精密加工1章绪论.ppt

精密和超精密加工技术 参考材料 张建华主编 精密与特种加工技术 於贻琛 精密机床 教材 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 绪论 主要内容 3 1 1感性认识精密和超精密加工 美国民兵系列洲际导弹系统陀螺仪 战略导弹 制造精度微小偏差带来较大的命中误差 4 1 1感性认识精密和超精密加工 各类型人造卫星 仪表轴承表面粗糙度 Ra 1nm 5 1 1感性认识精密和超精密加工 雷达波导管 内表面粗糙度Ra0 01 0 02 m或 0 01 m 6 1 1感性认识精密和超精密加工 涡喷 13系列飞机发动机叶片 提高叶片加工精度 可进一步提高发动机压缩效率 传递扭矩 7 1 1感性认识精密和超精密加工 磁盘基片及磁头 飞行高度 0 3 m 0 15 m 人类头发直径的千分之一 8 1 1感性认识精密和超精密加工 照相机 摄像机等光学产品 9 一 精密和超精密加工的定义及加工范畴 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 尺寸和形状 在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之间的加工方法称为精密加工 1 2精密和超精密加工的技术内涵 10 超精密加工 加工精度 尺寸和形状 高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m之间的加工方法称为超精密加工 如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料 即是加工的极限 从这一角度来定义 可以把接近于加工极限的加工技术称为超精密加工 也称纳米加工 不同时期的精密和超精密加工精度 11 12 13 各种产品与所要求的精度范围 14 二 精密和超精密加工方法分类 1 15 三 精密和超精密加工方法分类 2 16 四 精密切削 磨削 研磨实例 17 1 3精密和超精密加工技术的地位与作用 一 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 例如 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 100nm 1 m 相差一个数量级 又如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 18 二 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场 作为真实产品的实际制造 必然要靠精密加工和超精密加工技术 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 应该说 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 19 三 超精密加工的意义 提高制造精度提高产品质量和性能提高产品可靠性促进产品小型化增强零件互换性提高装配生产率 促进装配自动化超精密加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术 国与国之间的竞争实质是尖端技术之间的竞争 而超精密加工是其中主要的一个方面 20 1 4精密和超精密加工的需求及应用 超精密加工技术主要应用于 尖端技术 国防工业 微电子工业 激光技术 航空航天 卫星 计量 光学仪器 大规模集成电路 部分民用产品等 21 一 国防工业上的需求及应用 超精密加工技术与国防工业关系密切 如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工 导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率 1kg的陀螺转子 其质量中心偏离其对称轴0 0005 m 则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差 大型天体望远镜的透镜 直径达2 4m 形状精度为0 01 m 如著名的哈勃太空望远镜 能观察140亿光年的天体 六轴CNC研磨抛光机 图 红外线探测器反射镜 其抛物面反射镜形状精度为1 m 表面粗糙度为Ra0 01 m 其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率 激光核聚变用的曲面镜 其形状精度小于1 m 表面粗糙度小于Ra0 01 m 其质量直接影响激光的光源性能 22 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 23 精密雷达 精确制导 电子对抗 导弹防御系统 TMD NMD 间谍卫星等人造卫星仪表轴承红外导弹中红外线反射镜超小型计算机等海湾战争 克索沃战争 伊拉克战争中美国及其盟国武器系统中大部分与超精密加工技术有关 如 精密雷达 精确制导 电子对抗 隐形飞机 夜战能力 间谍卫星 红外制导等 美国及其盟国的胜利在某种意义上看 可以说是高技术战争 是高科技的胜利 没有超精密加工技术 就没有真正的国防工业 尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工 24 二 信息产品中的需求及应用 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 25 26 三 民用产品中的需求及应用 计算机磁盘基片 录像机磁鼓 激光反射镜 隐形眼镜 光盘 各种天文望远镜 显微镜 