超精密加工技术

第

3

章

先

进

制

造

工

艺

技

术先

进

制

造

技

术2010

年7月1日·先进制造工艺技术概述·超高速加工技术·

超

精

密

加

工

技

术·微型机械加工技术·

特种

加

工

技

术—

电火花

加

工—

高能束加工及复合加工—

虚拟轴机床技术·快速原形制造技术授

课

内

容2010

年7月1日·

概述·超精密加工范畴·超精密加工的设备与环境·超精密加工技术的发展展望超精密加工技术2010

年7月1日·

超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械

加工新工艺，

综合应用了机械技术发展的新成果

及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进

的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进

一步提高，

使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度

发

展

。概

述2010

年7月1日·

超精密加工技术是衡量一个国家先进制造技术水

平的重要指标之一，是先进制造技术的基础和关键

。·

当代的精

密

工

程、微细

工

程

和

纳米

技

术

是

现

代

制

造技术的前沿，也是明天技术的基础。·

目前

，

在工业发达国家中，一般工厂能稳

定掌

握的加工精度是1μm。概

述2010

年7月1日概

述超精密加工技术的技术指标①精密加工精

度

为

1

—

0

.

1

μm,表

面

粗

糙

度

值

为

：

Ra0.3—0.03μm;②超精密加工精度为

0

.

1—

0

.

0

1

μ

m表面粗糙度值为

Ra0.03

—0.005μm,又称亚微米

加

工

；(

1

微

米

=

0

.

0

0

1mm)

③纳米加工精度高于0

.

03μ

m,表面粗糙度值小于

Ra

0.005μm。2010

年7月1日·

提高制造精度后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，

并促进自动化装配

。超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日·

超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中

占

有

非

常

重

要

地

位

。

例

如

：

对

于

导

弹

来

说

，

具

有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是

由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需

要有超精密加工技术和相应的设备。超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日·

例如：

美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统陀螺仪的精度

为0.03°~0.05°/h,

其命中精度的圆概率误差为500m,而MX战略导弹(可装载10个核弹头)制导系

统陀螺仪精度比民兵Ⅲ型导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有50～150m。·

如

果lkg

重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm,

则

会

引

起

1

0

0m的

射

程

误

差

和

5

0m的

轨

道

误差

。2010

年7月1日超精密加工技术的重要性概

述·

红外探测器中接收红外线的反射镜是红外导弹的

关键性零件，其加工质量的好坏决定了导弹的命

中率。该反射镜表面的粗糙度要求达到度Ra0.015

~0.01μm。

只有采用超精密车削，

方能满足上述

要

求

。超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日摄制亿万公里远星球图象的哈勃望远镜(HST),

其

一次镜要求使用直径2.4m,

重达900kg的大型反光镜，

并且具有很高的分辨率。为此，

专门研制了

超精密加工(形状精度为0.01μm)光学玻璃用的6轴

CNC

研

磨

抛

光

机

。·

又如，

已被美国航天飞机送入空间轨道的，

用来超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日·大

规

模

集

成

电

路的

发

展

，

促

进

了

微

细

工

程

的

发

展

,

并且密切依赖于微细工程的发展。

因为集成电

路的发展要求电路中各种元件微型化，

使有限的

微小面积上能容纳更多的电子元件以形成功能复

杂和完备的电路。

因此，

提高超精密加工水平以

减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集

成电路集成度的技术关键。超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日·

从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才

能制造精密陀螺仪、精密雷达、超小型电子计算机

及其它

尖

端

产

品

。13超精密加工技术的重要性概

述2010

年7月1日磨

削C

N

C

、

加

工

中

心研磨

、珩

磨

、

工业

磨

床

、

坐

标

镗

床分

步

重

复

照相

机光学镜头磨床、精密磨床、超精磨床

金

刚石

磨床

、

金

刚

石

车

床9高

电精

解度

加刻

工线

机、

机

床

、金

刚

石

衍

射

光超

精

车床栅

刻

线

机电

离子

子束

束、加硬

软

X

工—

射

线(

平

板

印

刷

)

