重庆大学 先进制造技术第二章精密和超精密加工技术

1、第二章 精密和超精密加工技术,精密和超精密加工定义, 瓦特改进蒸汽机时代 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）, 微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工, 精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,几种典型精密零件的加工精度,单晶金刚石飞铣加工的激光系统用KDP 晶体(长宽420mm，厚10mm，粗糙度2nm rms),LO

2、DOM 加工的美国宇航局用的抛物面镜，最终形状误差150nm,几种典型精密零件的加工精度,精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,精密与超精密加工的地位,美国哈勃望远镜,光纤数据传输设备中的微光学元件，包括精密镜片、激光及光纤,显微镜下看到的一个芯片的局部,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内； 英国Rolls-Royce公

3、司报道，飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%； 齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,精密与超精密加工的地位,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键,精密与超精密加工的地位,减小电路微细图案的最小线条宽度是提高集成电路集成度的技术关键,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点 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,精密与超精密加工的地位,新型硅片加工方法,硅片加工的传统工艺流程,加工费用与加工精度的关系,通常随着加工精度的提高成本也将增加，但合理地选择和应用超精

4、密加工方法能达到更好的效果,精密与超精密加工分类,精密与超精密加工的特点,精密与超精密加工的特点,精密与超精密加工的特点,精密与超精密加工保障技术,影响超精加工的加工精度和表面质量的主要因素,超精密加工机床的主轴系统,1.超精密加工机床,精密与超精密加工保障技术,要求： 静态和动态回转精度高，振摆小； 主轴的精度寿命长； 主轴本身及驱动系统不产生振动，或振动极小，而且振动的衰减特性好； 具有与使用条件相匹配的、足够大的刚度和负荷容量； 很高的热稳定性； 维护、保养方便。,超精密加工机床的主轴系统,精密与超精密加工保障技术,主轴轴承特性： 精密加工、超精密加工机械用的主轴轴承，主要有滚动轴承、液

5、体静压轴承，液体动压轴承，空气静压、动压轴承等。而很少使用一般的滑动轴承。,超精密加工机床的主轴系统,精密与超精密加工保障技术,液体静压轴承,供油压力恒定系统的液体静压轴承,靠外部供给压力油、在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承,超精密加工机床的主轴系统,精密与超精密加工保障技术,空气静压轴承,特点： 1）回转精度高。由于轴四周的气体压力的均匀效果，可以比较容易达到亚微米级的回转精度，而且可长时间保持精度。 2）没有振动。因为是完全的空气润滑，在回转过程中几乎不产生振动。 3）不发热。因热变形而使精度降低的因素小。 4）经久耐用。因没有摩擦，无论是精度寿命还是轴承寿命都很高。 5）

6、可以高速回转，工作在 100 000rmin也没有问题。 6）摩擦阻力小。在低速时摩擦系数几乎等于零，故驱动力小。 7）因为不使用油，所以不会因密封和漏油而发生故障。 8）可靠性高，维护、保养方便。只要气源和供气系统不出间题，就不会发生故障。,超精密加工机床的主轴系统,精密与超精密加工保障技术,磁悬浮轴承：利用磁铁的斥力或吸力支承主轴的轴承,特点： 1）不受介质粘性的影响； 2）在真空中也可以工作 3）摩擦阻力可为零。 目前存在的主要问题： 1）为了获得磁力，所使用的永磁铁或电磁铁与回转体的尺寸相比过大。 2）目前磁轴承的刚度与负荷容量还很低，与同样尺寸的空气轴承相比，刚度只有它的15l10。

7、,超精密加工机床的直线导轨 要求： 运动应均匀、平稳。不允许有停顿或爬行等不连续的运动； 直线运动精度高。运动的平行度误差与角度误差要小； 应具有与使用条件相匹配的足够的刚度； 在运动过程中不产生振动； 定位精度及重复性精度高。,精密与超精密加工保障技术,直线导轨的种类和特性,精密与超精密加工保障技术,超精密加工机床的进给系统 超精密进给机构的条件： 不干扰或降低导轨的直线进给精度； 进给速度均匀，进给平稳； 定位精度高； 可实现工作所需要的高速进给或微速进给； 精度寿命和使用寿命高； 维护、保养方便。,精密与超精密加工保障技术,超精密加工机床的进给系统的种类和特点,精密与超精密加工保障技术,

8、滚动丝杠 由螺杆、螺母、滚珠、密封件等零件组成的高精度机械传动部件。,特点： 1. 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3， 效率可达80以上； 2. 刚性高、无侧隙，滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而达到较高的刚性；3. 可以实现微进给，启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，可以保证实现精确的微进给；4. 可高速进给，滚珠丝杠由于运动发热小、效率高，所以可实现高速进给(运动)。,精密与超精密加工保障技术,超精密加工机床的进给系统的种类和特点,微进给机构 磁致伸缩微进给机构，进给精度可达0.10.15m，相对误差小于1.5 电致伸缩微进给机构 热膨胀微进给机构 弹性变形微进给机构,恒温要求：1 0.01 恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰,2.超稳定的加工环境条件,精密与超精密加工保障技术,误差预防策略:即通过提高机床制造精度、保证加工环境的稳定性等方法减少误差源，从而使误差输出消失或减小； 误差补偿策略：它指的