精密特种加工第1讲概论

1、精密加工与特种加工,第一讲 概论,精密加工与特种加工,第一讲 概论,制造技术及其发展 精密加工技术概述 特种加工技术概述,制造的原意 制造的英文为manufacture，或manufacturing。 该词起源于拉丁文词根 manu（手）和facere（做）。 这说明几百年来人们把制造理解为用手来做。 随着社会进步和制造活动的发展,制造的概念不断进化。,关于制造,1.1 制造技术及其发展历程,20世纪上半叶，制造仅仅是指机械制造。电子计算机使制造从50年代开始发生了质的变化。 20世纪下半叶制造的发展过程，是由传统制造向数字化制造过渡的过程，也是由机械制造向广义制造过渡的过程。,关于制造,广义

2、制造 指产品的整个生命周期过程。 国际生产工程学会1990年: Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design，materials selection，planning，production，quality assurance，management and marketing of the products of the manufacturing industries. 制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务

3、的一系列相关活动和工作的总称。,关于制造,大制造,制造本质：是一种将原有资源（如物料、能量、资金、人员、信息等）按照社会需求转变为有更高实用价值的新资源（如有形的产品和无形的软件、服务）的过程。,关于制造,制造（Manufacturing） 原意 用人工或机器使原材料成为可供使用的物品。 现指 产品的全生命周期过程的全部活动和过程。 加工（Machining） 把原材料变换成产品的直接物理过程。它通过改变原材料（或毛坯，或半成品）的形状、性质或表面状态，来达到设计所规定的技术要求。,关于加工,制造与加工的比较 狭义制造=加工+装配。 广义制造包含了物理过程（加工、装配等）、概念过程（设计、计划

4、等）以及原材料和产品的转移过程。 “制造”、“加工”两术语常混淆不清。人们只好根据特定的场合去判断“制造”术语的含义。 例“柔性制造系统”，其实称之为“柔性加工系统”或“柔性装配系统”更为合适。既已习惯，顺其自然。 加工系统是制造系统中的一个主要的子系统。,关于加工,关于制造技术,制造技术（Manufacturing Technology) 按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。即：使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称。,去除成形（减量制造） 运用分离的办法，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体中分离出去而成形的办法。例如车、铣、刨、磨

5、及现代的电火花加工、激光切割、打孔等加工方法均属于去除成形。去除成形最先实现了数字化控制，是目前的主要制造成形方式。 受迫成形（等量制造） 它是利用材料的可成形性（如塑性等），在特定外围约束（边 界约束或外力约束）下成形的方法。铸造、锻压和粉末冶金等 均属于受迫成形。受迫成形多用于毛坯成形和特种材料成形等。,关于制造技术,堆积成形（增量制造） 它是运用合并与连接的办法，把材料（气、液、固相）有序地 合并堆积起来的成形方法。快速原型制造即属于堆积成形，其 过程是在计算机控制下完成的，最大特点是不受成形零件复杂 程度的限制，广义地讲，焊接也属堆积成形范畴。 生成成形（生物制造） 是利用材料的活性进

6、行成形的方法。自然系统中生物个体发育 均属于生成成形，目前人为系统中还没有此种成形方式，但随 着活性材料、仿生学、生物化学、生命科学的发展，人们也可 能会运用这种成形方式进行人为成形。,关于制造技术,机械制造技术主要类别,机械制造技术主要类别,机械制造技术主要类别,从零件形状形成的角度来分析，“加工”的概念已突破传统的“去除”加工手段，是“去除”、“堆积”、“生长”、“变形”等加工手段的综合。其中“堆积”包含了附着（如镀膜、 涂层等）、结合（如渗碳、渗氮、注入等）、接合（如焊接、粘接等），“生长”强调了从基体中生长出所需物体，如分子外延、晶体可控生长等。 另一方面，“加工”的概念更强调了表面处

7、理，形成了表面工程技术，它包含了基础理论、表面技术、表面复合技术、表面加工技 术、表面质量控制和表面工程技术设计等诸多方面。 这些“加工”概念上的变化主要是根据精密、超精密加工以及微细加工的需求而提出的。,纵观制造技术的发展，加工方法的进步里程为: 机械加工物理与电物理加工化学与电化学加工 生物或仿生加工 符合从简单到复杂、从粗糙到精细的发展方向。,制造技术发展过程的特点,从传统加工到特种加工 从减材加工到增材加工 从制造死物到制造活物 从他成形到自成形,1）用机器代替手工，从作坊形成工厂 19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。 2）从单件生产方式发展成大量生产方式 泰勒：以劳动分

8、工和计件工资制为基础的科学管理。 福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线 3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制造,制造业发展的历程,生产装备的发展历程,VISION 型高速加工中心,制造装备技术的发展,信息化的加工中心,完整加工的案例,直线电机驱动的数控机床,案例2,案例2,案例2,微型车床,微型桌面工厂,“ ”是发展的核心 “ ”是发展的关键 “ ”是发展的焦点 “ ”是发展的条件 “ ”是发展的道路 “ ”是发展的方法 “ ”是发展的前景 “ ”是发展的必然,数

