2,誤差預(yù)防通過提高機(jī)床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補(bǔ)償是在誤差分離的基礎(chǔ)上，利用誤差補(bǔ)償裝置對(duì)誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以消除誤差本身的影響。靜態(tài)誤差補(bǔ)償是根據(jù)事先測(cè)出的誤差值，在加工時(shí)通過硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償是在在線檢測(cè)基礎(chǔ)上，在加工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。,1.2 超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀,5 檢測(cè)與誤差補(bǔ)償,2024/

15、4/2,超穩(wěn)定環(huán)境條件是指恒溫、防振、超凈和恒濕四方面的條件。 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至達(dá)到±0.0005℃。 在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%～60%，防止機(jī)器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點(diǎn)漂移等。 潔凈度要求1000～100級(jí)，100級(jí)是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個(gè)，依此類推。,6 工作環(huán)境,1.2 超精密

16、加工技術(shù)的現(xiàn)狀,2024/4/2,1.3 超精密加工技術(shù)發(fā)展展望,向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。,1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),2024/4/2,(1)超精密切削、磨削的基本理論和工藝；(2)超精密設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)、精度、動(dòng)特性和熱穩(wěn)定性；(3)超精密加工的精度檢測(cè)、在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償；(4)超精密加工的環(huán)

17、境條件；(5)超精密加工的材料。,2 主要研究?jī)?nèi)容,1.3 超精密加工技術(shù)發(fā)展展望,2024/4/2,LODTM（美國(guó)立式大型光學(xué)金剛石車床被公認(rèn)為世界上精度最高的超精密機(jī)床 ）,2024/4/2,2024/4/2,OAGM2500英國(guó)的CRANFIELD精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床（工作臺(tái)面積2500mm），可加工（磨削、車削）和測(cè)量精密自由曲面。該機(jī)床采用加工件拼合方法，還可加