《精密及超精密加工技术》(学时)

主讲：覃寿同

《精密及超精密加工技术》

郑州大学机械工程学院答疑信箱：qst@1

《精密及超精密加工技术》关于本课程2关于本课程课程名称（中／英文）：精密与超精密加工技术PrecisionandUltra-precisionManufacturingTechnology总学时：24学分：1.5适用对象:机械专业本科课程性质：任选课工科类机械设计与制造专业的专业课；也可作为是机械工程类学生、研究生扩展专业知识面、培养创新意识的专业限选课和专业任选课程。3课程目的：介绍一些新的制造理念和技术；精密与超精密加工的概念、所处地位及发展现状；所用的刀具与磨具、机床与工艺、检测方法的基本原理等理念和技术；掌握有关这些方面的知识，培养解决生产与科研实际问题的能力。4先修课程已具备机械类专业主要课程基础知识：选修或自学过：《机械制图》《金属工艺实习》《机械制造基础》《金属切削机床》《金属切削原理及刀具》《机械制造工艺学》《机械制造生产实习》等5课程任务：了解和认识精密和超精密加工过程的一般现象及基本规律；能按具体加工条件选择合理的加工方法，了解及掌握不同方法技术的特点、应用场合；了解及会初步选择与方法相适应的合适的设备、工具、磨具、工艺参数、测量手段、支撑环境；了解精密和超精密加工的学科前沿及发展动态，包括纳米技术、微细加工技术等概念和特点；了解需要的支撑环境技术等。6课程主要内容第一讲：绪论及课程介绍2第二讲：精密与超精密切削技术4第三讲：精密与超精密磨削技术

4第四讲：超精密研磨与抛光技术

4第五讲：精密与超精密加工的工艺装备

2第六讲：精密与超精密加工的测量技术

2第七讲：超精密加工的支撑环境技术

2第八讲：超精密加工典型零件加工简介

4

课时合计247推荐教材及参考资料[1]袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术.机械工业出版社,1999年[2]刘贺云.精密加工技术.华中理工大学出版社,1991年[3]王先逵.精密及超精密加工.机械加工手册,第2卷,14章,机械工业出版社,1991年[4]现代加工技术丛书化学工业出版社2004.1[5]李伯民.赵波现代磨削技术机械工业出版社2003.6[6]李长河，丁玉成.先进制造工艺技术科学出版社2011.3[7]王润孝.先进制造技术导论科学出版社2004.4[8]卢小平.现代制造技术清华大学出版社2003.10[9]徐耀信.机械加工工艺及现代制造技术西南交通大学出版社2005.2[10]李梦群，庞学慧，王凡.先进制造技术导论国防出版社2005.5[11]李伟.先进制造技术导论》机械工业出版社2005.88

《精密及超精密加工技术》第一讲：精密及超精密加工技术概念9一、研究对象：什么是精密加工与超精密加工？——相对概念，在不同阶段加工发展时期，加工精度和表面质量达到的程度，发展不同阶段的加工精度；目前认为：精密加工：精度：0.1—1μm，Ra0.02—0.1μm超精密加工：精度：＜0.1μm，Ra＜0.01μm相对概念

瓦特改进蒸汽机——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末及21世纪初、中叶——

精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亚微米）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm（纳米）10二、与精密与超精密加工相关的概念1.亚微米加工：精度为0.1μm级的加工；2.纳米加工：加工精度达纳米级，纳米技术一般指0.1~100nm材料的设计、加工、检测、控制等一系列技术；3.微细加工：多指制造微小尺寸零件的生产，用于半导体元器件的生产，如光刻技术、微细加工等等；但超微细加工加工的尺寸比微细加工尺寸更小，可达纳米级。4.光整加工：主要是指以提高零件表面质量，降低表面粗糙度、和提高表面物化性能为主的加工方法。一般不以提高加工精度目的为主。如抛光、磁流变、磨料流加工。5.精整加工：即又能提高零件加工精度，又能提高零件表面质量的加工方法。如研磨、超级精磨、镜面磨削等手段的加工技术；

11零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm

卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm

天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm

几种典型精密零件的加工精度（位置误差）12

精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份13三、引起学科发展原因：新、高、精、尖产品要求；（高技术及国防需求为主导）提高已有产品的性能与质量要求；产品的稳定性、可靠性、小型化要求；零件的互换性要求；设备装配及生产率要求；提高总体制造水平要求；

……14例子：①超精密加工的陀螺仪精度提高可增加导弹的命中精度

美国民兵洲际导弹系统陀螺仪精度0.03°—0.05°h，精度圆概率500m；美MX战略导弹加工的精度高一个数量级，则命中概率500m提高到50—100m，民兵Ⅲ洲际导弹MX战略导弹15民兵洲际导弹MX战略导弹民兵Ⅲ洲际导弹16例子：①超精密加工的陀螺仪精度提高可增加导弹的命中精度