9、精 极 自 网 集 智 绿,制造技术的发展趋势,“数”是发展的核心数字化 数字制造是制造技术与信息技术（包含计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果； 数字化设计、数字化控制、数字化制造以及贯穿始终的“虚拟”技术； 数字制造技术是先进制造技术发展的核心。,制造技术的发展趋势,制造技术的发展趋势,以三维CAD为代表的产品创新设计,通过产品设计手段与设计过程的数字化，缩短新产品开发周期，提高企业的产品创新能力。,以ERP为代表的企业现代管理,通过企业内外部管理的数字化，实现制造资源的最优化配置,以数控机床为代表的数字化装备,通过加工装备的数字化、自动化和精密化，提高产品的加工精度和生产效率。

10、,“精”是发展的关键精密化 加工精度精密化 人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级； 加工尺度细微化 基因操作机械，其移动距离为纳米级； 控制要求纳米化,制造技术的发展趋势,“极”是发展的焦点极端、极限 高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀条件； 有高硬度、大弹性等要求； 在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、极复杂； 微电子机械系统 （MEMS）技术和产品是典型极端、极限技术和产品。,制造技术的发展趋势,“自”是发展的条件自动化 自动化是强化、延伸甚至取代人劳动的技术或手段。自动化是先进制造技术发展的前提条件 自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护

11、、自修复等更高水平的自动化。,制造技术的发展趋势,“网”是发展的道路网络化 现代新型制造模式实施的基础设施，现代制造企业生产活动必不可少运行环境； 网络化既是制造企业信息化、集成化的基础，企业信息化又是、集成化的进一步发展； 网络化将制造业走向全球化、整体化、有序化。,制造技术的发展趋势,“集”是发展的方法集成化 技术集成、管理集成、技术与管理集成； 本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉” 现代制造科学技术的发展离不开“集成”和“交叉”,制造技术的发展趋势,“智”是发展的前景智能化 智能企业、制造系统、制造单元（装备）适应环境变化的能力、海量信息和不完整信息处理能力、主动地协调和协同能力；

12、 柔性化企业组织结构扁平化，组织体系开放性、可伸缩性，管理控制方式分布化，生产资源、过程可重构； 敏捷化使制造企业（组织）具有对动态快速多变、不可预测的市场变化的应变能力； 运作的柔性、响应的快速性和结构的可重组性是现代企业智能化运行的典型特征。,制造技术的发展趋势,“绿”是发展的必然绿色 “保护环境，就是保护生产力；改善环境，就是发展生产力” 江泽民 制造各阶段都必须充分考虑环境保护：自然环境，社会环境、生产环境、生产者的身心健康； 制造必然要走向“绿色”制造，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。,制造技术的发展趋势,第一讲 概论,制造技术及其发展 精密加工技术概述 特种加工技术概述,1.

13、2 精密加工技术概述,（超）精密加工的产生,（超）精密加工的概念,（超）精密加工的特点,（超）精密加工的作用,（超）精密加工的材料,（超）精密加工技术的应用,1.2 精密加工技术概述,（超）精密加工技术的发展,（超）精密加工的关键技术,（超）精密加工的研究内容,（超）精密加工方法,（超）精密加工技术的研究方向,18世纪70年代就发明了蒸汽机，但没有马上得到应用，为什么？,随着生产的发展、科学的进步产生的要求和问题是什么？,原因：汽缸的加工精度没有达到应用的要求,要求：高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化,（超）精密加工的产生,问题：,（超）精密加工的产生,1kg

14、陀螺转子其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差和50m轨道误差； 美国民兵型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05/h，命中精度的圆概率误差为500m；MX战略导弹陀螺仪精度的圆概率误差比民兵型提高一个数量级，命中精度误差只有50-150m；,飞机发动机叶片加工精度由60m12m，粗糙度由Ra0.5m0.2m，则发动机效率由89% 94%； 磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3m，近期内可达到0.15m。 传动齿轮的齿形及齿距误差从36m降低到1m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩将近提高1倍。,问题：,（超）精密加工的产生,解决：,（超）精密加工的产生,（超）精密加工技术,提高产品

15、性能和质量，提高稳定性和可靠性； 促进产品的小型化； 增强零件的互换性，提高装配生产率。,（超）精密加工的产生,精密加工PM（Precision Machining） 超精密加工UPM（Ultra- Precision Machining ）,精密工程PE（Precision Engineering）,日本提出：,欧州和美国,精密加工技术 超精密加工技术,精密加工技术是研究精密加工原理、加工方法和加工工具、设备设计及创造的一门学科。 “精密”一词，可以理解为较高精度，再高的精度称之为“超精密”或“极高精密”。 对“精密”二字的理解：首先，它是与生产力发展水平相关联的；其次，“精密”是相对的，即

