超精密加工技术教学课件

Ultraprecisionmachining3.2超精密加工技术

3.2.1概述

3.2.2超精密切削与金刚石刀具

3.2.3超精密磨料加工

3.2.4超精密加工设备

3.2.5纳米加工技术

6/6/2023参考材料：1、张建华主编《精密与特种加工技术》2、於贻琛《精密机床》3、袁哲俊、王先逵主编

《精密和超精密加工技术》机械工业出版社6/6/20231精密和超精密加工的技术内涵2

超精密加工技术的国内外发展现状3精密和超精密加工的需求4

超精密加工技术的发展趋势3.2.1概述6/6/2023精密和超精密加工的加工范畴

精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。

精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等

）。1精密和超精密加工的技术内涵6/6/20231精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工方法分类（1）

分类加工机理加工方法去除加工化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）熔化（液体）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工化学附着化学结合电化学附着电化学结合热附着扩散结合熔化结合物理附着注入化学镀，气相镀氧化，氮化电镀、电铸阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工变形加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工6/6/2023

2.结合加工

利用物理和化学方法，将不同材料结合(Bonding)在一起。按结合的机理、方法、强弱等，结合加工又分为附着(Deposition)、注入(Injection)和连接(Jointed)三种。

附着加工：称为沉积加工，是指在工件表面上覆盖一层物质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。

注入加工又称为渗入加工，是指在工件表面上注入某些元素，使之与基体材料产生物理化学反应。这是一种具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，如渗碳、渗氮等。

连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，如焊接、粘接等。

6/6/2023

3.变形加工变形加工又称为流动加工，它利用力、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。多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。例如：镁合金，钛合金的变形。

6/6/2023分类加工方法可加工材料应用切削加工等离子体切削微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工微细磨削研磨抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工电火花成形加工电火花切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工导电金属，非金属导电金属金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线划线，图形成形复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面精密和超精密加工方法分类（2）

6/6/2023工具等加工装置材料用途、零件等镜面切削金刚石刀具刃口锋利化利用CBN刀具切削钢金刚石刀具得结晶方位选择金刚石刀具刃口评价改进型SEM

采用空气轴承、流体轴承及空气道轨等的高精度化高刚度化冷却、空调、防振采用高速运算装置控制高刚度化的新方案：Tetraform结构球壳结构Al、Cu、塑料等软质材料无电解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盘基板各种模具各种发射镜红外用光学元件激光核聚变用光学元件X射线天体望远镜用元件镜面磨削树脂结合剂金刚石砂轮添加Mo2S2、WS2、C等铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整ELID磨削铁氧体精细陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁头红外用光学元件非球面玻璃透镜各种模具镜面研磨沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂抛光盘微细磨料、软质磨料、易微细化的磨料软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具－EEM及浮动抛光基于理论分析的平面研磨机大口径光学元件用研磨机液中研磨机、EEM装置、浮法抛光张之、P－MAC抛光装置

NC化CAM化水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精细陶瓷CVDSiC膜玻璃压电滤波器基片SAW元件基片半导体基片各种模具SOR用X射线光学元件激光核聚变用各种光学元件投影透镜精密切削、磨削、研磨实例6/6/2023国内外现状(1)美国是开展研究最早的国家。(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。(3)我国的超精密加工技术在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。2超精密加工国内外发展现状20世纪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，称为“SPDT技术”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技术”(1微英寸＝0.025μm)，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及非球面大型零件等。6/6/20236/6/20232超精密加工国内外发展现状超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一

超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。举例1：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；举例2：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。6/6/2023

4)在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉，它是当今世界精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。实例：CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。6/6/2023我国的超精密加工技术现状：1.在20世纪70年代末有了长足进步，2.80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。3.在2000年北京第七届国际机床展览会上，北京机床研究所展出一台纳米超精密车床，采用气浮主轴轴承和纳米级光栅全闭环控制，光栅最小分辨率为5nm，加工表面粗糙度可达0.008μm，主轴回转精度为0.05μm。

6/6/2023精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键

例如计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。（安全气囊安全标准）

2超精密加工国内外发展现状6/6/20233精密和超精密加工的需求国防工业上的需求超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有非常重要的地位。例如：导弹的命中精度是由惯性仪表的精度决定的，而惯性仪表的关键部件是陀螺仪，如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.03°～0.05°，其命中精度的概率误差为500m；而MX战略导弹(可装载10个核弹头)制导系统陀螺仪精度比民兵Ⅲ型导弹高出一个数量级，从而保证命小精度的概率误差只有50～150m。/thread-3789-1-1.htm

6/6/20233精密和超精密加工的需求国防工业上的需求大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。

6/6/2023服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系宇宙深处的星体银河系环形星群6/6/20233精密和超精密加工的需求信息产品中的需求

