超精密加工技术论文

超精密加工技术简介论文超精密加工技术简介论文 学校：XXXXX 学院：XXXX 班级：XXXXX 专业：XXXXX 姓名：XXXX 学号：XXXX 指导教师：XXX - 2 - 目录 目录. - 2 - 一、概述.- 1 - 1、超精密加工的内涵.- 1 - 2.、发展超精密加工技术的重要性.- 1 - 二、超精密加工所涉及的技术范围.- 2 - 三、超精密切削加工.- 3 - 1、超精密切削对刀具的要求.- 3 - 2、金刚石刀具的性能特征.- 3 - 3、超精密切削时的最小切削厚度.- 3 - 四、超精密磨削加工.- 4 - 1、超精密磨削砂轮.- 4 - 2、超精密磨削砂轮的修整.- 4 - 3、磨削速度和磨削液.- 5 - 五、超精密加工的设备.- 5 - 六、超精密加工的支撑环境.- 6 - 1、净化的空气环境.- 6 - 2、恒定的温度环境.- 6 - 3、较好的抗振动干扰环境.- 7 - 七、超精密加工的运用领域.- 7 - 八、超精密加工的现状及未来发展.- 7 - 1、超精密加工的现状.- 7 - 2、超精密加工的发展前景.- 8 - 总结：.- 9 - 参考文献：.- 9 - 超精密加工技术超精密加工技术 一、概述一、概述 超精密机械加工技术是现代机械制造业最主要的发展方向之一, 已成为在 国际竞争中取得成功的关键技术。这一方面是因为,尖端技术和国防工业的发展 离不开精密和超精密加工技术, 当代精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造 技术的基础, 也是明天技术的基础。 另一方面很多新技术机电产品要提高加工 精度, 这促使精密和超精密加工技术得到发展和推广, 提高了整个机械制造业的 加工精度和技术水平,使机械产品的质量、 性能和可靠性得到普遍的提高, 大大提 高了产品的竞争力。 1 1、超精密加工的内涵、超精密加工的内涵 超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括了所有能使零件的形状、位置 和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。 精密和超精密加工只是一个 相对的概念，其界限随时间的推移而不断变化。 在当今技术条件下，普通加工、精密加工、超精密加工的加工精度可以作如 下的划分： 1） 、普通加工加工精度在 1m、表面粗糙度 Ra 0.1m 以上的加工方法。 2）、精密加工加工精度在 0.1-1m、表面粗糙度 Ra0.01-0.1m 之间的加 工方法。 3）、超精密加工加工精度高于 0.1m、表面粗糙度小于 Ra0.01m 的加工 方法。 2 2、 发展超精密加工技术的重要性发展超精密加工技术的重要性 现代机械制造业之所以要致力于提高加工精度， 其主要原因在于：可提高 产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互 换性，提高装配生产率。 - 2 - 精密和超精密加工技术的发展， 直接影响到一个国家尖端技术和国防工业 的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行 技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯 导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂 零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外 已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工 和精密测量技术。 由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运， 而这些精 密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国 的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和 超精密加工技术， 争取尽快将我国的精密个超精密加工技术水平提升到世界先进 水平。 二、超精密加工所涉及的技术范围二、超精密加工所涉及的技术范围 超精密加工所涉及的技术领域包括以下几方面： 1、 超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包 括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工。 2、超精密加工的刀具、磨具及其制备技术包括金刚石刀具的制备和刃磨、 超硬砂轮的修整等超精密加工的重要关键技术。 3、超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗 振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构。 4、精密测量及补偿技术超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置， 具有在线测量和误差补偿。 5、严格的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，加工环 境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精度加工必须具备各种物理效 应恒定的工作环境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。 - 3 - 三、超精密切削加工三、超精密切削加工 超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工铜、铝等非铁 金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。 1 1、超精密切削对刀具的要求、超精密切削对刀具的要求 1） 、极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺 寸耐用度。 2） 、刃口能磨得极其锋锐，刃口半径极小，能实现超薄的切削厚度。 3） 、刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的 镜面。 4） 、与工件材料的抗粘接性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能够得到极好 的加工表面完整性。 2 2、金刚石刀具的性能特征、金刚石刀具的性能特征 目前，超精密切削刀具的金刚石为大颗粒、无杂质、无缺陷的优质天然单晶 金刚石。具有如下性能特征： 1） 、具有极高的硬度。 2） 、能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。 3） 、热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和 力小的特征。 4） 、耐磨性好，刀刃强度高。 因此，天然单晶金刚石被公认是理想的、不能替代的超精密切削的刀具材料。 3 3、超精密切削时的最小切削厚度、超精密切削时的最小切削厚度 超精密切削时实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、 使用的超 精密机床的性能状态、切削时的环境条件等有关。 - 4 - 四、超精密磨削加工四、超精密磨削加工 超精密磨削是指加工精度达到或高于 0.1m、表面粗糙度低于 Ra 0.025m 的一种亚微米级加工方法，并正向着纳米级发展。超精密磨削的关键在于砂轮的 选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。 1 1、超精密磨削砂轮、超精密磨削砂轮 在超精密磨削中所所以的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼，因其硬度 极高， 故一般称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效 率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金有较大优势。立方氮 化硼主要用于铁族元素材料的加工。 2 2、超精密磨削砂轮的修整、超精密磨削砂轮的修整 超硬磨料砂轮修整的方法： 1） 、车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整目 的。 这种方法的修整精度和效率比较高； 但修整后的砂轮表面平滑， 切削能力低， 同时修整成本高。 2） 、 磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。这种方法 的效率和质量较好，是目前常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量大。 3） 、喷射法将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到砂轮表面，从而去除部分 结合剂，使超硬磨粒突出，这种方法主要用于修锐。 4） 、电解在线修锐法将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在 砂轮与电极之间通电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨粒砂轮的结合剂，达到 修锐目的。 