16、它相对于某一参考精度是比较高的，或者是更高的。 加工精度的高低标志着人类认识自然、改造自然的能力，可以作为人类文明进程的一项重要指标。,（超）精密加工的概念,我国古代科学家在天文观测中创造了许多先进的天文仪器，东汉张衡(公元78-129)发明了“水运浑天仪”；唐代一行(公元683-727)和梁令王赞研究制造了“黄道游仪”和“浑天铜仪”；宋代苏颂(公元l020-1101)建造了“水运仪象台”；元代郭守敬(公元1231-1316)创造了“简仪”等等。西汉时期的指南车、记里鼓车都应用了较复杂的齿轮传动。这些设计巧妙、制造精细的创造发明表明了当时已经有了相当水平的精密加工技术。,（超）精密加工的概念,

17、精密加工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，可将机械加工分为普通加工、精密加工、高精度加工、超精密加工和极超精密加工。由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。从超精密加工的范畴来看，它应该包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工。,（超）精密加工的概念,（超）精密加工的概念,按我国目前情况： 加工精度在10.1m；表面粗糙度Ra值小于0.020.1m的加工方法称为精密加工。 常用的精密加工方法有：精密车削、精密磨削等。 公差小于0.1m（亚微米以上精度）

18、，表面粗糙度Ra值小于0.01m的加工方法称为超精密加工。 常用的超精密加工方法有镜面车削、超精密磨削、镜面磨削等。,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。 精密、超精密加工技术、纳米技术的应用引发了新的制造科学革命微型化革命，主攻方向为微小机械(尺寸0.110mm)、微型机械(尺寸0.1100 m)和纳米设计、制造与使用。,（超）精密加工的概念,（1）普通加工 加工精度在10m左右、表面粗糙度Ra值在0.3m0.8m的加工技术 （2）精密加工 加工精度在1m0.1m，表面粗糙度Ra值在0.3m

19、0.03m的加工技术 （3）超精密加工 加工精度不低于0.1m0.01m，表面粗糙度Ra值不大于0.03m0.01m的加工技术 （4）纳米加工 加工精度达到0.001m，表面粗糙度Ra小于0.005m的加工技术,（超）精密加工的概念,（超）精密加工的概念,不同时期的精密和超精密加工精度,各种产品与所要求的精度范围,相对性，随时间的推移而变化； 不普及性、保密性；属于尖端技术； 形成了系统工程； 与测量技术密切相关；加工检测一体化； 与微细加工和超微细加工关系密切（微量切削机理）； 与特种加工关系密切； 技术发展与产品需求联系紧密（与高新技术产品紧密结合）。,（超）精密加工技术的特点,背吃刀量小

20、于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。切削力一定要超过晶粒内部原子结合力才能切除切屑，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的剪切应力和由此产生的很大的热量，这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。,精密加工是指在一定发展阶段，加工精度和表面质量比传统的加工方法能达到更高程度的加工工艺。精密加工和超精密加工是一门多学科的综合高级技术，是加工技术与系统论、方法论、计算机技术、信息技术、传感器技术、检测技术、数字控制技术等的综合。 在精密加工和超精密加工中，加工和检验都是难题，在线检测与动态误差补偿是加工检测一体化的重要举措。 用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件

21、材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。 精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。,（超）精密加工技术的特点,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）精密加工的作用,（超）精密加工的作用,精密和超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键。 产品精密化、微型化的发展趋势需要精密与超精密加工技术 发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备。 精密

22、工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是今后技术发展的基础；精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展，精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。 是一个国家制造工业水平的重要标志之一，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。,（超）精密加工的材料,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、民用产品等。,（超）精密加工技术的应用,(1) 导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性仪是超精密加工产品，

23、1Kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起100m的射程误差和50m的轨道误差；(m级) (2) 哈脖望远镜直径2.4m,重量达900Kg的大型反射镜的加工（形状精度为0.01 m ） (3) 人造卫星仪表轴承 （nm级）,应用实例之一,尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工,(4) 红外导弹中红外线反射镜 (5) 超小型计算机等 (6) 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。 没有超精密加工技术，就没有真正的国防工业。,应用实例之一,应用实例之二,大规模集

24、成电路依赖于微细加工：集成度与最小线条宽度,计算机磁盘基片、录像机磁鼓、激光反射镜 隐形眼睛、光盘、各种天文望远镜 显微镜、光学仪器、复印机等,应用实例之三,各种民用产品,（超）精密加工技术的主要研究内容,超精密加工机理 超精密加工刀具：金刚石刀具材料与结构 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）,加工原理 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、微进给技术等) 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

25、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) 超精密数控技术,（超）精密加工的关键技术,精密加工和 超精密加工,复合加工,电火花加工：成形加工、线切割加工 电化学加工：蚀刻加工、化学铣削 超声波加工,微波加工 电子束加工 离子束加工：去除加工、附着加工、结合加工 激光束加工,超精密磨料 磨削加工,研磨：精密研磨、油石研磨 超精加工：精密超精加工 珩磨：精密珩磨 砂带研抛、超精研抛,固结磨料 磨削加工,游离磨料 磨削加工,抛光：精密抛光、弹性发射加工、液体研 抛、液体动力抛光、挤压研抛 喷射加工,各种精密和超精密加工方法,（超）精密加工方法,磨削：砂轮磨

