精密和超精密加工.pdf
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1、20092009- -7 7- -2626 ?姜春晓姜春晓 ?20052005年年8 8月月 Precision and ultraprecision machining 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术 20092009- -7 7- -2626 教材:袁哲俊、王先逵主编教材:袁哲俊、王先逵主编 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术机械工业出版社机械工业出版社 ?学时:学时:5050 ?课程安排:机课程安排:机032032 ?周三上午周三上午1 1、2 2节节 ?周五上午周五上午3 3、4 4节(单周)节(单周) 参考材料: 1、张建华主编精密与特种加工技术 2、於贻琛精密机床
2、20092009- -7 7- -2626 1.1 1.1 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工的技术内涵 1.21.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 1.41.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 第1章 精密和超精密加工精密和超精密加工 技术及其发展技术及其发展 20092009- -7 7- -2626 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工的加工范畴 ?精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶精密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,
3、可将机械加工分为一般段,通常,按加工精度划分,可将机械加工分为一般 加工、精密加工、超精密加工三个阶段。加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 ?精密加工:加工精度在精密加工:加工精度在0.10.11 1 m m,加工表面粗糙,加工表面粗糙 度在度在Ra0.02Ra0.020.10.1 m m之间的加工方法称为精密加工;之间的加工方法称为精密加工; ?超精密加工:加工精度高于超精密加工:加工精度高于0.10.1 m m,加工表面粗糙,加工表面粗糙 度小于度小于Ra0.01Ra0.01 m m之间的加工方法称为超精密加工(之间的加工方法称为超精密加工(微微 细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等
4、细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 )。)。 1.1 精密和超精密加工的技术内精密和超精密加工的技术内涵涵 20092009- -7 7- -2626 1.1 精密和超精密加工的技术内精密和超精密加工的技术内涵涵 精密和超精密加工方法分类(精密和超精密加工方法分类(1) 热流动加工(高频电流、热射流、电子束、激光)热流动加工(高频电流、热射流、电子束、激光) 液体、气体流动加工(压铸、挤压、喷射、浇铸)液体、气体流动加工(压铸、挤压、喷射、浇铸) 微粒子流动加工微粒子流动加工 热表面流动热表面流动 粘滞性流动粘滞性流动 摩擦流动摩擦流动变形加工变形加工 化学镀,气相镀化学镀,气相镀 氧化
5、,氮化氧化,氮化 电镀、电铸电镀、电铸 阳极氧化阳极氧化 蒸镀(真空蒸镀),晶体生长,分子束外延蒸镀(真空蒸镀),晶体生长,分子束外延 烧结,掺杂,渗碳烧结,掺杂,渗碳 浸镀,熔化镀浸镀,熔化镀 溅射沉淀,离子沉淀(离子镀)溅射沉淀,离子沉淀(离子镀) 离子溅射注入加工离子溅射注入加工 化学附着化学附着 化学结合化学结合 电化学附着电化学附着 电化学结合电化学结合 热附着热附着 扩散结合扩散结合 熔化结合熔化结合 物理附着物理附着 注入注入 结合加工结合加工 刻蚀(曝光),化学抛光,软质粒子机械化学抛光刻蚀(曝光),化学抛光,软质粒子机械化学抛光 电解加工,电解抛光电解加工,电解抛光 电子束加
6、工,激光加工,热射线加工电子束加工,激光加工,热射线加工 扩散去除加工扩散去除加工 熔化去除加工熔化去除加工 粒子束溅射去除加工,等离子体加工粒子束溅射去除加工,等离子体加工 化学分解(气体、液体、固体)化学分解(气体、液体、固体) 电解(液体)电解(液体) 蒸发(真空、气体)蒸发(真空、气体) 扩散(固体)扩散(固体) 熔化(液体)熔化(液体) 溅射(真空)溅射(真空) 去除加工去除加工 加工方法加工方法加工机理加工机理分 分类类 20092009- -7 7- -2626 刃磨,成形,平面,内圆刃磨,成形,平面,内圆 平面,外圆,型面,细金属丝,槽平面,外圆,型面,细金属丝,槽 平面平面
7、各种材料各种材料 金属,半导体金属,半导体 金属,半导体金属,半导体 电解磨削电解磨削 电解抛光电解抛光 化学抛光化学抛光 复合加工复合加工 孔,沟槽,狭缝,方孔,型腔孔,沟槽,狭缝,方孔,型腔 切断,切槽切断,切槽 模具型腔,大空,切槽,成形模具型腔,大空,切槽,成形 刻模,落料,切片,打孔,刻槽刻模,落料,切片,打孔,刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔,切割,光刻打孔,切割,光刻 成形表面,刃磨,割蚀成形表面,刃磨,割蚀 打孔,切断,划线打孔,切断,划线 划线,图形成形划线,图形成形 导电金属,非金属导电金属,非金属 导电金属导电金属 金属,非金属金属,非
8、金属 硬脆金属,非金属硬脆金属,非金属 绝缘金属,半导体绝缘金属,半导体 各种材料各种材料 各种材料各种材料 各种材料各种材料 金属,非金属,半导体金属,非金属,半导体 电火花成形加工电火花成形加工 电火花切割加工电火花切割加工 电解加工电解加工 超声波加工超声波加工 微波加工微波加工 电子束加工电子束加工 粒子束去除加工粒子束去除加工 激光去除加工激光去除加工 光刻加工光刻加工 特种加工特种加工 集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工,硅片基片平面、空、外圆加工,硅片基片 平面、空、外圆加工,硅片基片平面、空、外圆加工,硅片基片 硅片基片硅片基片 刻槽,
9、切断,图案成形,破碎刻槽,切断,图案成形,破碎 黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃 金属、非金属金属、非金属 金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶 微细磨削微细磨削 研磨研磨 抛光抛光 弹性发射加工弹性发射加工 喷射加工喷射加工 磨料加工磨料加工 熔断钼、钨等高熔点材料,硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料,硬质合金 球,磁盘,反射镜,多面棱镜球,磁盘,反射镜,多面棱镜 油泵油嘴,化学喷丝头,印刷电路板油泵油嘴,化学喷丝头,印刷电路板 各种材料各种材料 有色金属及其合金有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝 等离子体切
