影响精密和超精密加工的因素.doc

2013-2014学年 第一 学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考 核 科 目：精密和超精密加工技术学生所在院（系）：机电工程学院 学生所在学科：机械工程 姓 名：潘学坤学 号：1302210121题 目：影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素潘学坤（西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安 710032）摘要：超精密加工技术是衡量国家科学技术水平的重要标志之一，本文主要对精密和超精密加工技术进行了基本概述，并论述了影响精密和超精密加工的主要因素和提高其加工精度的一些措施。关键词：超精密加工；主要因素；加工精度The Main Influential Factors of Precision and Ultra - precision MachiningPan Xue-kun(The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xian Technological University, Xian 710032)Abstract: The ultra - precision technology is one of important signs to measure science and technology level.The concepts of the precision and ultra - precision machining is mainly summarized in this paper.And themain influential factors of precision and ultra - precision machining and some measures of improving its manufacturing accuracy are discussed.Keywords: the ultra - precision machining; main influential factors; manufacturing accuracy一 引言超精密加工是尖端技术发展中不可缺少的关键加工手段，不论是军事工业，还是民用工业，都需要这种先进的加工技术。超精术加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。超精密加工有两种含义：一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工，即高精度加工；二是指向实现微细尺寸界限挑战的加工，即以微电子电路生产为代表的微细加工。另外，超精密加工不仅涉及精度指标，还必须考虑到工件的形状特点和材料等因素。一般认为，加工精度高于0.1m，粗糙度优于百分之几微米的加工即为超精密加工，更严格地说，尺寸精度高于IT-1或更高的加工即为超精密加工。超精密加工包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨和超精密微细加工。上述各种方法能加工出普通精密加工达不到的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度。超精密加工与被加工材料、刀具、机床、控制和监测系统及加工环境等因素密切相关，这些因素的综合参数性能决定了超精密加工的精度。二 影响精密和超精密加工的因素精密和超精密加工的技术难度大，影响因素多，涉及面广，投资强度大，产品个性强，其主要影响因素有以下6方面：（一）加工机理当前，传统加工方法主要有金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削。精密告诉切削和精密砂带磨削等。非传统的加工方法主要有电子束、离子束、激光束等高能束加工，电火花和电化学加工，以及光刻（刻蚀）等，并出现了具有复合加工机理的电解研磨、磁流体抛光和超声研磨等复合加工方法。加工机理的研究是精密加工的理论基础和新技术的生长点。（二）加工设备和工艺装备超精密加工就是将高精度、高刚性的机床运动精度，通过锋利的刀具正确地复映到工件上。因此，精密和超精密加工应有高精度、高刚度、高稳定性和自动化的机床，相应的金刚石刀具、立方氧化硼刀具、金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮以及相应的高精度、高刚度夹具等工艺装备，才能保证加工质量。工件的加工精度主要依赖于机床本身的运动精度，超精密机床是超精密加工的基础，其结构、精度和稳定性等均对加工质量有直接影响，因此对其应有如下要求：(1)高精度 超精密切削机床应具有高的几何精度、运动精度和分辨率，主要表现在主轴回转精度、进给运动直线度、定位精度、重复精度等。机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，并可进一步采用误差补偿方法来提高精度。为了能进行微细切削，机床配有微动工作台，采用电致伸缩、磁致伸缩、弹性元件等微位移机构，实现微进给。超精密切削机床通常采用宽速直流或交流伺服电机一光栅位置检测闭环系统，采用激光干涉位置检测系统，可以获得极高的定位精度。(2)高刚度 机床的零部件必须具有很高的刚性才能保证超精密加工的顺利进行。现在的超精密加工机床零部件刚度可达到100N/m，即使因大负荷而产生相当大的位移,，如果这种位移是弹性的，其重复性将很高。同时，通过检测负荷和变形量，并把它减到最小，便可使它看起来具有很大的刚性。