26、削、砂带磨削,超精密切削加工：车削、铣削、镗削、钻微孔,超精密特 种加工,（超）精密加工方法,超精密切削,车削、铣削、镗孔、钻微孔,（超）精密加工方法,超精密磨削,固体磨料加工,磨削：砂轮磨削、砂带磨削 研磨：精密研磨、油石研磨 超精加工 珩磨：精密珩磨 砂带研抛 超精研抛,研磨与抛光：弹性发射加工、液中研抛、液体动力抛光、磁流体抛光、挤压研抛、磁性研磨、精密抛光 喷射加工,游离磨料加工,（超）精密加工方法,超精密特种加工,电火花加工：成形加工、线切割加工 电化学加工：蚀刻加工、化学铣削 超声波加工 微波加工 电子束加工：去除加工、附着加工 离子束加工：去除加工、附着加工、结合加工 激光束加工

27、,（超）精密加工方法,复合加工,（超）精密加工方法,继承性原则：指加工用机床（工作母机）精度高于加工工件的精度。,机械加工原则,创造性原则： 直接创造性原则 间接创造性原则,直接创造性原则： 利用精度低于工件精度要求的机床，借助于工艺手段和特殊工具，直按加工出精度高于“工作母机”的工件，如“以粗干精”、“以小干大”。也称为直接式“进化”加工，是一种创成式、生成式、创造式的加工原则，体现了人、技术、组织的三结合。 但直接式“进化”加工，效率低、技艺要求高，不适宜批量生产。,进化加工原则,间接创造性原则： 借助直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，用它来加工所需高精度零件，形成间接式“进化

28、” 加工。,进化加工原则,进化加工原则,（超）精密加工,（超）精密加工技术的发展,发展状况,1、超精密机床的研制及商品化 超精密加工技术起步最早的国家是美国,是迄今为止处于世界领先地位的国家,于20世纪60年代初，美国研制出首台用单刃金刚石车刀镜面车削铝合金和无氧铜的超精密机床。其次是欧洲的一些国家及日本。美国至少有30多个研究单位和厂家研制和生产各种超精密加工机床,摩尔公司、联合碳化物公司、国家劳伦斯利佛摩尔实验室、杜邦公司等在国际上均久负盛名。至今为止，世界上加工精度最高的3台大型超精密机床分别是美国LLNL国家实验室生产的DTM-3型卧式大型光学金刚石车床、LODTM型立式大型光学金刚石

29、车床和英国Cranfield公司研制成功的OAGM-2500型超精密机床。,DTM-3和LODTM型大型光学金刚石车床,超精密机床的研制及商品化,该机床是为镜面加工大直径光学镜头而开发的，可加工直径2100mm、质量4500kg的工件，多路激光干涉测量系统分辨率为2.5nm。,大型超精密金刚石车床DTM-3型,加工精度为25nm，表面粗糙度为7.6nm，最大加工尺寸 1625mm500mm。机床底座为花岗岩。机床主轴采用油静压轴承。机床X轴导轨采用液体静压导轨，Z轴为空气静压导轨。7个激光器在线测量X、Z轴的位移、歪斜和倾斜。隔振采用4个空气隔振垫。采用了恒温油淋浴系统，使油温控制在(200.

30、005) ,消除了加工中的热变形，定位精度28nm，已实现了距离超过1m而直线度误差只有25nm的加工。可用于加工平面、球面及非球面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。,大型光学金刚石超精密车床LODTM,使用LODTM机床加工的各种光学镜面,超精密机床的研制及商品化,超精密机床的研制及商品化,英国CUPE公司于1991年研制成功用于加工大型反射镜的OAGM-2500大型超精密机床，工作台面积2500mm 2500mm，装有精密转台，可用于超精密车削、超精密磨削和超精密坐标测量。机床采用三坐标联动的精密数控系统，可以精磨各种精密非对称曲面反射镜块（组装成大型X射线天体望远

31、镜的反射镜）。,超精密机床的研制及商品化,CUPE研制的Nanocenter超精密车床已批量生产，其主轴精度50nm，加工工件的形状精度0.1m。Nanoform250超精密车床，产品占据了国际超精密加工的很大部分应用市场。,既能进行超精密车削，又能进行超精密磨削，还能进行超精密抛光，能直接磨削出满足光学表面质量和面型精度的硬脆材料的光学零件。最大加工工件直径250mm,通过一个升高装置，可使机床的最大加工工件直径达到450mm,另外通过控制垂直方向的液体静压导轨(Y轴)，还能够磨削非轴对称的零件。ONs实时操作数控系统的直线编程精度为0.01 nm，角度编程精度为 度，直线静压导轨的位置反馈

