超精密加工技术模版课件

先进制造技术先进制造技术第第3 3章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术5/1/20241先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述超高速加工技术超高速加工技术超精密加工技术超精密加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术特种加工技术特种加工技术电火花加工电火花加工高能束加工及复合加工高能束加工及复合加工虚拟轴机床技术虚拟轴机床技术快速原形制造技术快速原形制造技术授课内容授课内容5/1/20242概述概述超精密加工范畴超精密加工范畴超精密加工的设备与环境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的发展展望超精密加工技术超精密加工技术5/1/20243超精密加工技术超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械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一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米纳米和亚纳米精精度发展。度发展。概述概述5/1/20244超精密加工技术超精密加工技术是衡量一个国家先进制造技术水是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，是先进制造技术的平的重要指标之一，是先进制造技术的基础和关基础和关键。键。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制当代的精密工程、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。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的加工精度是1m1m。概述概述5/1/20245精密加工精密加工 精度为精度为 101m，表面粗糙度值为：表面粗糙度值为：Ra03003m；超精密加工超精密加工 精度为精度为 01001 m，表面粗糙度值为表面粗糙度值为 Ra003 0005m，又称亚微米加工；（又称亚微米加工；（1微米微米=0.001mm）纳米加工纳米加工 精度高于精度高于 003 m，表面粗糙度值小于表面粗糙度值小于 Ra 0.005 m。概述概述超精密加工技术的技术指标超精密加工技术的技术指标5/1/20246提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高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，并促进自动化装件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。配。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/20247超精密加工技术在超精密加工技术在尖端产品和现代化武器尖端产品和现代化武器的制造的制造中占有非常重要地位。例如：对于导弹来说，具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有决定意义的是导弹的命中精度命中精度，而命中精度是，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。要有超精密加工技术和相应的设备。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/20248例如：美国民兵例如：美国民兵型洲际导弹系统陀螺仪的精度型洲际导弹系统陀螺仪的精度为为0.030.030.050.05/h/h，其命中精度的圆概率误差为，其命中精度的圆概率误差为500m500m，而，而MXMX战略导弹战略导弹(可装载可装载l0l0个核弹头个核弹头)制导系制导系统陀螺仪精度比民兵统陀螺仪精度比民兵型导弹高出一个数量级，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从而保证命中精度的圆概率误差只有5050l50ml50m。如果如果lkglkg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm0.5nm，则会引起，则会引起100m100m的射程误差和的射程误差和50m50m的轨道误的轨道误差。差。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/20249红外探测器中接收红外线的红外探测器中接收红外线的反射镜反射镜是红外导弹的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中率。该反射镜表面的粗糙度要求达到度Ra0.015Ra0.0150.01m0.01m。只有采用超精密车削，方能满足上述。只有采用超精密车削，方能满足上述要求。要求。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/202410又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制亿万公里远星球图象的摄制亿万公里远星球图象的哈勃望远镜哈勃望远镜(HST)(HST)，其，其一次镜要求使用直径一次镜要求使用直径2.4m2.4m，重达，重达900kg900kg的大型反光的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了超精密加工超精密加工(形状精度为形状精度为0.01m)0.01m)光学玻璃用的光学玻璃用的6 6轴轴CNCCNC研磨抛光机。研磨抛光机。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/202411大规模集成电路大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，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。电路集成度的技术关键。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/202412从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才从上所述，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。机及其它尖端产品。概述概述超精密加工技术的重要性超精密加工技术的重要性5/1/202413当代多种加工方法所能达到的精度，见图。当代多种加工方法所能达到的精度，见图。概述概述5/1/202414可见，精密工程正在向其终极目标可见，精密工程正在向其终极目标-原子级精原子级精度度的加工逼近，也就是做到的加工逼近，也就是做到“移动原子移动原子”。为了。为了达到这一目标，各工业发达国家都在努力冲刺。达到这一目标，各工业发达国家都在努力冲刺。日本的日本的ERATOERATO计划中，计划中，纳米技术纳米技术作为其六项优先技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。