精密加工1章绪论

1、精密和超精密加工技术 主讲：高作斌 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 1.感性认识精密和超精密加工 2.精密和超精密加工的技术内涵 3.精密和超精密加工技术的地位与作用 4.精密和超精密加工的需求及应用 5.超精密加工现状及发展趋势 绪论绪论 1.1 1.1 感性认识精密和超精密加工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 3 制造精度微小偏差带来较大的命中误差 1.1 1.1 感性认识精密和超精密加工感性认识精密和超精密加工 各类型人造卫星 4 仪表轴承表面粗糙度：Ra=1nm 1

2、.1 1.1 感性认识精密和超精密加工感性认识精密和超精密加工 雷达波导管 5 内表面粗糙度Ra0.010.02m或0.01m 1.1 1.1 感性认识精密和超精密加工感性认识精密和超精密加工 涡喷-13系列飞机发动机叶片 6 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。 1.1 1.1 感性认识精密和超精密加工感性认识精密和超精密加工 磁盘基片及磁头 7 飞行高度：0.3m0.15m，人类头发直径的千分之一 1.1 1.1 感性认识精密和超精密加工感性认识精密和超精密加工 照相机、摄像机等光学产品 8 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

3、，可将机械加工分为一般加工一般加工、精密加工精密加工、超精超精 密加工密加工三个阶段。 精密加工精密加工 加工精度（尺寸和形状）在0.11m，加工表面粗糙 度在Ra0.020.1m之间的加工方法称为精密加工； 1.2 1.2 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工的技术内涵 9 超精密加工超精密加工：加工精度（尺寸和形状）高于0.1m，加工表面粗 糙度小于Ra0.01m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，也称纳米加工纳米加工。 10 20世纪50年代前精密加工精度 5

4、m以上 超精密加工精度 1m以上 20世纪50年代后精密加工精度 3-5m 超精密加工精度 1m 20世纪70年代精密加工精度 1m 超精密加工精度 0.1m 目 前精密加工精度 0.1m 超精密加工精度 0.01-0.001m 不同时期的精密和超精密加工精度不同时期的精密和超精密加工精度 11 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1900192019401960198020002020 年年 加加工工精精度 度 ( m) 超精密加工 精密加工 普通加工 12 各种产品与所要求的精度范围各种产品与所要求的精度范围 加工精度 范围 机械产品电子产品光学产品 普 通 加工

5、 200m一般机械零件，家用电器 ，汽车零件，通用齿轮 通用电器机具，电子零件 外壳，小型电机，半导体 照相机外壳 精 密 加工 5m手表零件，精密齿轮，丝 杠，高速轴承，滚动轴承 继电器，IC硅片，录像头 ，记忆磁盘等 透镜，棱镜等 0.5m空气轴承，导轨，精密模 具，液压伺服阀等 磁头，IC元件，磁控管等精密透镜，X射 线反射镜，激光 反射镜 超 精 密 加 工 0.05m块规，金刚石压头，超精 密导轨等 IC存储器，硬磁盘，大规 模集成电路等 光学平晶，衍射 光栅，光盘等 0.005m超精密零件(平面，球面 ，非球面，螺旋面等) 超大规模集成电路超精密衍射光栅 1nm以下超精密零件的表面

6、粗糙度 13 分 类加工机理加工方法 去除加工 机械切除 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） 切削，磨削 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

7、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 14 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

8、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

9、形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝，槽 平面 15 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，Si KDP、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

10、加Mo2S2、WS2、 C等； 铸铁基金刚石砂轮采 用电解腐蚀修整。 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、PMAC抛光装置； NC化CAM化。 水晶LiTaO3 LiNbO3 GGG Si、GaAs 精细陶瓷 CVD SiC膜 玻璃 压电滤波器基片 SAW元件基片 半导体基

11、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 16 1.31.3 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 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 2 n m ， 而 我 国 尚 处 于 亚 微 米 水 平 （100nm1m），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。 17

12、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。 18 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。

13、19 1.4 1.4 精密和超精密加工的需求及应用精密和超精密加工的需求及应用 ：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。 超精 密加 工的 材料 金属材料高硬度、高强度耐热合 金 应用：军工业、航空航天、原子能工 业、激光金属、光学、电子工业 非金属材料高分子材料 复合材料 无机硬脆材料 应用：光学、化学、电子 应用：航天、能源工业 应用：电子、原子能、能源 20 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0.000

14、5m，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0.01m，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1m，表面粗糙 度为Ra0.01m，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1m，表面粗糙度小于 Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。 21 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 22 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

15、 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。 23 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。 24 分类名称 单元芯片上的单 元逻辑门电路数 单元芯片上的 电子元件数 最小

16、线条宽度 m 小规模集成电路10121008 中规模集成电路1210010010006 大规模集成电路100104100010636 超大规模集成电路1041050.12.5 25 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。 26 1.5 1.5 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 超精密加工刀具刀具：金

17、刚石刀具材料与结构 超精密加工机理加工机理 超精密加工机床设备机床设备 超稳定的加工环境条件环境条件 超精密加工测量技术测量技术：检测技术和误差补偿 超精密加工的工件材料工件材料 微细加工微细加工 (超精密特种加工) 27 机床技术机床技术 (刚度、驱动系统、主轴、工作台、导向、轴承、润滑、 夹持系统、变形等) 刀具刀具技术技术 (刀具几何参数、刀具结构、磨损、破损等) 测量测量技术技术 (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) 环境环境技术技术 (空气、温度、振动、噪声、湿度、静电、光等) 28 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

18、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。 （见例图） 29 英国多功能三坐标联动数控磨床OAGM2500：加工 尺寸:2.5m2.5m0.61m，12.5m、Ra23nm 美国大型光学金刚石车床LODTM（1984）：可 加工1625mm，1360kg，0.025m、Ra0.0045m 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 30 金刚石刀具是超精密切削中的关键因素。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

19、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。 31 名词：天然单晶金刚石刀具名词：天然单晶金刚石刀具 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10000H

20、V。 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Rz0.10.05m。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

21、和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料)。 32 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10-210-3 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10-510-6 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。 33 (1)高精度。 (2)高刚度。 (3)高稳定性。 (

22、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。 34 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24nm，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W20W0.5的 微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。 35 超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。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隧道显微镜法(0.01nm)(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