32、分辨率0.016nm，进给速率为4000mm/min，加工工件的面型精度小于0.1m，表面粗糙度Ra优于lnm。,Nanoform250超精密车床,a.Kern micro; b.Sodick AZ150; c. Fraunhofer IPT Minimill d.Makino Hyper2J; e. Kuglar MicroMasterMM2; f. Fanuc ROBOnano; g. Precitech freeform 700 Ultra; h. Moore Nanotech 350FG,英国国立物理学实验室（National Physic Laboratory, NPL)开发的四面体

33、结构主轴超精密磨床，它由6个圆柱连接4个支持球构成一个四面体框架，使每个圆柱承受压力，从而静刚度可达10N/nm，加工精度可达lnm以上，为机床的新型结构开辟了一条途径。,英国四面体结构主轴超精密磨床 1 -主轴；2-工作台 ；3-支持球,超精密机床的研制及商品化,北京机床研究所 哈尔滨工业大学 航空航天工业部303所 清华大学 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 西安交大 ,国内超精密机床现状,都进行了这一领域的研究，成绩显著,北京机床研究所生产的超精密机床特点是主轴性能好，精度可以达到2050mn，刚度可以达到350N/m;溜板直线度 0.1m /200mm; 表面

34、粗糙度值小，车铣表面最好可以小于1nm;运动系统分辨率可以达到纳米级；商品化程度高。机床类型包括JCS-027超精密车床、NAM-800超精密车床、SQUARE300超精密铣床和SPHERE200超精密球面加工机床等。 “SPHER200C超精密球面加工机床”，薄壁(1mm)球面零件的批量加工表面粗糙度达Ra10nm，最好件可达3nm。 CKG300亚微米数控车床，其加工精度、表面粗糙度均优于1m。,哈尔滨工业大学研制的HCM-I亚微米超精密加工机床，主轴精度50nm，径向刚度220N/m，轴向刚度160 N/m，导轨Z向（主轴）直线度0.2m/100mm, X向（刀架）直线度 0.2m/10

35、0mm，X、Z向垂直度1，加工工件精度、形面精度（圆度）0.1m。表面粗糙度优于Ra0.02m。 哈尔滨工业大学精密工程研究所的超精密KDP晶体加工机床，工件最大尺寸410mm 410mm,铣刀直径600mm，加工精度0.1 m，表面粗糙度Ra0.042m 。,国内超精密机床现状,国防科技大学研制的非球面加工机床可加工最大口径650mm的光学玻璃，其加工零件表面粗糙度为 25nm。 航空部303所研制 Nanosys 300机床，其加工零件精度可达0.050.1 m。,国内超精密机床现状,（超）精密加工技术的发展,发展状况,2、金刚石工具与切削技术向高层次发展 日本大阪大学岛田尚一博士使用天然

36、单晶金刚石车刀，切削铝合金时获得了厚度为1nm的切屑，这也许是世界上目前最薄的切削厚度的切屑了。在髙精度的球曲面加工中， 对金刚石刀具圆弧半径的精度有着严格的要求，现在英国某公司的金刚石刀具圆弧半径的精度已达到0.02m（1nm）。,（超）精密加工技术的发展,2、金刚石工具与切削技术向高层次发展 金刚石切削技术在向更高层次发展，特别在玻璃、陶瓷等硬脆材料的加工上，采用粒度 4m的金刚石砂轮，在小的走刀量和切削深度下，能实现延展性的切削；或者采用大负前角（约-25)的金刚石车刀在小的走刀量和小的切削深度下，也能实现延展性的切削。 通过这样的加工，能获得玻璃等材料的光学镜面，但使用的机床必须是超高

37、精度的。超声波金刚石切削，对切削条件的要求便明显下降。现在又有提出采用椭圆振动金刚石切削，更进一步加速硬脆材料延展性切削的发展，这是在光学玻璃加工方面的重大进展。,（超）精密加工技术的发展,2、金刚石工具与切削技术向高层次发展 金刚石材料制造技术的发展，对超精密加工是很大的支持。当前主要依靠天然单晶金刚石，自从高温高压合成超硬材料的研制成功，使合成超硬材料相继制成砂轮和PCD与PCBN，在部分应用上替代了天然的金刚石。现在大颗粒的超硬材料已经能合成，这意味着取代天然产品的可能性，通过CVD技术，不仅可以在各种刀具上进行薄膜涂覆，而且可以制造厚膜的刀片。在超精密加工中，人造的刀具材料将取代天然产

38、品。,（超）精密加工技术的发展,3、特种加工日益渗入超精密加工 特种加工技术正在向高效、高精度方向发展。以电火花加工为例，线切割机床的切割速度已经从几十毫米每分钟，提高到320mm/min;由于混粉加工取得成功，电加工的表面可以达到镜面。线切割机可以进行二次切割，切割精度已经能达到2m左右，表面粗糙度值也明显降低 。,（超）精密加工技术的发展,3、特种加工日益渗入超精密加工 为了能适应微机械零件的加工，电火花加工也开始向小型化发展。微细电火花加工，尤其是线电极电火花磨削技术的逐步成熟与应用，使得用微细电火花加工微三维结构成为现实；日本东京大学利用简单形状的微细电极，采用选择电极端部放电扫描的方

