精密超精密加工技术研究论文.doc

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1、精密超精密加工技术摘要：超精密加工是多种技术综合的一种加工技术，是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。根据当前国内外超精密加工技术的发展状况，对超精密切削、磨削、研磨以及超精密特种加工及复合加工技术进行综述，简单地对超精密加工的发展趋势进行预测。关键词: 加工精度; 超精密加工技术; 超精密特种加工; 加工方法；0引言精密超精密加工技术是衡量一个国家制造技术水平的一个重要指标，精密超精密加工技术并不特指某一种加工技术，并且其加工精度也没有特定的衡量标准。在不同的发展时期，不同的科学技术水平情况下，有不同的理解。超精密加工是现代机械制造技术的重要研究方向，是从精密加工发展而来的。通常

2、我们把被加工零件的加工精度在0.11、加工表面粗糙度在0.020.1之间的加工方法称为精密加工，而把加工精度高于0.1、加工表面粗糙度小与0.02,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01的加工方法称为超精密加工，亦称之为亚微米加工技术，且正向纳米级加工技术发展。所以精密超精密加工代表的是某个时代的先进加工技术，具有很强的时代性。1、国内外研究现状精密超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国、日本。美国是开展精密超精密加工技术研究最早的国家，早在20世纪50年代由于航天等尖端技术发展的需要，美国就研发出了精密超精密切削技术(简称“SPDT”技术)，极人地推动了美国航天事业的

3、发展。现如今，美国在很多技术方而也遥遥领先。例如，美国研发了人型精密超精密金刚石车床D1M一3型，被世界公认为技术水平最高、精度最高的精密车床之一。1962年美国Union Carbide公司研制首台精密超精密车床，可加工100 mm的半球，尺寸精度士0. 8 m，粗糙度Ra O. 002 5 lam o Taylor公司生产了N anoform250精密超精密加工车床，其轴系轴向、径向精度优于50 nm。进入90年代以后，精密超精密铣磨和抛光技术在几个发达国家竞相发展，个别实验室可以达到很高的水平，特别是其中包含的纳米制造技术，到很大的关注。开发精密超精密铣磨和纳米抛光制造技术较好的公司及机

4、构有:美国MOORE公司、英国的TAYLOR、德国的ZEISS, LOH、日本的NACH I, T OSH IBA、荷兰PH ILIP等。80年代末，日本研制出了的精密超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0. 8 lam，表面粗糙度的均方根值为Q S nm。最近，日本采用门型机械加工中心，使用4000#一8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利用SLID(在线电解修正法)铣磨法，铣磨BIB7光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为1 lam，表面粗糙度为43 nm。德国的计算机数控研磨抛光技术发展很快。Loh公司生产的数控SPM 50和120研磨抛光机，不仅可以粗、精磨

5、球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德(SCH EIDER)光学机械公司90年代末制造的ALG 100型计算机数控非球面磨床和ALP 100型计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。国外发展的2个典型方向:(1)、随着纳米技术的发展，纳米加工机床功能向复合型方向发展。一些精密超精密机床本身具备了测量机的基础条件，机床可以实现加工、测量一体化。(2)、应用纳米加工技术的加工工件规格范围逐渐加大，机床向大型化发展。由于航天技术的不断发展，要求精密精密超精密机床的加工工件尺寸越来越大，精密精密超精密机床加工大型工件的记录不断被刷新。国内发展状况方面:在我国，超精

6、密精密加工技术的第一次发展高潮出现在上世纪o年代末至80年代初。在这段时期内，我国精密超精密加工技术的发展卓有成效，取得了许多显著成果。例如，在当时，我国研制出了具有世界水平的精密超精密机床和部件。目前，北京机床研究所是研究精密超精密加工技术的主阵地之一，为国家做出了突出的贡献。例如，北京机床研究所研制出了许多不同类型的精密超精密部件、机床以及相关的高精度测试仪器，如精度达0.025um的精密轴承、NAM一80型纳米数控车床、JCS一031精密超精密铣床等等，这些技术在世界上都是首屈一指。哈尔滨工业大学是国内最早从事精密超精密加工技术研究的单位之一，于19%年研制出了亚微米级的精密超精密机床，