分子束生长

技

术

、

离

子

注

人

技

术

材

料

合

成

、

扫

描

隧

道

工

程(STE1

9

4

0

年1

9

6

0

年

1

9

8

0

年

2

0

0

0

年当代多种加工方法所能达到的精度，见图。100|100.0.0l0.001(Inm)l0.00030.0001(1A)加工精度/μm概

述车

削

、

铣

削2010

年7月1日Page

14·

可见，

精密工程正在向其终极目标原子级精

度的加工逼近，

也就是做到“移动原子”。为了

达到这一目标，各工业发达国家都在努力冲刺。·日本的ERATO计划中，

纳米技术作为其六项优先技术之一，在由政府、大学和工业界联合开发。材

料在纳米范围内的物理力学性能将予以分析，基本的测试系统与加工设备正在研制中。概

述2010

年7月1日·

美

国

的VHSIC计划正在进行

，

海

军

研

究

室

(Officeof

Naval

Research)正在资助几所学校精密工程

的研究项目。美国精密工程学会(Amer

icanSocietyforPrecisionengineering)已

经

成

立。在大学和工业界有七个小组正在扫描隧道工程

方面进行卓有成效的研究工作。16概

述2010

年7月1日·

在英国国家纳米技术(NION)

计划已开始实行，纳

米技术战略委员会(Nanotechnology

StrategyCommittee)巳建立，正在实行合作的研究计划，1

9

9

0

年

6

月

英

国

正

式

出

版

《

纳

米

技

术

》

学

术

期

刊

。Pa概

述2010

年7月1日·

概

述·

超精密加工范畴·超精密加工现状·超精密加工的设备与环境·超精密加工的发展展望18超

精

密

加

工

技

术2010

年7月1日·

在过去相当的一段时期，

精密加工、特别是超精

密加工的应用范围很狭窄。近十几年来，随着科

学技术和人们生活水平的提高，精密和超精密加

工

不

仅

进

入

了

国

民

经

济

和

人

民

生

活

的

各

个

领

域

，而且从单件小批生产方式走向大批量的产品生产O超

精

密

加

工

范

畴2010

年7月1日·

在机械制造行业，

已经改变了过去那种将精密机

床放在后方车间，

仅用于加工工具，

卡具，量具

的陈规。现在，工业发达国家已经将精密机床搬

到前方车间，直接用于产品零件的加工。20超

精

密

加

工

范

畴2010

年7月1日精密和超精密加工目前包含三个领域：1)超精密切削，

如超精密金刚石刀具切削，

可加

工各种镜面、它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。2)精密和超精密磨削研磨，例如解决了大规模集

成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。3)精密特种加工，如电子束，

离子束加工，美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。超

精

密

加

工

范

畴2010

年7月1日●·

概

述·超精密加工范畴·

超

精

密

加

工

现

状·超精密加工的设备与环境·超精密加工的发展展望超

精

密

加

工

技

术2010

年7月1日·

超精密切削加工已不再是一种孤立的加工方法和

单纯的工艺问题，

而成为一项包含内容极其广泛的系

统工

程

。·实现超精密切削加工，

不仅需要超精密的机床设备和刀具，也需要超稳定的环境条件，还需要运

用计算机技术进行实时检测，

反馈补偿。只有将

各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超超精密加工技术的现状精

密

切

削

加

工

.2010

年7月1日·天然金刚石具有无与伦比的硬度，

是超精密加工

的一种最佳切削刀具材料。特别是今年来，

已经

成为超精密镜面切削的主要刀具。·使用天然单晶金刚石刀具对超精密零件进行超精

密切削，

始于50年代末期。初期的被加工工件多

为形状简单的圆柱表面、平面和球面，

只要求达

到及Rmax0.1μm

的镜面即可。后来发展要求加工非球曲面反射镜、再发展要求加工大型反射镜O超精密加工技术的现状2010

年7月1日·

金刚石刀具的超精密切削加工技术，

主要应用于两

个

方

面

：

单

件

的

大

型

超

精

密

零

件的

切

削

加

工

和

大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。超精密加工技术的现状2010

年7月1日·单件大型零件超精密金刚石刀具切削，以美国最为发达，居于世界领先地位。美国超精密加工技术的发展出于国防

的需要，通过能源部激光核聚变的任务，以及陆海空三军

制造技术开发计划等，对超精密金刚石切削机床的研究开发投入丁巨额资金和大量人力。其最高水平是LLL实验室(LowrenceLivermoreLaboratory)1983年研制的第三号