10、削等离子体切削 微细切削微细切削 微细钻削微细钻削 切削加工切削加工 应应用用可加工材料可加工材料加工方法加工方法分分类类 精密和超精密加工方法分类(精密和超精密加工方法分类(2) 20092009- -7 7- -2626 镜镜 面面 研研 磨磨 镜镜 面面 磨磨 削削 镜镜 面面 切切 削削 压电滤波器基片压电滤波器基片 SAWSAW元件基片元件基片 半导体基片半导体基片 各种模具各种模具 SORSOR用用X X射线光学元件射线光学元件 激光核聚变用各种光学元激光核聚变用各种光学元 件件 投影透镜投影透镜 水晶水晶LiTaO3LiTaO3 LiNbO3LiNbO3 GGGGGG SiSi、
11、GaAsGaAs 精细陶瓷精细陶瓷 CVDCVD SiCSiC膜膜 玻璃玻璃 基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、液中研磨机、EEMEEM装置、装置、 浮法抛光张之、浮法抛光张之、P PMACMAC抛光抛光 装置装置 NCNC化化CAMCAM化化 沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石 蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂 抛光盘抛光盘 微细磨料、软质磨微细磨料、软质磨 料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料 软质工具的采软质工具的采 用:氟化树脂发泡体用:氟化树脂发泡体 跑关盘、液体工具跑关盘、液体工具 EEMEEM及浮动抛光及浮动
12、抛光 磁头磁头 红外用光学元件红外用光学元件 非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜 各种模具各种模具 铁氧体铁氧体 精细陶瓷精细陶瓷 超硬合金超硬合金 GeGe、SiSi 玻璃玻璃 树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石 砂轮添加砂轮添加Mo2S2Mo2S2、 WS2WS2、C C等等 铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂 轮采用电解腐蚀修整轮采用电解腐蚀修整 磁盘基板磁盘基板 各种模具各种模具 各种发射镜各种发射镜 红外用光学元件红外用光学元件 激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件 X X射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件 AlAl、CuCu、塑料等软质材料、塑料等软质材料 无电解无电解NiNi膜膜Ge
13、Ge,SiSi KDPKDP、 LiNbO3LiNbO3、玻璃、玻璃 采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及 空气道轨等的高精度化空气道轨等的高精度化 高刚度化高刚度化 冷却、空调、防振冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案:高刚度化的新方案: TetraformTetraform结构球壳结构结构球壳结构 金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋 利化利化 利用利用CBNCBN刀具切刀具切 削钢削钢 金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶 方位选择方位选择 金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评 价改进型价改进型SEMSEM 用途、零件等用途、零件等材料材料加工装置
14、加工装置 工具等工具等 精密切削、磨削、研磨实例精密切削、磨削、研磨实例 20092009- -7 7- -2626 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、 加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水 平的重要标志之一。例如:金刚石刀具切削刃钝 圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关 键技术参数,日本声称已达到2nm,而我国尚处 于亚微米水平,相差一个数量级;又如金刚石微 粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产,使制造水 平有了大幅度提高
15、,突出地解决了超精密磨削磨 料加工效率低的问题。 20092009- -7 7- -2626 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场,作为真实产品的实 际制造,必然要靠精密加工和超精密加工技术, 例如,计算机工业的发展不仅要在软件上,还要 在硬件上,即在集成电路芯片上有很强的能力, 应该说,当前,我国集成电路的制造水平约束了 计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的 汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上 欧、日水平,其中的举措都是实实在在的制造技
16、术。 20092009- -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 国防工业上的需求国防工业上的需求 超精密加工技术与国防工业关系密切,如陀螺仪的加工涉 及多项超精密加工,导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中 率,1kg的陀螺转子,其质量中心偏离其对称轴0.0005m,则 会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m,形状精度为 0.01m,如著名的哈勃太空望远镜,能观察140亿光年的天体 (六轴CNC研磨抛光机 )(图)。 红外线探测器反射镜,其抛物面反射镜形状精度为1m, 表面粗糙度为Ra0.01m,其加工精度
17、直接影响导弹的引爆距 离和命中率。 激光核聚变用的曲面镜,其形状精度小于1m,表面粗糙 度小于Ra0.01m,其质量直接影响激光的光源性能。 20092009- -7 7- -2626 服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系 宇宙深处的星体银河系环形星群 20092009- -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 信息产品中的需求信息产品中的需求 计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都 需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、 复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多 面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精 密加工,才能达到质量要求。 20092009-