7、2006年研制成的大平而精密超精密铣床，已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的精密超精密加工。但总的来说，我国在精密、超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方而与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。具体有:1)大型、微型的精密超精密机床国内仍很缺乏;2)在精密超精密机床的制造精度方面仍存在差距;(3)产业化的精密超精密机床产品较少;(4)精密超精密机床在高刚性、高效化方面仍存在不足;(5)精密超精密机床的品种类型较少，产品主要是车床和铣床类，磨床和加工中心等方面较弱;(6)精密超精密机床关键配套件如数控系统、反馈检测元件等的精度、可靠性不够;(7)、基础理

8、论和共性技术方面尤其是微细切削机理、各种材料精密超精密加工特性等方面的研究水平滞后。2几种常用的精密加工和超精密加工的方法及特点 根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工3大类。（1）去除加工。又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料，传统的机械加工方法，如车削、铣削、磨削、研磨和抛光等，以及特种加工中的电火花加工、电解加工等，均属这种加工方法。（2）结合加工。利用物理和化学方法，将不同材料结合在一起。按结合的机理、方法、强弱等，它又分为附着、注入和连接 3种。（3）变形加工。又称为流动加工，利用力、热分子运动等手段，使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。

9、超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具.金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于 0.01um,实际应用一般0.05umm)，可加工出优于Ra0.011u m的表面粗糙度.此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构.机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置.机床必须安装在洁净室内.进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷.在这种情况下加工。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几

10、何形状和尺寸。其加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，当前超精密磨削技术能加工出0.01um圆度，0.1 um尺寸精度和0.005um粗糙度的圆柱形零件，0.03um / 100mm的平面，今后磨削加工的目标是3-5nm的平滑表面。塑性域磨削对微晶、陶瓷等脆性材料加工可达到以前只能靠研磨抛光才能加工出来的水平。砂轮修整技术方面，电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术仍是今后研究和应用热点。砂带磨削、珩磨等在提高特定产品的加工精度和效率方面有较好的应用前景。 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法.超精密研磨加工出的球面度达0 025

11、 um，表面粗糙度Ra达0 0031um.超精密研磨的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂.另外，还须有高精度的检测方法作基础.超精密特种加工主要包括以下几种: （1)激光束加工:由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能在瞬时被转化为热能.依据能量密度的高低可实现打孔、精密切割、加工激光防伪标志等. （2)电子束加工:指在真空中将阴极不断发射出来的负电子向下极加速，并聚集成极细的能量密度极高的电子束流.高速运动的电子束撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料熔化、汽化，并在真空中被抽走.它能聚焦成极小的点，并在高速下进行精确定位，

12、控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台的数控位移，可实现打孔、成形切割、刻蚀、光刻曝光等工艺. （3)离子束加工:在真空中将离子源产生的离子加速、聚焦，使之撞击工件表面.由于离子带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速后可获得更大的动能，它是靠微观的机械撞击能量，将离子作为工具，利用弹性碰撞将原子从工件表面轰击出来，而不是靠动能转化成热能来加工的.可用于表面刻蚀、非球面加工、金刚石压头的锐化、金刚石切片刀的锐化等方面，实现原子、分子级的切削加工.（4)微细电火花加工:在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和汽化去除金属的.只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密进

13、给就可以实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝平面及曲面. （5)精细电解加工:导电的电解液中水电解为氢离子和氢氧根离子，工作极为阳极，其表面的金属原子成为正离子溶入电解液被逐层电解下来，随后，即与电解液中的氢氧根离子反应形成金属氢氧化物沉淀，而工具阴极并不损耗.只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现纳米级精度的电解加工，而且表面不会产生加工应力，常用于镜面抛光、镜面减薄以及一些需要无应力加工的场合。 （6）复合加工:指采用几种不同形式的能量、几种不同的工艺方法，互相取长补短、复合作用的加工技术.例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花等，比单一加工方法更有效，适用

14、范围更广. （7) LIGA ( Lid7ographic Galvanofoan ing Abfoan ing)技术:这是最新发展的光于磨床上.1984年，日本江黑制造所和京陶公司又联合研制成一台全陶瓷的超精密机床，引起人们的广泛重视.实践证明，陶瓷材料又优于花岗岩.目前，机床的结构材料仍在发展中.玻璃陶瓷、Invar合金及Super lnvar都是超精密机床结构材料的佼佼者.3 精密超精密加工发展趋势从超精密加工技术的发展状况特别是近十多年的发展经历来看，表现为如下的发展趋势。3.1 加工精度、加工效率不断提高 高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说，固着磨粒加工不断追求着游离磨粒