本的测试系统与加工设备正在研制中。概述概述5/1/202415美国的美国的VHSICVHSIC计划正在进行，海军研究室计划正在进行，海军研究室(Office(Office of Naval Research)of Naval Research)正在资助几所学校精密工程正在资助几所学校精密工程的研究项目。美国精密工程学会的研究项目。美国精密工程学会(American(American Society for Precision engineering)Society for Precision engineering)已经成立。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。面进行卓有成效的研究工作。概述概述5/1/202416在英国国家纳米技术在英国国家纳米技术(NION)(NION)计划已开始实行，纳计划已开始实行，纳米技术战略委员会米技术战略委员会(Nanotechno1ogy Strategy(Nanotechno1ogy Strategy Committee)Committee)巳建立，正在实行合作的研究计划，巳建立，正在实行合作的研究计划，19901990年年6 6月英国正式出版月英国正式出版纳米技术纳米技术学术期刊。学术期刊。概述概述5/1/202417概述概述超精密加工范畴超精密加工范畴超精密加工现状超精密加工现状超精密加工的设备与环境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的发展展望超精密加工技术超精密加工技术5/1/202418在过去相当的一段时期，精密加工、特别是超精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，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。而且从单件小批生产方式走向大批量的产品生产。超精密加工范畴超精密加工范畴5/1/202419在机械制造行业，已经改变了过去那种将精密机在机械制造行业，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。到前方车间，直接用于产品零件的加工。超精密加工范畴超精密加工范畴5/1/202420 精密和超精密加工目前包含三个领域：精密和超精密加工目前包含三个领域：1)1)超精密切削超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加，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。光反射镜和某些大型反射镜的加工。2)2)精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨，例如解决了大规模集，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。成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。3)3)精密特种加工精密特种加工，如电子束，离子束加工，美国，如电子束，离子束加工，美国超大规模集成电路线宽达到超大规模集成电路线宽达到0.1m0.1m。超精密加工范畴超精密加工范畴5/1/202421概述概述超精密加工范畴超精密加工范畴超精密加工现状超精密加工现状超精密加工的设备与环境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的发展展望超精密加工技术超精密加工技术5/1/202422超精密切削加工已不再是一种孤立的加工方法和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。的系统工程。实现超精密切削加工，不仅需要超精密的实现超精密切削加工，不仅需要超精密的机床设机床设备和刀具备和刀具，也需要超稳定的，也需要超稳定的环境条件环境条件，还需要运，还需要运用计算机技术进行用计算机技术进行实时检测，反馈补偿实时检测，反馈补偿。只有将。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超精密切削加工精密切削加工超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202423天然金刚石天然金刚石具有无与伦比的硬度，是超精密加工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。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，始于密切削，始于5050年代末期。初期的被加工工件多年代末期。初期的被加工工件多为形状简单的圆柱表面、平面和球面，只要求达为形状简单的圆柱表面、平面和球面，只要求达到及到及maxmax.mm的镜面即可。后来发展要求加的镜面即可。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。工非球曲面反射镜、再发展要求加工大型反射镜。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202424金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：两个方面：单件的大型超精密零件单件的大型超精密零件的切削加工和的切削加工和大量生产的中小型零件大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。的超精密切削加工技术。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202425单件大型零件超精密金刚石刀具单件大型零件超精密金刚石刀具切削，以美国最为发达，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。其最高水平是发投入丁巨额资金和大量人力。其最高水平是LLLLLL实验室实验室(LowrenceLowrence Livermore Livermore Laboratory)lLaboratory)l 983 983年研制的第三号年研制的第三号大型超精密金刚石车床大型超精密金刚石车床(DTM(DTM3 3型型)，该机可加工，该机可加工2100mm2100mm，质量为，质量为4500kg4500kg和和19841984年研制的大型光学金刚石车床年研制的大型光学金刚石车床LODTMLODTM，可加工，可加工1625mm1625mm，质量，质量1360kg1360kg的非球面工件，其加工精的非球面工件，其加工精度可达度可达0.025m0.025m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa0.0045m0.0045m。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202426大量生产的中小型超精密零件大量生产的中小型超精密零件大多是感光鼓，磁盘，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，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进而扩展至塑料及硬脆材料(如陶瓷如陶瓷)，间或有铁，间或有铁氧体材料加工。