18、 -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 民用产品中的需求民用产品中的需求 现代小型、超小型的成像设备,如摄相机、 照相机等上的各种透镜,特别是光学曲面透 镜,激光打印机、激光打标机等上的各种反射 镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密 加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技 术才能制造。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 国内外现状国内外现状 (1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快 的国家 。 (3)我国的超精密加工技术在70年
19、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。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工机理加工机理 近年来,在传统加工方法中,金刚石刀具超 精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高 速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位;在非 传统加工中,出现了电子束、离子束、激光束等 高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花 和电化学加工等多种方法,特别是复合加工,如 磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨 等,在加工机理上均有所创新。 20092
20、009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 被加工材料被加工材料 用精密和超精密加工的零件,其材料的化学成分、 物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如, 要求被加工材料质地均匀,性能稳定,无外部及内部 微观缺陷;其化学成分的误差应在10-210-3 数量 级,不能含有杂质;其物理力学性能,如拉伸强度、 硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达 到10-510-6数量级;材料在冶炼、铸造、辗轧、热 处理等工艺过程中,应严格控制熔渣过滤、辗轧方 向、温度等,使材质纯净、晶粒大小
21、匀称、无方向 性,能满足物理、化学、力学等性能要求。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 (1)高精度。 (2)高刚度。 (3)高稳定性。 (4)高自动化。 加工设备的质量与基础元部件,如主轴系统、 导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关, 应注意这些元部件质量。此外,夹具、辅具等 也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及
22、发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工工具加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金 刚石刀具超精密切削,值得研究的问题有:金刚石 刀具的超精密刃磨,其刃口钝圆半径应达到2 4nm,同时应解决其检测方法,刃口钝圆半径与切削 厚度关系密切,若切削的厚度欲达到10nm,则刃口 钝圆半径应为2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削, 这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题,通 常,采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石,粘接剂采 用树脂、铜、纤维铸铁等。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状
23、及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 检测与误差补偿检测与误差补偿 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微 仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、 压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量,或用光纤法、电容 法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量;表面应力、 表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷,可用X光衍射法、激光 干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方 式。 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来 减少误差源及其影响;误差补偿是在误差分离的基础上,利用 误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿,以消除误差本身 的影
24、响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值,在加工时通 过硬件或软件进行补偿;动态误差补偿是在在线检测基础上, 在加工时进行实时补偿。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 工作环境工作环境 环境温度可根据加工要求控制在1 0.02,甚至达到0.0005。 在恒温室内,一般湿度应保持在55%60%, 防止机器的锈蚀、石材膨胀,以及一些仪器, 如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求1000100级,100级是指每立方 英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100 个,依此类推
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