在高精度条件下，宏观变形比接触部分和滑动部分的动态变形重要。在超精密加工中，由于切削力很小，因此必须充分注意这种微观刚性。同时接触部分变形的微观重复性和非可逆的动态变形也会影响超精密加工的精度。(3)高稳定性 在机床结构上，多采用热导率低、热膨胀系数小、内阻尼大的天然花岗石来制作床身和工作台等，也可采用人造花岗石制作床身、工作台和轴承等。为了防止热变形对加工精度的影响，超精密切削机床除必须放在恒温室中使用外，有些机床设计了控制温度的密封罩，用液体淋浴或空气淋浴方法消除来自外部及内部的热源影响，如室温变化、运动件的摩擦热和切削热等。液体淋浴靠对流和传导带走热量，使温度控制在(200006)，比空气淋浴好，但成本较高，目前，温控精密最高可达(2000005)。(4)抗振性好 在机床结构上应尽量采用短传动链和柔性连接，以减少传动元件和动力元件的影响，电动机等动力元件和机床的回转零件应进行严格的动平衡，以使本身振动最小。为了隔离动力元件等振源的影响，超精密机床采用分离结构形式，即将电动机、油泵、真空泵等与机床本体分离，单独成为一个部件，放在机床旁边，再用皮带传动方式连接起来，可获得很好的效果。此外，对于大件或基础件，还应选用抗振性强的材料。(5)控制性能好 超精密切削机床采用微机数字控制，在选择数控系统时，不仅要考虑所需完成的功能，还应考虑具有良好的控制性能，如插补、进给速度控制、刀具尺寸补偿、主轴转速控制等，要求插补速度快、插补精度高、进给速度稳定。同时，还应有编程简便、操作使用方便、伴有跟踪显示等特点。此外，除应具有一般机床的静态和动态精度外，还应具有良好的随动精度。（三）加工刀具 (1)超精密切削刀具 超粗密切削的理想刀具材料主要是天然金刚石，因为超精密被加工材料主要是有色金属并且为微量切削，切深小于1m，可达到0.075m，相当于从材料晶格上逐个地去除原子，其切削力必须超过晶体内部的原子结合力，才能产生切削作用，而加工极限又受到刀具刃口圆弧半径所支配。刀尖能承受如此大的切削力且具有较高的耐用性的，目前只有天然金刚石。超精密切削，由于进刀量非常小, 刀尖上的单位阻力反而加大，使刀尖易受损。在小范围内，由于金属结晶中滑移变小, 在刀尖上产生剪切力，最后造成刀刃的损伤，缩短了刀刃的寿命，也使切削距离变短。另一方面，由于进给量小，加工一个工件的距离就变长，加工的件数就减少。超精密切削对刀头的要求条件是非常苛刻的。超精密切削刀头必须满足以下条件: 有研磨得特别锋利的刀尖；不产生走刀痕迹的刀刃形状；刀刃结晶位置要处于承受阻力特别大的方向； 切削阻力非常小的刀尖形状。(2)超精密磨削刀具 在超精密磨削中，砂轮材质十分重要，要求砂轮锐利、耐磨、颗粒大小均匀、结合均匀，在加工过程中，砂轮的磨损要小，磨粒的脱落要少。CBN 砂轮与金刚石砂轮适于超精密磨削，但这两种砂轮修正十分困难，采用石墨砂轮能得到良好的粗糙度，但尺寸和形状精度以及其它表面质量指标欠佳。(3)超精密研磨和抛光研具 超精密研磨和抛光对研具具有严格的要求。加工质量的表面粗糙度和加工变质层的深度是受磨粒和研具的机械作用所支配。为了实现超精密研磨和抛光，需要使用微细的磨粒和使磨粒作用工件很浅的研具材料。作为超精密研磨、抛光用的研具和抛光器，其工作面的形状精度会反映到工件表面上，因此必须减小因工作面磨损和弹性变形引起的精度下降。（四）被加工材料精密加工和超精密加工应该用相应的精密加工和超精密加工用的材料，才能保证加工质量，用一般加工用的材料或不合要求的材料进行精密加工和超精密加工是不能达到预期效果的。 用于精密加工和超精密加工的材料，在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严格要求；应该质地均匀，成分准确，性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷。其化学成分的误差应在10-210-3数量级，且应控制其杂质含量或不含杂质；其物理力学性能，如抗拉强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等，应达 10-510-6数量级。冶炼、铸造、轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制，温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料在物理、化学、力学、加工等性能方面均有很大影响。 （五）控制和检测超精密加工控制采用数控系统，控制精度要求很高，但其控制模型难以精确建立，一般应用误差补偿闭环控制、插补等技术以提高控制精度。精密测量同加工一样重要，超精密加工对测量期望更高。因为没有高精度测量手段，就不能评价超精密加工精度，通常认为测量精度应高于加工精度一个数量级。运动精度和定位精度的提高依赖于检测、控制分辨率的提高。但是，能够用10nm 数量级的精度等级来评价机床运动精度的计量技术还没有通用化。传感器的检测精度(分辨率和重复性等) 的提高是提高检测精度的关键问题。（六）工作环境精密和超精密加工只有在一定环境下工作，才能达到在精度和表面质量上的技术参数。工作环境的条件主要有温度、湿度、净化和防震等方面的要求，有时还有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求。三 总结超精密加工技术在高技术迅猛发展的今天显得越来越重要，一方面受高技术发展的牵引，超精密加工的精度和尺寸微小程度越来越高，另一方面，超精密加工技术是整个高技术领域的基础。提高超精密加工精度，降低超精密加工成本是目前迫切需要解决的问题。超精密加工产生的误差是多方面的，要提高超精密加工精度，不但要了解其影响因素，还必