美国民兵洲际导弹系统陀螺仪精度0.03°—0.05°h，精度圆概率500m；美MX战略导弹加工的精度高一个数量级，则命中概率500m提高到50—100m，一般认为1kg重的陀螺转子，质量中心偏离对称轴0.5nm，则会引起100米的射程误差50米的轨道误差导航用陀螺仪陀螺仪工作示意图航向陀螺仪结构原理17②英国Rolls-Roycc公司资料

飞机发动机转子叶片精度60μm到12μm

，Ra0.5到0.2μm，则压缩效率将发生“戏剧性改善”效率89%提高到94%；③传动齿轮的齿距误差减小可增加传递转矩目前：3-6μm，若降低到1μm，则单位重量所能传递的转矩将提高近一倍；④“飞行高度”问题——磁头与磁盘之间高度影响存储量

目前已达0.3μm，近期力争达到0.15μmIBM开发的磁盘50年代末300bit/cm2→82年254万bit/cm2，提高了近10000倍；⑤常见惯性仪表零件的制造精度激光陀螺平面反射镜，平面度0.03-0.06μm，Ra0.012以下人造卫星的仪表轴承（真空无润滑轴承）Ry=1nm（0.001μm），圆度和圆柱度均以nm来表示波导管加工超精密车削内腔Ra=0.01-0.02μm或≤0.01

端面Ra≤0.01μm平面度＜0.1μm垂直度＜0.1

品质因素可达6000，而一般生产方法仅能到2000-400018⑥集成电路集成度提高提高取决于超精密加工水平加工的最小线宽

小规模＜10-12电路数＜100元件/单位最小线宽≤8μm

中规模12-100电路数100-1000最小线宽≤6μm

大规模＞100-＜电路数1000-＜最小线宽3-6μm

超大规模≥电路数≥最小线宽0.1-2.5μm

已论证5nm的线宽在理论上是可行英国格拉斯哥大学于1985年以电子束加工技术加工出30nm线宽日本ERATO公司正加工20nm线宽，硅基片上以黄金为导体线距为0.2mm线路板与线宽

集成度为600万的集成块19精密与超精密加工目前水平：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm；日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm；美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内；（激光制导可达3m范围内，取决于制导形式、精密加工的执行件）英国飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍20四、精密与超精密加工分类（1）以传统加工理念分类

1、超精密切削，以超精密金刚石刀具切削为主解决各种镜面、反射镜等加工问题；

2、精密和超精密磨削和研磨，解决集成电路基片加工和高精度硬盘加工问题；

3、（超）精密特种加工非常规切、磨手段之外的加工技术；

21结合加工

分类加工机理加工方法示例去除加工电物理加工电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学化学镀、化学气相沉积电化学电镀、电铸热熔化真空蒸镀、熔化镀化学氧化、氮化、活性化学反映电化学阳极氧化热熔化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理离子注入、离子束外延连续加工热物理激光焊接、快速成形化学化学粘接变形加工热流动精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动精密铸造、压铸、注塑分子定向液晶定向2.以加工件材料转移方法分类223.以加工机理分类1.传统加工技术为主的精密加工方法：多以去除法、及机械力为主的加工；如：金刚石超精切削、金刚石微粉磨削、精磨、研磨、精研、抛光等；2.

特种超精加工方法：不以机械力为主的加工方法，依靠其它能量进行加工：如：精细电火花加工、微细电解磨削、微细超声加工、离子加工、激光加工等；3.复合超精密加工方法：传统精密加工方法复合、特种超精加工方法复合、以及传统精密加工方法与特种超精加工方法复合等。机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声波磨削、精密超声珩磨等等；

234.以加工工具和机理分类（1）刀具切削加工：以去除法及机械力为主的加工；如：精密、超精密车削；精密、超精密铣削；精密、超精密镗削；微细小孔钻削。（2）磨料加工：

磨削：精磨、超精磨、砂带磨；

研磨：精研、超精研磨、油石研磨、磁性研磨、滚动研磨；

抛光：精抛、弹性发射抛光、流体动力抛光、喷射抛光、磁流体抛光等；

超精加工：珩磨：振动研磨；24磨料超精及精密加工简介——精整和光整加工精整加工——它是指精加工后从工件上切除很薄的材料层,以提高工件精度和减小表面粗糙度为目的的加工方法。例如：研磨和珩磨

光整加工——是指不切除或从工件上切除极薄材料层,以减小工件表面粗糙度为目的的加工方法。

例如：超级光磨和抛光

25

1.研磨（1）加工原理研磨是在研具与工件之间置以研磨剂,对工件表面进行精整加工的方法。通过研磨剂的机械及化学作用,对工件表面进行加工。组成：研具、工件、研磨剂。研具：硬度低于工件，形状与工件相适应；用铸铁、软钢、黄铜、塑料或硬木制造；工件：硬度高于研具；研磨剂：磨料、研磨液和辅助填料等混合而成，有液态、膏状和固态三种。26研具研磨原理27研磨、28