计算机磁盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离(即所谓“飞行高度”)，早期磁头在盘面上的飞行高度约0.1μm～0.5μm，现在的水平已经达到0.005μm～0.01μm，这只是人类头发直径的千分之一

。为了实现如此微小的“飞行高度”，要求加工出极其平坦、光滑的磁盘基片及涂层。计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。6/6/20233精密和超精密加工的需求民用产品中的需求

现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。飞机发电机转子叶片的加工精度由60μm提高到12μm，而加工表面粗糙度Ra由0.5μm减少到0.2μm，则发电机的压缩效率将从89％提高到94％。传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的3～6μm降低到1μm，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩提高近一倍。6/6/20234超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术加工机理

在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

6/6/2023精密和超精密加工的关键技术

被加工材料

精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求：1）被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；2）化学成分的误差应在10-2～10-3数量级，不能含有杂质；3）物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到10-5～10-6数量级；4）材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。

4超精密加工技术的发展趋势6/6/2023精密和超精密加工的关键技术加工设备及其基础元部件

(1)高精度。(2)高刚度。(3)高稳定性。(4)高自动化。加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。4超精密加工技术的发展趋势6/6/2023精密和超精密加工的关键技术

加工工具加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具超精密切削的主要研究问题：1）金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，2）金刚石刀具刃口检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。4超精密加工技术的发展趋势6/6/2023精密和超精密加工的关键技术

超精密加工的检测与误差补偿技术

尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿技术是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。

4超精密加工技术的发展趋势6/6/2023精密和超精密加工的关键技术

工作环境

环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。

4超精密加工技术的发展趋势6/6/2023OAGM2500LODTM6/6/2023你认为我国要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面内容？课后思考题6/6/20233.2.2超精密切削与金刚石刀具

超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005µm，加工精度<0.01µm)。加工应用：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。6/6/20231）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。一、超精密切削对刀具的要求6/6/2023

精密和超精密磨削概述

精密磨削

超精密研磨抛光的主要新技术3.2.3超精密磨料加工6/6/2023

金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。3.2.3超精密磨料加工6/6/2023一、精密和超精密加工分类3.2.3超精密磨料加工6/6/2023一、精密和超精密加工分类固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。精密和超精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40～W50，得加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。3.2.3超精密磨料加工6/6/2023

精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分类游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。6/6/2023

精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择6/6/2023

精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料粒度及其选择多选用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。结合剂及其选择将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂组织和浓度及其选择普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。6/6/2023

精密磨削一、精密磨削机理微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用6/6/2023

精密磨削四、精密磨床

精密磨削要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求：

1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度，以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压和动静压组合轴承。

2、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流阀、工作台导轨压力润滑。

3、减少振动

1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进行隔振；

2）砂轮要进行动平衡；

3）精密磨床最好安装在防振地基上。6/6/2023

精密磨削五、磨削用量砂轮速度一般在15～30m/s一般在6～12m/min工作速度工件纵向进给量一般为50～100mm/min或0.06～0.5mm/r横向进给量（吃刀量）一般取0.6～2.5μm/单行程横向进给次数一般约2～3次（单行程）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用5～8次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用10～25次。6/6/2023

超精密研磨抛光的主要新技术液中研磨

将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击也有缓冲效果。6/6/2023机械化学研磨

机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种。湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨剂含有0.01μm大小的SiO2磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。

干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于加工的进行，由于0.01～0.02粒径的SiO2磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。6/6/2023磁流体精密研磨

磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（<0.015μm）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。6/6/2023磁流体精密研磨

磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。

磨粒悬浮式加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。磨粒控制式加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。磁流体封闭式加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置进行加工。6/6/2023磁力研磨

利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。6/6/2023软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）

最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。6/6/2023化学机械抛光

化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶液，Mn－Zn铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。6/6/2023水合抛光

是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在水蒸气环境中进行加工。机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下利用外来的摩擦力，从工件表面上将这层水合层分离、去除，从而实现镜面加工。6/6/20231精密和超精密机床发展概况及典型机床简介2精密主轴部件3床身和精密导轨部件4进给驱动系统5机床运动部件位移的激光在线检测系统6机床的稳定性和减振隔振7减少变形和恒温控制3.2.4超精密加工设备6/6/2023第1节精密和超精密机床发展概况

精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代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；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991研制成功大型超精密机OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。

一、发展概况6/6/2023OAGM2500LODTM6/6/2023二、典型机床简介Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。6/6/2023二、典型机床简介Pneumo

公司的MSG-325超精密车床

采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。6/6/2023二、典型机床简介大型光学金刚石车床LODTM