最近也有用氧体材料加工。最近也有用CBNCBN精车黑色金属的报精车黑色金属的报道。道。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202427这些零件的加工精度可用表说明。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中小型精密幂件的加工精度超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202428英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工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（简称程研究所（简称CUPECUPE）享有较高声誉，它是当今）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。如加工技术水平的独特代表。如CUPECUPE生产的生产的NanocentreNanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车（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件的形状精度可达0.1m0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra10nmRa10nm。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202429日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起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。端技术为主要目标。日本日本TOYOTATOYOTA公司生产的专用超精密车床用于加工非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有精密测量装置。该机床加工模具形状精度为0.05um0.05um，表面粗糙度为，表面粗糙度为0.025um0.025um。结构上机床采用。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。盒式结构，不受外界影响，并机床处于恒温状态。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202430我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进步，年代末期有了长足进步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。部件。北京机床研究所、航空航天工业部三零三所、哈尔北京机床研究所、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。域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5/1/202431概述概述超精密加工范畴超精密加工范畴超精密加工现状超精密加工现状超精密加工的设备与环境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的发展展望超精密加工技术超精密加工技术5/1/202432超精密切削加工是一项内容广泛的新技术，它的加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工精度和表面质量是由所使用的超精密机床设备超精密机床设备，金刚石刀具金刚石刀具，切削加工工艺切削加工工艺，计量和误差补偿技计量和误差补偿技术，操作者的技术水平，环境支持条件术，操作者的技术水平，环境支持条件等多种因等多种因素影响的综合结果，下面对其中几个主要方面的素影响的综合结果，下面对其中几个主要方面的情况予以说明。情况予以说明。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202433超精密机床是实现超精密切削的首要条件，各国都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。其代表作是水平最高的是美国。其代表作是LLLLLL实验室实验室l 983l 983年研制成功的年研制成功的DTM-3DTM-3型大型超精密车床，和型大型超精密车床，和l 984l 984年研制成功的大型光学金刚石车床年研制成功的大型光学金刚石车床LODTMLODTM。该机床。该机床采用空气轴承主轴和高压液体静压主轴，刚度高，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。动态性能好。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202434为实现超精密位置的确定，采用了精密数字伺服方为实现超精密位置的确定，采用了精密数字伺服方式，控制部分为内装式式，控制部分为内装式CNCCNC装置和激光干涉测长仪，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，在实现随机测量定位。为了实现刀具的微量进给，在DCDC伺服机构内装有伺服机构内装有压电式微位移机构，可实现压电式微位移机构，可实现nmnm级级微位移微位移。该车床采用了恒温油淋浴系统，。该车床采用了恒温油淋浴系统，油温控制油温控制在在2020士士0.00050.0005，消除了加工中的热变形。该车床还，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，使加工精度达到采用了压电晶体误差补偿技术，使加工精度达到0.025m0.025m，该机床可用于加工平面，球面及非球面，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。件以及大型天体望远镜。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202435在欧州以具有研究开发超精密金刚石切削加工机械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传统的PhilipsPhilips公司的中央研究所为中心，研究开发公司的中央研究所为中心，研究开发CNCCNC超精密金刚石车床超精密金刚石车床COLATHCOLATH，19781978年以后用于本公年以后用于本公司的高精度零件的加工。司的高精度零件的加工。英国英国CranfieldCranfield公司与公司与British Science and British Science and Engineering Research Engineering Research Council(SERCCouncil(SERC)签订合同，签订合同，研制开发研制开发x x射线天体望远镜用大型超精密机床射线天体望远镜用大型超精密机床OAGM OAGM 25002500，机床于，机床于199l199l研制成功，工作台研制成功，工作台2500mm2500mm2500mm2500mm，可用于超精密车削、磨削和坐标，可用于超精密车削、磨削和坐标测量，使用性能良好。