39、法，制作出了长0.5mm、宽0.2mm、深0.2mm的微型汽车模具，并用此制作出了微型汽车模型。 同时由于软件发展较快，应用各种先进技术，使电火花加工功能明显增多，适应超精密加工的能 力增强，如模糊数学、神经网络等引进到控制系统中。,超精密特种加工,（超）精密加工技术的发展,3、特种加工日益渗入超精密加工,（超）精密加工技术的发展,4、精密计量推动了超精密加工的飞速发展 超精密加工必须以计量作为依据。长度基准的二次更迭，由米原尺经过氪86光谱，到激光在真空中的速度，由实物基准到自然基准，表明计量精度的跃进。NC三坐标测量机的出现，是计量进入自动化的里程碑，有利于复杂的曲面、球面、非球面等的计量

40、。,（超）精密加工技术的发展,4、精密计量推动了超精密加工的飞速发展 1981年，瑞士苏黎世IBM实验室发明了扫描隧道显微镜STM（Scanning Tunnelling Microscope)，后来又派生出原子力显微镜 AFM（Atomic Force Microscope)，以后又产生一系列的显微镜，例如扫描探针显微镜SPM（Scanning Probe Microscope)，使计量由宏观进入了微观，能直观到原子和分子，这是计量领域的重大突破。,加工对象特征尺度极端化和跨尺度化 加工检测控制一体化 控形控性一体化 多种能场复合化 能量作用微量化和极速化 高精度、高效率,（超）精密加工技术

41、的发展,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密切削、磨削的基本理论和工艺 2、超精密设备的关键技术、精度、动态特性及热稳定性 3、超精密加工精度检测、检测技术和误差补偿 4、超精密加工的环境条件 5、超精密加工的材料,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,超硬材料刀具超精密切削机理 金刚石刀具超精密切削机理。研究其切削极限。 当前，金刚石刀具超精密切削的主要材料是铜、铝及其合金等软金属，这是由于金刚石刀具切削铁碳金属材料时，会产生亲和作用，造成碳化磨损（扩散磨损），因此，采取保护气氛法（如用甲烷CH4气体）、超低温切削法等来解决这一问题，金刚石刀具能有效切削钢铁材料，成为

42、研究热点。 立方氮化硼、晶须增韧陶瓷等超硬刀具材料超精密切削钢铁等黑色金属材料机理。 超硬刀具材料超精密切削脆性材料机理。研究在某种工况下使脆性切削变为塑性切削的边界条件，以提髙加工质量。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,超硬材料砂轮超精密磨削机理 超硬材料是指金刚石、立方氮化硼（CBN)、陶瓷等。超硬材料微粉砂轮超精密磨削能获得高质量、高效率，具有广阔的应用前景。当前，金刚石微粉砂轮超精密磨削的研究和应用已受到越来越广泛的重视。其主要技术有磨削机理、多颗粒磨削机制、砂轮在线修锐、砂轮类型和结构等。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,超硬材料砂

43、轮超精密磨削机理 金刚石微粉砂轮超精密磨削机理研究。着重研究多颗粒磨削机理、磨削表面生成、影响因素等。 立方氮化硼微粉砂轮超精密磨削机理研究。 超硬材料砂轮的修整技术。包括金刚石微粉砂轮、立方氮化硼微粉砂轮的在线实时修整，金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮的修整等整形和修锐技术。 超硬材料砂轮结构设计和制作工艺研究。主要有超硬磨料、粒度、结合剂、浓度、形状、尺寸、结构等的设计和 制作及其性能试验。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,新型超精密研磨拋光技术 在传统研磨拋光技术的基础上，出现了许多新型精密和超精密游离磨料加工方法，如弹性发射加工（又称软质粒子抛光）、液中研抛、液体动

44、力拋光、磁流体拋光、挤压研拋、磁性研磨、滚动研磨、喷射加工等，富有创造性。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,新型超精密研磨拋光技术特点： 模糊了研磨和拋光的概念，取研磨的髙精度、拋光的髙效率和低表面粗糙度，形成研拋加工的新方法。 采用软质磨粒，甚至采用比工件材料硬度更低的磨料，使工件被加工表面不造成机械损伤。 抛光、研磨工具与工件被加工表面不接触，形成非接触研磨抛光，或称浮动拋光。 整个研磨抛光在工作液中进行，热变形影响小，又可防止空气中的尘埃影响。 采用复合加工。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,微量切削机理 超精密加工机理的最高境界是加工