（2）研磨的特点及应用

特点:1)加工简单,不需复杂设备；2)可以达到高的尺寸精度、形状精度和小的表面粗糙度,但不能提高工件各表面间的位置精度；精磨时尺寸误差和形状误差可以小到0.1～0.3μm；表面粗糙度Ra值可达0.025μm以下；3)生产率较低,加工余量一般不超过0.01～0.03

mm；4)研磨剂易于飞溅,污染环境。29研磨应用各种表面：常见的表面如平面、圆柱面、圆锥面、螺纹表面、齿轮齿面等；精密配合偶件:如柱塞泵的柱塞与泵体、阀心与阀套等。精密零件的最终加工:如精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、精加工镜头、棱镜等。精加工石英晶体、半导体晶体、陶瓷元件等。302.珩磨（1）加工原理

珩磨是利用带有油石的珩磨头对孔进行精整加工的方法。31珩磨头结构示意图珩磨头示意图32

（2）珩磨的特点和应用

特点:1)生产率较高；余量：铸铁为0.02～0.15mm；钢件为0.005～0.08mm；2)精度高；不能提高孔的位置精度。原因：珩磨头与机床主轴浮动连接；3)珩磨表面耐磨损；4)珩磨头结构较复杂；5)不宜加工有色金属。33珩磨应用：珩磨主要用于孔的精整加工；直径为5～500mm或更大的孔；能加工深孔；珩磨还可以加工外圆、平面、球面和齿面等；应用普遍：大批大量或单件小批生产中；典型零件：例如飞机、汽车、拖拉机发动机的汽缸、缸套、连杆以及液压油缸、炮筒等。34

3.超级光磨（1）加工原理超级光磨是用装有细磨粒、低硬度油石的磨头,在一定压力下对工件表面进行光整加工的方法。

35超级光磨加工外圆示意图36

（2）超级光磨的特点及应用特点:1)设备简单,操作方便；2)加工余量极小,只留有3～10μm的加工余量；3)生产率较高；加工余量极小,加工时间很短,约为30～60s；4)表面质量好；(Ra小于0.012μm),复杂的交叉网纹,利于储油,表面的耐磨性；5)不能提高其尺寸精度和形位精度.37超级光磨应用汽车、内燃机零件；轴承、精密量具等小粗糙度表面零件；它不仅能加工轴类零件的外圆柱面,而且还能加工圆锥面、孔、平面和球面等。

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4抛光（1）

加工原理抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。抛光轮——用毛毡、橡胶、皮革或布做成。磨膏——由磨料（氧化铬、氧化铁等）和油酸、软脂等配制而成。39例如：抛光示意图40

（2）特点及应用1）方便简单而经济；2）容易对曲面进行加工；3）仅能提高表面质量，而不能提高加工精度；4）劳动条件较差。41（3）精密与超精密加工的特种加工方法：

电火花加工：电火花成型、电火花线切割；

电化学加工；电解加工、电铸、

化学加工：蚀刻、化学铣削、

超声加工：

微波加工：

高能束加工：电子束加工、离子束加工、激光束加工、红外光加工；复合加工：化学类：精密电解磨、研、抛；

超声类：精密超声车、磨、研、抛；

化学类：机械化学磨、研、化学机械抛；

42五、精密与超精密加工的现状（前沿）：1.总体发展：

设备情况（国外领先较多）单晶金刚石刀具进行超精切削，

50年代简单圆柱、球面、平面Ry=0.1μ现正发展加工非球曲面，大型超精密零件切削表现：中小型零件批量大型超精密切削（美国领先）

LLL实验室（LowrenceLivermoreLaboratory）

1983年DTM-3型超精密金刚石车床Ф2100mm4500kg1984年LODTM型超精密金刚石车床Ф1625mm1360kg43五、精密与超精密加工的现状（前沿）：中小型零件磁盘日本占有率

198419851987198717%24%44%49%28657914421741（万片）机床欧美等国生产①空气轴承主轴，高压液体静压轴承②精密数学伺服方式激光干涉测量（CNC）

nm级微位移③恒温油淋系统油温20℃±0.0005℃

44五、精密与超精密加工的现状（前沿）：压电晶体误差补偿技术可保证加工精度0.025μPhilips公司COLATH

英国Cranfield

公司与SERC公司合作

OAGM2500（工作台2500*2500车磨测量等）我国情况：沈阳、济南大型超精密车、球面车等也有较高水平；但目前无高质量的超精数控金刚石车床2.金刚石刀具和超精切削机理研究

刀具要点：晶面的选择刀具研磨质量：（刀刃刃口半径ρ）影响实际切削厚度，名义切削厚度

ρ值：国外——纳米级国内——0.1-0.3μ

45五、精密与超精密加工的现状（前沿）：刀具测量问题：SEM(扫描式电子显微镜)

＜0.01μm测量是一个困难其他机理研究：磨损问题，最小切削厚度，积屑瘤等工件材料对超精加工影响：不纯性问题晶界影响残余变形、应力与刀具亲和力3.检测与补偿测量机精度高于被测一个数量级一般用非接触式测量方法

46五、精密与超精密加工的现状（前沿）：非接触式测量方法

Johaness

公司高次光波干涉显微镜分辨率0.5nm

Orienpass

公司重复反射干涉±0.001nm

隧道扫描显微镜