大型超精密金刚石车床(DTM—3型),该机可加工φ2100mm,质

量

为4500kg和1984年研制的大型光学金刚石车床LODTM,

可加工中1625mm,

质量1360kg

的非球面工件，其加工精度可达0.025μm,

表面粗糙度Ra0.0045μm。超精密加工技术的现状2010

年7月1日

26·

大量生产的中小型超精密零件大多是感光鼓，磁

盘，多面镜，以及平面，球面或非球面的激光反

射镜等。材料多为铜，铝及其合金，非电解镀镍层，进而扩展至塑料及硬脆材料(如陶瓷),间或有

铁氧体材料加工。最近也有用CBN

精车黑色金属

的报道。超精密加工技术的现状2010

年7月1日加

工

零

件

例平

均

加

工

精

度激

光

光

学

零

件表面粗糙度R。0.0

1

～

0

.0

0

6

μm形

状

精

度

0

.

1

μ

m磁头表

平面粗糙度Kx0

,

0

2

μm面度0.04

μm,尺寸精度

±2.5

μm多面

镜表

反

平面粗糙度Rmax0.0

1～0

.0

2

μm射

率

8

5

%

～

9

0

%面度0

.

0

4

μ

m

·

λ

/

5~

λ

/1

O磁盘表

波面粗糙度R

a

0

.

0

1

～

0

.

0

0

4

μm度

0

.

0

2

～

0

.

0

lm

m塑

料非

球透

镜

用面

模

具表

形面粗糙

度

R

me,

O.

0lzx

m状

精

度

1

～

0

.

3

μ

m·

这

些

零

件

的

加

工

精

度

可

用

表

说

明

。

中小型精密幂件的加工精度超精密加工技术的现状2010

年7月1日28·英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研

究所

(

简

称CUPE)享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精

密加工技

术

水

平的独

特

代

表。如CUPE

生产

的Nanocentre

(纳米加工中心)既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工

件的形状精度可达0.lμm,

表面粗糙度Ra<10nmO2010

年7月1日

超精密加工技术的现状●

日本对

超精

密

加

工

技

术的研究

相

对于

美、英

来

说起步较晚，但

是当

今

世

界

上

超

精

密

加

工

技

术

发

展

最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者

是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防

尖端技术为主要目标。·

日本TOYOTA公司生产的专用超精密车床用于加

工非球曲面的钢磨具，可用于车削、铣削、磨削

并带有精密测量装置。该机床加工模具形状精度

为

0

.

0

5um,表面粗糙度

为

0

.