测量，使用性能良好。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202436日本大型超精密金刚石切削机床的研究与开发。远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。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，甚至超过了美术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。国。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202437沈阳、上海、济南等地也都有超精密车床产品，但沈阳、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、样品，还不能正式生产，空气主轴、微位移机构、精密精密CNCCNC伺服系统、机床热变形和结构稳定性等关键伺服系统、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。控金刚石车床的正式产品。超精密加工技术的机床设备超精密加工技术的机床设备5/1/202438金刚石刀具是超精密切削中的重要关键。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金刚石刀具的研磨质量-刃口半径刃口半径。它关系到。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。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金刚石刀具和超精密切削机理的研究5/1/202439超精密切削中，刀刃的实际切削厚度与名义切削厚超精密切削中，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。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。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最小切削厚度取决于金刚石刀具的刃口半径，刃口，刃口半径越小，则最小切削厚度越小。半径越小，则最小切削厚度越小。金刚石刀具和超精密切削机理的研究金刚石刀具和超精密切削机理的研究5/1/202440国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可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，以小到数纳米的水平；而国内现在磨的金刚石刀具，刀口半径只能达到刀口半径只能达到0.10.10.3m0.3m。最近日本大颐大学和美国最近日本大颐大学和美国LLLLLL实验室合作研究超精密实验室合作研究超精密切削的最小极限，成功地实现了切削的最小极限，成功地实现了lnmlnm级切削厚度的稳级切削厚度的稳定切削，使超精密切削达到新的水平。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金刚石刀具和超精密切削机理的研究5/1/202441超精密切削机理的某些方面，如各种因素对金刚石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，也有用切削正在研究，有用金刚石刀具的，也有用CBNCBN刀具刀具的，目前还在实验室研究阶段。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金刚石刀具和超精密切削机理的研究5/1/202442要达到亚微米级和纳米级的加工精度，检测是一个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。超精密加工要求格要求。超精密加工要求测量精度比加工精度高一测量精度比加工精度高一个数量级个数量级。如果超精密加工精度达到。如果超精密加工精度达到1nm1nm，测量机要，测量机要控制的精度则要达到控制的精度则要达到0.1nm0.1nm。因此，超精密加工需要。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。目前超精密须与超精密加工技术的开发保持同步。目前超精密测量仪正向高分辨率，高精度和高可靠性的方向发测量仪正向高分辨率，高精度和高可靠性的方向发展。展。检测和误差补偿检测和误差补偿5/1/202443国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度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，的测量技术。例如，JohanessJohaness公司生产的多次公司生产的多次光波光波干涉显微镜干涉显微镜的分辨率为的分辨率为0.5nm0.5nm，OrienPassOrienPass公司生产公司生产的的MBIMBI重复反射干涉仪的测量精度可达士重复反射干涉仪的测量精度可达士0.001nm0.001nm。最近出现的最近出现的隧道扫描显微镜隧道扫描显微镜的分辨率为的分辨率为0.0lnm0.0lnm，是，是目前世界上精度最高的测量仪，可用于测量金属和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程的最终目标原子级精密加工。原子级精密加工。检测和误差补偿检测和误差补偿5/1/202444超精密加工中的测量，应包括机床超精密部件超精密加工中的测量，应包括机床超精密部件运运动精度的检测动精度的检测和和加工精度的直接检测加工精度的直接检测。要提高机。要提高机床的床的运动精度运动精度，首先要能检测出运动误差。用三，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点法所测得的高精度静压空气轴承的径向圆跳动般为般为50nm50nm左右。左右。主轴的跳动主轴的跳动加上静压工作台的加上静压工作台的直线运动误差直线运动误差，可以造成圆度和圆柱度等误差达，可以造成圆度和圆柱度等误差达数十纳米。数十纳米。检测和误差补偿检测和误差补偿5/1/202445加工时机床的定位精度是一个重要问题。一般平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时就要求很高的连续的运动精度和定位精度运动精度和定位精度。现。现在采用激光干涉侧长仪精确测出工作台的位置，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用反馈和闭环控制系统而制成精密CNCCNC机床。机床。检测和误差补偿检测和误差补偿5/1/202446超精密加工中的超精密加工中的误差补偿误差补偿问题国内外学者专家的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度静压空气轴承的径向圆跳动大约在50nm50nm左右，左右，工作台的直线运动误差也在数十纳米，要进一步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。但用误差补偿可以实现更高精度就有一定困难。