45、极限，涉及微观世界和物质内部结构，所利用的能源包括机、光、电、声、热、化学、磁等多种。微量切削是精密加工和超精密加工的重要手段。在微量切削时，由于切除量极薄，背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，从而其切削机理与传统切削原理有很大差别，力、热影响也有很大不同。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究,复合加工机理 在精密、超精密加工中，复合加工往往以其独特的互补作用而有显著成效，但有时也由于作用相抵而得不偿失。因此，探求复合加工中各个加工机理的相辅相成作用，对选定复合加工方法、匹配各个加工方法的工艺参数是十分重要的。,（超）精密加工技术的研究方向,1、超精密加工基本理论研究

46、,表面微观质量 表面微观质量的内涵可用微观表面完整性来概括，是超精密加工的重要研究前沿，主要研究项目有： 微观表面纹理（表面粗糙度、波度、纹理方向、伤痕）研究。 微观表面层冶金变化（表面层的硬度、组织、残余应力）研究。 超精密加工的表面微观质量，特别是表面层微观冶金变化对产品工作性能的影响很大，值得重视，其检测技术也值得研究。,（超）精密加工技术的研究方向,2、超精密加工设备及工艺的研究 国内超精密加工设备的研制已经初具规模，包括非球面曲面复合加工系统在内的许多设备的指标已经达到或接近世界先进水平，但是从设备的可靠性、可操作性等方面来看还有一定的差距。所以应加强超精密加工技术可靠性、实用性技术

47、的研究。 随着科技的发展，更多先进的新型功能材料及结构材料得到应用，包括新型高强度、高硬度材料、智能材料、新型半导体材料等，要解决其加工问题。 例如在卫星相机上用的SiC增强复合材料的加工工艺的研究，红外材料诸如锗、单晶硅、氟化钙玻璃的超精密车削工艺研究，KDP晶体（激光核聚变）飞切加工工艺的研究（对特大尺寸的KDP优质光学晶体的研究，在国内外一直受到极大关注）等。,（超）精密加工技术的研究方向,3、复杂曲面超精密加工及检测技术研究 非球面零件的应用十分广泛，它可以减轻光学系统重量，提高成像质量，提髙系统的可靠性。特别是非轴对称非球面曲面的应用，更是将整个系统的性能大大提升，所以这方面研究不可

48、忽视。 如对加工口径在300mm以上的大中型非球面曲面超精密加工设备及工艺的研究，非轴对称光学曲面加工设备的研制（五轴CNC超精密加工中心）以及非球面曲面超精密检测技术的研究等。,（超）精密加工技术的研究方向,4、非硅材料三维微小型零件超精密加工技术研究 MEMS加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EMD)、超声波加工、等离子体加工、激光加工、 离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。 目前微型机械零件的制造工艺最为成熟的技术就是光刻，许多经典的微型机械零件制造的成果，基本上都是采用光刻或电铸技术完成的。,然而这些成熟的工艺

49、方法所加工的微型机械零件只能是二维（或准三维）的，而实际真正的三维形状零件用光刻技术是完成不了的。在微型机械中，存在着许多三维的微小零件，如微型模具、直径为7m的微小螺纹、微型齿条等，这些典型的三维微小零件的加工，不仅用光刻、三束加工等工艺方法实现不了，用传统的机械制造系统也是不可能实现的。因此，必须针对三维微小机器的特点，开发和研制微型制造系统，这方面的研究工作主要集中在日本和美国。,4、非硅材料三维微小型零件超精密加工技术的研究,加工微机械零件不一定非要用微型加工机床，微机械零件的机械加工设备的最关键指标是机床的精度，超精密加工技术由于其加工精度高、切削力小等特点，特别适合进行微机械零件的

50、加工，这也将为微机械零件的加工开辟一条新的途径。 针对我国目前超精密加工技术领域的发展状况，应加大对超精密加工工艺以及特种超精密加工设备的研究，并力图降低超精密加工技术的成本，拓宽超精密加工技术的应用领域，并赶超世界先进水平。,4、非硅材料三维微小型零件超精密加工技术的研究,第一讲 概论,制造技术及其发展历程 精密加工技术概述 特种加工技术概述,1.3 特种加工技术概述,特种加工的产生,特种加工的概念,特种加工的分类,特种加工的特点,特种加工的作用,特种加工的发展,传统的机械加工已有很久的历史，它对人类生产和物质文明的发展起到了极大的作用。从第一次工业革命开始，一直到第二次世界大战以前，在这段

51、长达150多年、都靠机械切削加工(包括磨削加工)的漫长年代里，并没有产生特种加工的迫切要求，也没有发展特种加工的充分条件，人们的思想一直还局限在自古以来传统的用机械能量和切削力来除去多余的金属，以达到加工要求这一框框之内。,特种加工的产生,第二次世界大战后，特别是进入20世纪50年代以来，为满足生产发展和科学实验的需要。很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，它们所使用的材料越来越难加工，零件形状越来越复杂，加工精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越来越高，因而对机械制造部门提出了下列新的要求：,特种加工的产生,(1) 解决各种