0

2

5um

。

结构上机

床采用盒式结构，不受外界影响，并机床处于恒

温状

态

。2010

年7月1日超精密加工技术的现状我国的

超

精

密

加

工

技

术

在

7

0

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。北

京

机

床

研究

所、

航

空

航

天

工

业

部

三

零

三

所

、

哈

尔滨工业大学、清华大学、中科院长春光学精密

机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、

成都工具研究所、

国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可

靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面

与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距

。·●●2010

年7月1日超精密加工技术的现状Page

31·

概

述·超精密加工范畴·超精密加工现状·

超

精

密

加

工

的

设

备

与

环

境·超精密加工的发展展望32超

精

密

加

工

技

术2010

年7月1日·超精密切削加工是一项内容广泛的新技术，它的

加工精度和表面质量是由所使用的超精密机床设

备，金刚石刀具，切削加工工艺，计量和误差补

偿技术，操作者的技术水平，环境支持条件等多

种因素影响的综合结果，下面对其中几个主要方面

的

情

况

予

以

说

明

。超精密加工技术的机床设备2010

年7月1日·超精密机床是实现超精密切削的首要条件，各国

都投人大量人力物力研制超精密切削用机床。

目

前水平最高的是美国。其代表作是LLL实验室1983年研制成功的DTM-3

型大型超精密车床，和1

984年研制成功的大型光学金刚石车床LODTM。该机床采用空气轴承主轴和高压液体静压主轴，刚

度高，

动

态

性

能

好

。超精密加工技术的机床设备2010

年7月1日超精密加工技术的机床设备·为实现超精密位置的确定，采用了精密数字伺服方

式，控制部分为内装式CNC

装置和激光干涉测长仪,实现随机测量定位。为了实现刀具的微量进给，在DC伺服机构内装有压电式微位移机构，可实现nm

级微位移。该车床采用了恒温油淋浴系统，

油温

控制在20士0.0005°,消除了加工中的热变形。该

车床还采用了压电晶体误差补偿技术，使加工精度

达到0.025μm,该机床可用于加工平面，球面及非球面，用于加工激光核聚变工程的零件，红外线装

置用零件以及大型天体望远镜。2010

年7月1日

Page

35·在欧州以具有研究开发超精密金刚石切削加工机械

传统的Philips

公司的中央研究所为中心，研究开发CNC超精密金刚石车床COLATH,1978年

以后用于本公司的高精度零件的加工。·

英

国Cranfield公

司

与BritishScienceandEngineering

Research

Council(SERC)签

订

合同

,研制开发x

射线天体望远镜用大型超精密机床OAGM2500,

机床于1991研制

成

功，

工

作台2500mm×2500mm,可用于超精密车

削

、磨

削和坐标测量，使用性能良好。超精密加工技术的机床设备2010

年7月1日Page36·日本大型超精密金刚石切削机床的研究与开发。远

远落后于欧美，至今未见有关的报道。·但在小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技

术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美

国

。超

精

密

加

工

技

术

的

机

床

设

备2010

年7月1日·沈阳、上海、济南等地也都有超精密车床产品，但

和国外比还有差距。非球面超精密车床虽已研制出

样品，还不能正式生产，空气主轴、微位移机构、

精密CNC

伺服系统、机床热变形和结构稳定性等关

键技术需要研究。我国还不能生产高质量的超精密

数控金刚石车床的正式产品。超精密加工技术的机床设备2010

年7月1日·

金刚石刀具是超精密切削中的重要关键。·金刚石刀具有两个比较重要的问题：

一是晶面的选

择，这对刀具的使用性能有着重要的关系；再就是

金刚石刀具的研磨质量-刃口半径p。它关系到切削变形和最小切削厚度，

因而影响加工表面质量。金刚石刀具和超精密切削机理的研究2010

年7月1日金刚石刀具和超精密切削机理的研究·

超精密切削中，刀刃的实际切削厚度与名义切削厚

度不相同，有一个差值。实际切削厚度亦称有效切削厚度。切削厚度小过一定界限就不能正常切削。

能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度。最小切削厚度取决于金刚石刀具的刃口半径，刃口半径越小，则最小切削厚度越小。Page2010

年7月1日·

国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可

以小到数纳米的水平；而国内现在磨的金刚石刀具

,刀口半径只能达到0.1～0.3μm。·最近日本大颐大学和美国LLL实验室合作研究超精

密切削的最小极限，成功地实现了lnm

级切削厚度

的稳定切削，使超精密切削达到新的水平。金刚石刀具和超精密切削机理的研究2010

年7月1日·

超精密切削机理的某些方面，如各种因素对金刚石

刀具磨损的影响，最小切削厚度，积屑瘤的生存规

律等

有

一

定的

特

殊

性，

过

去

研究

较

少，

研究

这

些问

题对提高切削加工表面质量，减少变质层和减少表

面残留应力等有直接影响。最近黑色金属的超精密

切削正在研究，有用金刚石刀具的，也有用CBN

刀

具的，目前还在实验室研究阶段。金刚石刀具和超精密切削机理的研究2010

年7月1日·

要达到亚微米级和纳米级的加工精度，检测是一个

极为重要的方面。超精密加工对测量技术提出了严格要求。超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。如果超精密加工精度达到1nm,测量机