但用误差补偿可以达到达到l 0nml 0nm以下。以下。检测和误差补偿检测和误差补偿5/1/202447加工环境条件的极微小变化都可能影响加工精度，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环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿恒温、防振、超净和恒湿四个四个方面的条件，相应地发展起恒温技术、防振技术方面的条件，相应地发展起恒温技术、防振技术和净化技术。和净化技术。超稳定的加工环境条件超稳定的加工环境条件5/1/202448超精密加工必须在严密的恒温条件下进行，即不超精密加工必须在严密的恒温条件下进行，即不仅放置机床的仅放置机床的房间房间应保持恒温还要对应保持恒温还要对机床机床采取采取特殊的恒温措施。据统计在精密加工中，由热变特殊的恒温措施。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形产生的误差常占全部加工误差的5050以上，例以上，例如长如长l00mml00mm的钢件，温度升高的钢件，温度升高1 1，其长度将增加，其长度将增加1 11.2m1.2m，铝件的长度将增加，铝件的长度将增加2.22.22.3m2.3m。因此。因此超精密加工和测量必须在恒温条件下进行。如要超精密加工和测量必须在恒温条件下进行。如要保证保证0.l0.l0.01m0.01m的加工精度，温度变化应小于的加工精度，温度变化应小于土土0.10.10.0l0.0l。超稳定的加工环境条件超稳定的加工环境条件5/1/202449有些超精密机床，内部易产生热变形处用恒温油有些超精密机床，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温油浇淋。现在恒温油可控制在2020土土0.00050.0005，室，室温可控制在温可控制在2020土土0.0050.005。超稳定的加工环境条件超稳定的加工环境条件5/1/202450为了提高超精密加工系统的动态稳定性，除了在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。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。美国都使用空气弹簧隔振。美国LLLLLL实验室的大型超精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振动振幅为2nm2nm，并可防止，并可防止1.51.52Hz2Hz的外界振动传的外界振动传入。入。超稳定的加工环境条件超稳定的加工环境条件5/1/202451超精密加工还必须有超净化的环境。对超精密加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工车间一立方英尺的空气中直径大于0.3m0.3m以上以上的尘埃数应小于的尘埃数应小于100(100(百级百级)。现在又提出。现在又提出1010级的要级的要求，尘埃粒度从求，尘埃粒度从0.3m0.3m减至减至0.1m0.1m。为建立。为建立0.1m0.1m的的1010级洁净室，国外已研制成功对级洁净室，国外已研制成功对0.1m0.1m的尘粒有的尘粒有99.99999.999净化效率的高效过滤器。净化效率的高效过滤器。超稳定的加工环境条件超稳定的加工环境条件5/1/202452概述概述超精密加工范畴超精密加工范畴超精密加工现状超精密加工现状超精密加工的设备与环境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的发展展望超精密加工技术超精密加工技术5/1/202453欧美在发展超精密加工技术上的规划，它们是和欧美在发展超精密加工技术上的规划，它们是和宇航、天文、军事、核能等方面联系的。超精密宇航、天文、军事、核能等方面联系的。超精密加工的尖端部分负担着支承最新科学技术进步的加工的尖端部分负担着支承最新科学技术进步的重任，所以不把分散在各个领域中的技术成就集重任，所以不把分散在各个领域中的技术成就集结起来，把加工精度提高结起来，把加工精度提高1 12 2个数量级是不成的。个数量级是不成的。为此需要在国家的科学研究规划中投入大量的资为此需要在国家的科学研究规划中投入大量的资金和人力。金和人力。超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望5/1/202454在美国的国家科研计划中超精密加工的研究，在在美国的国家科研计划中超精密加工的研究，在材料方面材料方面从传统的铝铜扩展到难切削材料和非金从传统的铝铜扩展到难切削材料和非金属硬脆材料，从属硬脆材料，从加工方式加工方式上看，从切削扩展到开上看，从切削扩展到开发带有检测反馈的超精密技术以及最终表面涂层发带有检测反馈的超精密技术以及最终表面涂层处理的综合的研究。处理的综合的研究。超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望5/1/202455从日本发表的资料来看，日本通产省从日本发表的资料来看，日本通产省l 987l 987年开始年开始的的“超尖端加工系统的研究开发超尖端加工系统的研究开发”大型研究规划大型研究规划提出了超精密加工发展设想。超精密加工方面主提出了超精密加工发展设想。超精密加工方面主要是两大方面：一是要是两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工高密度高能量的粒子束加工的研究和开发的研究和开发；另一方面；另一方面以三维曲面加工为主的以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术维超精密检测技术和加工环境的控制技术。超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望5/1/202456根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下四个方面：内容包括以下四个方面：1)1)超精密切削磨削的基本理论和工艺；超精密切削磨削的基本理论和工艺；2)2)超精密设备的精度，动特性和热稳定性；超精密设备的精度，动特性和热稳定性；3)3)超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿；超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿；4)4)超精密加工的环境条件超精密加工的环境条件超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望5/1/202457“今后的制造技术基础在于超精密加工技术的完今后的制造技术基础在于超精密加工技术的完成成”。这是美国军方人士的总结。这是美国军方人士的总结。我国的目标：如果能对精密和超精密加工技术给我国的目标：如果能对精密和超精密加工技术给予足够的重视，投入相当的人力物力进行研究、予足够的重视，投入相当的人力物力进行研究、开发，在开发，在l 5l 52020年内达到美国等先进国家目前的年内达到美国等先进国家目前的水平，并在某些主要单项技术上达到国际先进水水平，并在某些主要单项技术上达到国际先进水平。平。超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望5/1/202458