机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。6/6/2023二、典型机床简介OAGM2500大型超精密机床机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。6/6/2023二、典型机床简介AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架、设计滑板结构，直线移动分辨力0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm6/6/2023第2节精密主轴部件一、液体静压轴承主轴主轴回转精度回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承。6/6/2023（一）滑动轴承的分类按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为:液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体静压润滑轴承按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承（向心）推力滑动轴承（止推）6/6/2023根据润滑膜的形成原理不同分为：动压润滑轴承利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。静压润滑轴承在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。6/6/2023径向轴承（向心轴承）径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直止推轴承（推力轴承）止推轴承受力Fa与轴的中心线平行FrFa轴承座径向轴瓦止推轴瓦6/6/2023第2节精密主轴部件双半球空气轴承主轴前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。6/6/2023第2节精密主轴部件前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴6/6/2023第2节精密主轴部件立式空气轴承6/6/2023三、超精密机床主轴和轴承的材料第2节精密主轴部件1）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。2）不易生锈腐蚀。3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。4）材料的稳定性好。38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理，不锈钢和多孔石墨和轴承钢。此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。6/6/2023四、主轴的驱动方式第2节精密主轴部件1）电动机通过带传动驱动2）电动机通过柔性联轴器驱动3）采用内装式同轴电动机驱动转速高，目前最高可达200000r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题

6/6/2023车床用电主轴铣床用电主轴6/6/2023第3节床身和精密导轨部件二、床身和导轨的材料

铸铁——成本低有良好减振性和耐磨性易于铸造和切削加工导轨常用的铸铁——灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁灰铸铁应用最多的牌号是HT200

常用的孕育铸铁牌号是HT300

耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高常用于精密机床导轨优质耐磨铸铁6/6/2023第3节床身和精密导轨部件花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。人造花岗岩由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。6/6/2023第3节床身和精密导轨部件五、液体静压导轨工作原理:具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点:导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨6/6/2023第3节床身和精密导轨部件六、气浮导轨和空气静压导轨气浮导轨常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国Pneumo公司的MSG－325使用气浮导轨。6/6/2023第3节床身和精密导轨部件六、气浮导轨和空气静压导轨空气静压导轨运动件的导轨面，上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高。静压空气的节流方式：多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流。静压空气压力4～6大气压。6/6/2023第4节进给驱动系统一、数控系统的伺服系统伺服系统的组成

数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。

6/6/2023

进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。第4节进给驱动系统进给伺服系统一、数控系统的伺服系统6/6/2023第4节进给驱动系统位置控制模块速度控制单元伺服电机

工作台

位置检测测量反馈伺服驱动装置指令速度环位置环速度检测一、数控系统的伺服系统闭环进给伺服系统结构6/6/2023第4节进给驱动系统一、数控系统的伺服系统伺服系统的基本要求1、位移精度高2、稳定性好3、快速响应4、调速范围宽5、低速大扭矩6/6/2023第4节进给驱动系统二、精密数控系统对超精密机床，刀具和工件的z向和x向运动以及加工非球曲面的精密回转工作台都是由精密数控系统进行控制的。精密数控系统通过直流伺服电机或交流伺服电机，双频激光测量系统检测z向和x向的位移反馈给精密数控系统，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。6/6/2023第4节进给驱动系统三、滚珠丝杠副驱动进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。为减小滚珠丝杠的径向圆跳动和轴向跳动对导轨直线运动的影响，采用螺母和工作台柔性连接，即螺母装在柔性的过渡连接块上再和工作台固定。6/6/2023第4节进给驱动系统四、液体静压和空气静压丝杠副驱动提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。6/6/2023第5节机床运动部件位移的激光在线检测系统一、激光在线检测系统的工作原理

超精密机床的工件的形状由机床的两坐标（z向和x向）的精密数控系统来控制工件和刀具的相对位置。精密数控系统现在采用闭环控制，即机床的运动部件的位移用装在机床内部的双频激光干涉测距系统随机精确检测，将数据反馈给精密数控系统，保证位移运动的高精度。6/6/2023第5节机床运动部件位移的激光在线检测系统三、三坐标测量机激光位移测量系统6/6/2023第5节机床运动部件位移的激光在线检测系统二、MSG－325超精密机床的激光检测系统美国HP公司生产的HP5501两坐标双频激光干涉测量系统。主轴箱作z向运动，刀架作x向运动。激光测量系统的分辨率为0.01微米，大部分激光光路采用封闭。6/6/2023第5节机床运动部件位移的激光在线检测系统四、LODTM大型光学金刚石车床激光测量系统6/6/2023第6节机床的稳定性和减振隔振一、机床的稳定性1、各部件的尺寸稳定性好

1）采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件；

2）各部件经过消除应力；2、结构刚度高，变形小

1）结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度；

2）各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。6/6/2023第6节机床的稳定性和减振隔