要控制的精度则要达到0.1nm

。因此，超精密加工

需要与相

应的

测

量

技

术

配

合。超

精

密

测

量

技

术的开

发必须与超精密加工技术的开发保持同步。

目前超43检测和误差补偿精密测

量

仪正向高分辨率

，向

发

展

。高精

度

和

高

可

靠

性的

方2010

年7月1日·

国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。例如，Johaness公司生产的多次光波

干涉显微镜的分辨率为0.5nm,OrienPass

公司生

产的MBI

重复反射干涉仪的测量精度可达士0.001n

m。最近出现的隧道扫描显微镜的分辨率为

0.01nm,是目前世界上精度最高的测量仪，可用于

测量金属和半导体零件表面的原于分布的形貌。最

新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精

密

工

程的最

终

目

标

—

—

原

子

级

精

密

加

工

。检测和误差补偿2010

年7月1日

Page

44·

超精密加工中的测量，应包括机床超精密部件运

动精度的检测和加工精度的直接检测。要提高机

床的运动精度，首先要能检测出运动误差。用三点法所测得的高精度静压空气轴承的径向圆跳动

一般为50nm

左右。主轴的跳动加上静压工作台

的直线运动误差，可以造成圆度和圆柱度等误差达

数

十

纳

米

。检测和误差补偿2010

年7月1日·加工时机床的定位精度是一个重要问题。

一般平

面、圆柱表面、球表面、多面棱体加工时。工作

台的运动精度相对地并不很高。但在加工非球面

时就要求很高的连续的运动精度和定位精度。现

在采用激光干涉侧长仪精确测出工作台的位置，

用反馈和闭环控制系统而制成精密CNC

机床。检测和误差补偿2010

年7月1日·

超精密加工中的误差补偿问题国内外学者专家的争

议

比

较

大

。

但

从

目

前

发

展

趋

势

看

，

要

达

到

最

高精度还需要使用在线检测和误差补偿。例如高精

度静压空气轴承的径向圆跳动大约在50nm

左右

,工作台的直线运动误差也在数十纳米，要进一

步实现更高精度就有一定困难。但用误差补偿可

以达到

10nm

以

下

。检测和误差补偿2010

年7月1日超

稳

定

的

加

工

环

境

条

件·

加工环境条件的极微小变化都可能影响加工精度

,使超精密加工达不到预期目的，

因此，超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行。超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿四

个方面的条件，相应地发展起恒温技术、

防振技

术

和

净

化

技

术

。482010

年7月1日·超

精

密

加

工

必

须

在

严

密

的

恒

温

条

件

下

进

行

，即

不

仅放置机床的房间应保持恒温.还要对机床采取特殊的恒温措施。据统计在精密加工中，

由热变形产生的误差常占全部加工误差的50%以上，例

如

长

1

0

0mm的

钢

件，

温

度

升

高

1

°

,

其

长

度

将

增

加

1～1.2μm,

铝件的长度将增加2.2～2.3μm

。

因

此超精密加工和测量必须在恒温条件下进行。如

要保证0.1～0.01μm的加工精度，温度变化应小于土0.1～0.01°。超

稳

定

的

加

工

环

境

条

件2010

年7月1日·有些超精密机床，内部易产生热变形处用恒温油

冷却。还有超精密机床外面加透明塑料罩，用恒

温油浇淋。现在恒温油可控制在20土0.0005°,室

温

可

控

制

在

2

0

土

0

.

0

0

5°

。超稳定的加工环境条件2010

年7月1日·为了提高超精密加工系统的动态稳定性，除了在

机床设汁和制造上采取各种措施之外。还必须用

隔振系统来保证机床不受或少受外界振动的影响

。超精密车床一般除用防振沟和很大的地基外，还都使用空气弹簧隔振。美国LLL实验室的大型超精密金刚石车床采用隔振措施后，轴承部件的

相对振动振幅为2nm,并可防止1.5～2Hz

的外界超

稳

定

的

加

工

环

境

条

件振动

传

入

。2010

年7月1日·超精密加工还必须有超净化的环境。对超精密加

工车间一立方英尺的空气中直径大于0.3μm以上

的尘

埃

数

应

小

于1

0

0(百级

)。

现

在

又

提出1

0

级的

要

求，尘埃粒度从0.3μm减至0.1μm。为建立0.1μm的10级洁净室，

国外已研制成功对0.1μm

的尘粒有99.999%净化效率的高效过滤器。超

稳

定

的

加

工

环

境

条

件2010

年7月1日·

概

述·超精密加工范畴·超精密加工现状