5） 、 电火花修整法将电源的正、 负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器， 其原理是电火花放电加工。 此外，尚有超声波修整法、激光修整法等，有待进一步研究开发。 - 5 - 3 3、磨削速度和磨削液、磨削速度和磨削液 金刚石砂轮磨削速度一般不能太高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况 的不同，其磨削速度为 12-30 m/s。磨削速度太低，单颗磨粒的切削厚度过大， 不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石磨损增加；磨削速度提高，可使 工件表面粗糙度值降低，但磨削温度随之升高，而金刚石的热稳定性只有 700-800，因此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以应根据具体情况选择合适磨 削速度，一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选高一些，金 属结合剂的金刚石砂轮磨削速度可选低一些。 超硬磨料砂轮磨削时，磨削液的使用与否对砂轮的寿命影响很大。磨削液 除了具有润滑、冷却、清洗功能外，还有渗透性、防锈、提高切削性能。磨削液 分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成分是矿物油，其润滑性能好，主要 有全损耗系统用油、 煤油、 轻质柴油等； 水溶性液主要成分是水， 其冷却性能好， 主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等。 磨削液的使用应视具体情况合理选择。金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍 采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂 轮磨削时宜采用油性的磨削液，一般不用水溶液，因为在高温状态下，CBN 砂轮 与水会起化学反应， 称水解作用， 会加剧砂轮磨损。 若不得不使用水溶性磨削液， 可以加极压添加剂，减弱水解作用。 五、超精密加工的设备五、超精密加工的设备 超精密机床的质量还取决于机床的主轴部件、床身导轨以及驱动部件等关键 部件的质量。 1） 、 精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床的圆度基准，也是保证机床加工 精度的核心。 2） 、床身和精密导轨床身的机床的基础部件，应该具有抗振衰减能力强、热膨 胀系数低、尺寸稳定性好的要求。超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精 度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气 静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床 - 6 - 中得到广泛的使用。 3） 、微量进给装置在超精密加工中，要求微量进给装置满足如下要求：1 精 微进给与粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨率和稳定性；2 运动部分必 须是低摩擦和高稳定性，以便实现很高的重复精度；3 末级传动元件必须有很 高的刚度，即夹固刀具必须是高刚度的；4 工艺性好，容易制造；5应能实 现微进给的自动控制，动态性能好。 此外，超精密加工机床应该具有高精度、高刚度、高加工稳定性和高度自动 化的要求： 1)、高精度包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精 度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等； 2)、高刚度包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度， 以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。 3)、高稳定性设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长 时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。 4)、高自动化为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控 系统实现自动化。 六、超精密加工的支撑环境六、超精密加工的支撑环境 1 1、净化的空气环境、净化的空气环境 为了保证精密和超精密加工产品的质量，必须对周围的空气环境进行净化处 理，减少空气中尘埃的含量，提高空气的洁净度。 2 2、恒定的温度环境、恒定的温度环境 精密加工和超精密加工所处的温度环境与加工精度有着密切的关系，当环 境温度发生变化时会影响机床的几何精度和工件的加工精度。 恒温环境有两个重要指标：一是恒温基数，即空气的平均温度，我国规定的 - 7 - 恒温基数为 20；二是恒温精度，指对于平均温度所允许的偏差值。 随着现代化工业技术的发展与超精密加工工艺的不断提高， 对恒温精度的要 求也越来越高。 3 3、较好的抗振动干扰环境、较好的抗振动干扰环境 1） 、防振消除工艺系统内部自身产生的振动干扰。 2） 、隔振采取各种隔离振动干扰的措施，阻止外部振动传播到工艺系统 中。 七、超精密加工的运用领域七、超精密加工的运用领域 航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等，在制造中都有大 量的精密和超精密加工的需求，当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路 的发展十分迅猛，涉及微细加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等 已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、 国防工业的发展直接相关。 八、八、超精密加工的超精密加工的现状及未来现状及未来发展发展 1 1、超精密加工的现状、超精密加工的现状 超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国 是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于领先地位的国家。英国的 克兰菲尔德精密工程研究所（简称 CUPE）享有较高声誉，是当今世界上精密工 程的研究中心之一。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚，但 它是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、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，甚至超过了美 国。 我国在 80 年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说， 与国外产品比还有相当大的差距。 - 8 - 2 2、超精密加工的发展前景超精密加工的发展前景 超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、 在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。 1） 、高精度、高效率随着科学技术的不断进步，对精度、效率、质量的要 求愈来愈高,高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题。超精密切削、磨削技 术能有效提高加工效率，CMP 技术能够保证加工精度，而半固着磨粒加工方法 及电解磁力研磨、 磁流变磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加 工方法，成为超精密加工的趋势。 2）、大型化、微型化由于航天航空等技术的发展，大型光电子器件要求 大型超精密加工设备，如美国研制的加工直径为 2.44m 的大型光学器件超精 密加工机床。同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展，超精密加工技术 向微型化发展，如微型传感器，微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等 都需要微型超精密加工设备。 3）、智能化以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造 领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率， 这一点在超精密加工中体现更为明显。 4）、工艺整合化当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为 企业赖以生存的条件。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼 声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、光整)的趋势 越来越明显。 5）、在线加工检测一体化由于超精密加工的精度很高，必须发展在线加 工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率。 同时由于加