光学仪器 复印机等产品 以及现代小型 超小型成像设备 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 激光打标机等各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成 至于超精密加工床 设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造 27 1 5超精密加工现状及发展趋势 一 超精密加工技术的研究内容 超精密加工刀具 金刚石刀具材料与结构超精密加工机理超精密加工机床设备超稳定的加工环境条件超精密加工测量技术 检测技术和误差补偿超精密加工的工件材料微细加工 超精密特种加工 28 二 超精密加工的关键技术 机床技术 刚度 驱动系统 主轴 工作台 导向 轴承 润滑 夹持系统 变形等 刀具技术 刀具几何参数 刀具结构 磨损 破损等 测量技术 误差检测 补偿 位移 形状 粗糙 微位移机构 激光技术 表面变质层等 环境技术 空气 温度 振动 噪声 湿度 静电 光等 29 三 超精密加工技术的国内外现状 美国是开展研究最早的国家 日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 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 见例图 30 英国多功能三坐标联动数控磨床OAGM2500 加工尺寸 2 5m 2 5m 0 61m 1 2 5 m Ra2 3nm 美国大型光学金刚石车床LODTM 1984 可加工 1625mm 1360kg 0 025 m Ra0 0045 m CNC超精密车床 300mm 空气轴承超精密车床JSC 027 NAM 800型CNC超精密金刚石车床 800mm等 31 四 影响精密和超精密加工的因素 1 加工机理 金刚石刀具是超精密切削中的关键因素 两个重要问题 一是晶面的选择 二是切削刃钝圆半径rn 近年来 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 32 单晶金刚石就是单一碳原子的结晶体 其晶体结构属于等轴面心立方晶系 一种原子密度最高的晶系 由于金刚石中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键 因此具有很强的结合力 稳定性和方向性 它是目前自然界已知的最硬物质 其显微硬度可达10000HV 二十世纪七十年代后期 在激光核融合技术的研究中 需要大量加工高精度软质金属反射镜 要求软质金属表面粗糙度和形状精度达到超精密水平 如采用传统的研磨 抛光加工方法 不仅加工时间长 费用高 操作难度大 而且不易达到要求的精度 因此 亟需开发新的加工方法 在现实需求的推动下 单晶金刚石超精密切削技术得以迅速发展 由于单晶金刚石本身的物理特性 切削时不易黏刀及产生积屑瘤 加工表面质量好 加工有色金属时 表面粗糙度可达Rz0 1 0 05 m 金刚石还能有效地加工非铁金属材料和非金属材料 如铜 铝等有色金属及其合金 陶瓷 未烧结硬质合金 各种纤维和颗粒加强复合材料 塑料 橡胶 石墨 玻璃和各种耐磨木材 尤其是实心木和胶合板 MDF等复合材料 切削刃钝圆半径 国外达到数纳米级 国内0 1 0 3 m 33 2 被加工材料 用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 例如 要求被加工材料质地均匀 性能稳定 无外部及内部微观缺陷 其化学成分的误差应在10 2 10 3数量级 不能含有杂质 其物理力学性能 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 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 34 3 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 35 4 加工工具 加工工具主要是指刀具 磨具及刃磨技术 用金刚石刀具超精密切削 值得研究的问题有 金刚石刀具的超精密刃磨 其刃口钝圆半径应达到2 4nm 同时应解决其检测方法 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 36 5 检测与误差补偿 超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级 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 0 01nm 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 37 6 工作环境 超稳定环境条件 恒温 防振 超净 恒湿 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 5 m的尘埃不超过100个 依此类推 38 五 超精密加工技术发展趋势 超精密加工技术未来的发展趋势是 向更高精度 更高效率方向发展 向大型化 微型化方向发展 向加工检测一体化方向发展 机床向多功能模块化方向发展 不断探讨适合于超精密加工的新原理 新方法 新材料 39 六 我国今后的主要研究内容 超精密加工的加工机理 进化加工 及 超越性加工 机理研究 微观表面完整性研究 在超精密范畴内的对各种材料 包括被加工材料和刀具磨具材料 的加工过程 现象 性能以及工艺参数进行提示性研究 超精密加工设备制造技术 纳米级超精密车床工程化研究 超精密磨床研究 关键基础件 如轴系 导