15、的加工精度，而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如CMP, EEM等虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高，但无法获得如CMP,EEM的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工领域研究人员的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。3.2 智能化加工技术不断发展超精密加工中的工艺过程控制策略与控制方法也是目前的研究热点之一。以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的

16、稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。目前，即使是台湾的部分半导体工厂，生产过程中关键的操作依然由工人在现场手工完成。3.3 技术集成化程度不断提升加工技术在朝着与相关专业技术高集成度的方向发展。虽然超精密加工的单元部件的技术仍在发展，但最基础的静压技术、控制技术、测试技术等已经发展到一定阶段，只有从新的材料、新的工艺、新的理论突破入手才能有比较大的进展。与此相对的是综合应用各种单元技术并结合工艺技术的集成技术已经成为一种新的发展趋势。超精密加工的技术集成不是一个简单的技术堆砌，而是一个系统工程，对系统中各因素的兼容性、协调性、互补性等的分析与判定，是发展应用这项技术的关键。3.

17、4 绿色化制造技术不断应用磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国，大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急74发达国家以及我国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制75，为此，各国研究人员对CMP加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时，提高了白身的生命力。3.5 加工应用范围不断扩展加工工件的材料及种类在不断延伸扩展，加工工件的尺寸规格在向大型与小型的极限方向挺进。超精密加工工件

18、的材料已经由80年代及90年代初以有色金属为主扩展到了不同的金属和非金属，硬脆材料的比例增加。由于设备的性能提高以及功能的增加，加工工件的种类由回转对称结构扩展到自由曲面，特别是快速刀具伺服系统技术的开发，使现代的超精密加工与传统的加工产生了明显的变化。纳米运动步距控制机床的出现，使微小型复杂形状零件的机械切削加工成为可能，FANUC公司已经可以在1 mm直径的有色金属表面加工佛的立体头像。另外，由于天文观察方面的需求，在加工大型工件方面，传统超精密磨削、抛光技术与现代的数控、软件和测试分析等技术紧密结合，不仅提高了生产效率，而且在尺寸规格上不断加大，例如法国REOSC利用超精密研磨抛光技术可

19、以制造直径8m的Gemini和直径11 m的Gran望远镜。4 十五目标及主要研究内容4.1 主要目标超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。 4.2研究内容（1） 超精密加工的加工机理研究。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。 （2）超精密加工设备制造技术研究。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。 （3）超精密加工刀具、磨具

20、及刃磨技术研究。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。 （4）精密测量技术及误差补偿技术研究。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。 （5）超精密加工工作环境条件研究。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。5目前我国精密超精密加工技术的发展途径分析通过上文的论述，我们不难得出这样的结论:目前，我们必须大力发展我国的精密超精密加工技术。基于此，本文从加工机理、加工材料、加工设备三个方而，来论述目前我国精密超精密加工技术的发展途径问题加工机理方而:在实践中，对于精密机床、陀螺仪等精密的零

21、件，我们可以通过传统的去除加工方法来实现预期的精度目标具体而言，对于有色金属材料，我们可以采用铣削或车削的加工方法来完成精度目标;对于黑色金属材料，我们可以通过研抛、磨削、研磨的工艺于段来完成精度任务。加工材料方而:精密超精密加工技术对加工材料有严格的要求。例如，加工材料的质地要均匀，性能药稳定，外部或内部都不能有微观缺陷;物理力学性能和化学成分的误差都要分别达到一定数量级;材料在工艺过程中要保证晶粒人小匀称、材质纯净、无方向性。因此，我们要认真做好精密零件加工材料的选取、冶炼和处理工作，以保障精密超精密加工技术功能的发挥。加工设备方而:加工设备是实施精密超精密加工技术的平台。在实践中，我们要重点考虑这样儿项因素:一是机床最终加工所能够达到的综合精度;二是机床的材料及结构设计;三是机床的传动及伺服系统;四是机床的安装与工作条件这些因素关系到精密超精密加工技术发展水平，我们必须对此高度重视。4 结束语先进制造技术的发展与超精密加工技术的发展息息相关，超精密加工已经成为各个行业在国际竞争中取得成功的关键技术。近些年来，我国的超精密加工技术虽然取得了长足的发展，但与发达国家相比还有很大差距。充分了解国内外超精密加工技术的发展状况，并开展与之相关的理论和实验研究，对进一步提高我国的超精密加工技术水平具有积极的意义。