52、难切削材料的加工问题 如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。 (2) 解决各种特殊复杂表面的加工问题 如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模和注塑模的立体成型表面，各种冲模、冷拔模上特殊截面的型孔，炮管内膛线，喷油嘴、栅网、喷丝头上的小孔、异形小孔、窄缝等的加工。 (3) 解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题 如对表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪、伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。,特种加工的产生,要解决上述一系列工艺问题，仅仅依靠传统的切削加工方

53、法很难实现，甚至根本无法实现。 切削加工的本质和特点：一是靠刀具材料比工件硬；二是靠机械能和切削力把工件上多余的材料切除。一般情况下这是行之有效的方法。但是，当工件材料越来越硬、加工表面越来越复杂时，原来行之有效的方法便转化为限制生产率和影响加工质量的不利因素了。为此，人们相继探索、研究新的加工方法。探索用软工具来加工硬材料，特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。,特种加工的产生,1943年前苏联科学家鲍洛拉扎林柯夫妇在研究电器开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的有害现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部金属熔化、气化而被蚀除掉，从而发明了电火花加工方法，变有害的电火花腐蚀为有用的电火花

54、加工，并用铜杆在淬火钢上加工出小孔，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，开创和发明了用软的工具加工任何硬度的金属材料的方法，获得“以柔克刚”的效果。 至此，人们初次脱离了传统加工的旧轨道,特种加工的产生,后来由于各种先进技术的不断应用，产生了许多有别于传统机械加工的新方法，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工。到目前为止，已经找到多种这类加工方法。为区别于现有的金属切削加工，这类新加工方法统称为特种加工。,特种加工的概念,指除常规切削加工以外的新的加工方法，这类加工方法利用电、磁、声、光、化学等能量或其各种组合作用在工件的被加工部位上，实现对材料的去除

55、、变形、改变性能和镀覆，从而达到对难加工的材料、难加工的复杂形状加工目的。,特种加工的概念,非传统加工（NTM） 非常规加工（NCM）,特种加工的分类,一般按能量形式和作用原理分类 电能与热能作用方式 电火花EDM、线切割WEDM、电子束EBM、等离子PAM 电能与化学能作用方式 电解ECM、电铸、电刷镀 电化学能与机械能作用方式 电解磨削ECG、电解珩磨ECH 声能与机械作用能作用方式：超声波加工USM 光能与热能作用方式：激光加工LBM 电能与机械作用能作用方式：离子束加工IBM 液流能与机械作用能：挤压珩磨AFH、水射流WJC,特种加工的分类,特种加工的分类,电火花加工 利用火花放电现象

56、产生电腐蚀而对金属进行加工 电解加工电解加工是利用阳极溶解原理（金属生锈） 对金属进行加工 超声波加工利用工具作高频振动，通过磨粒对工件进行加工,特种加工的方法,特种加工的方法,激光加工利用能量密度极高的激光照射加工表面，工件在高温熔融和冲击波的同时作用下，蚀除部分材料进行加工 电子束加工与离子束加工 电子束加工是利用真空中高速运动的电子束轰击工件表面形成局部高温使材料熔化和汽化；离子束加工主要是利用离子束撞击工件表面时产生的撞击效应、溅射效应和注入效应进行加工,液体喷射加工是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵及增压器产生高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的目的。可加工薄、软的金属

57、及非金属材料，去除腔体零件内部毛刺、使金属表面产生塑性变形。 磨料喷射加工50年代初开始在美国应用。一定压力 （213兆帕）的气体（空气、氮或二氧化碳）和磨料粉末（直径1050微米）混合后从直径为0.11.2毫米的喷嘴小孔中高速喷出，利用磨料的冲击破坏作用去除工件上的材料。适用于去毛刺加工、表面清理、切割加工、雕刻、落料及打孔等。,特种加工的方法,特种加工的特点,不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量。（如电、化学、光、声、热等）去除金属材料，因此与加工对象的机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 非接触加工。（如电火花、线切割、电解加

58、工时工具与工件不接触），工具和工件之间不存在显著的机械切削力，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。激光、电子束等加工时甚至没有成形的工具。,微细加工，工件表面质量高。有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。 不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。 各种方法混合生产效率可以很高。两种或两种以上的不同类型的能量可以相互结合，形成新的复合加工，其综合加工效果明显。,特种加工的特

59、点,特种加工的作用,因为特种加工工艺的特点，就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。,特种加工的作用,（1）提高了材料的可加工性,以往认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，现在已广泛采用金刚石、聚晶(人造)金刚石、硬质合金制造的刀具、工具、拉丝模具，可用电火花、电解、激光等多种方法来加工,特种加工的作用,（2）改变了零件的典型工艺路线,以往试制新产品的关键零部件时，必须先设计、制造相应的刀、夹、量具和模具，以及二次工装，现在采用数控电火花线切割，可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮(包括非圆齿轮、非渐开线齿轮)，微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心，各种特殊、复杂的二次曲面体零