第1章 精密和超精密加工技术及其发展展望
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国家（中小零件加工） 。
我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足
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。
1.2 超精密加工技术的现状
影响精密和超精密加工的因素
1 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；
1.2 超精密加工技术的现状
3 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。
1.2 超精密加工技术的现状
二 提高加工精度的原因
提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高
产品稳定性和可靠性；
促进产品小型化； 增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自
动化装配。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
三 发展超精密加工的重要性 1 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
4 加工工具
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 W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采 用树脂、铜、纤维铸铁等。
1.2 超精密加工技术的现状
5 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。
四 精密和超精密加工目前包含三个领域 超精密切削
精密金刚石刀具切削
精密和超精密磨削研磨
解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工
精密特种加工
电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到 0.1µm
1.2 超精密加工技术的现状
美国是开展研究最早的国家(单件大型零件加工)。 日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的
课后思考题
怎样的精度可称为精密和超精密加工？
现代机械工业提高加工精度的主要原因？
精密和超精密加工目前包括哪些领域？ 超稳定条件主要指什么？
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。
1.2 超精密加工技术的现状
6 工作环境
1.3 超精密加工技术发展展望
1 技术发展趋势
向更高精度、更高效率方向发展； 向大型化、微型化方向发展； 向加工检测一体化方向发展； 机床向多功能模块化方向发展； 不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新
材料。
1.3 超精密加工技术发展展望
2 主要研究内容
(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、动特性和热稳定性； (3)超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；
美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两
毫米工程”（车身尺寸变动量控制在２ｍｍ以内 ）使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是 实实在在的制造技术。
• 超精密加工的需求
国防工业上的需求 • 超精密加工技术在尖端产品和现代化武器 的制造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命中 精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所 决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加 工技术和相应的设备。
超稳定环境条件是指恒温、防振、超净和恒湿四方
面的条件。
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1000～100级，100级是指每立方英尺空 气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
5 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。至于超精密加工机床、设备和装置当然 更需要超精密加工技术才能制造。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
4 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。
1.2 超精密加工技术的现状
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，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率 低的问题。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
2 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键
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，我国 集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。
精密加工：加工精度在 0.1～ 1µm，加工表面粗糙
度在Ra0.02～0.1µ之间的加工方法称为精密加工；
超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙
度小于Ra0.01µm的加工方法称为超精密加工。 (微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 )
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。
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(国际上公认0.1nm~100nm为 纳米尺度空间，100nm~1000nm为亚微米体系，小于1个纳米 为原子团簇 )；
4 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。 硬盘工作原理
盘体由多个盘片组成，磁头读取数据时，盘片高速旋转， 磁头处于离盘面数据区0.2---0.5微米高度的"飞行状态"。 既不与盘面接触造成磨损，又能很好的读取数据。磁头之 所以能够飘浮起来，完全是靠空气的浮力。
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。
1.2 超精密加工技术的现状
5 检测与误差补偿
误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环
第一章 精密和超精密加工技术及其发展展望 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
1.2 超精密加工技术的现状 1.3 超精密加工技术发展展望
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
一 精密和超精密加工
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，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。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
3 国防工业上的需求
红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表
面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度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1μm，表面粗糙度
小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
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、刻蚀、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。
1.2 超精密加工技术的现状
2 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 10-2 ～ 10-3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 10-5～ 10-6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、晶粒大小匀 称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要 求。
(4)超精密加工的环境条件；
(5)超精密加工的材料。
LODTM （美国立式大型光学金刚石车床 被公认为世界上精度最高的超精密机床 ）
OAGM2500
英国的CRANFIELD精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数 控磨床（工作台面积2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该 机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中的直径7.5m的大型反射镜。
•
如果lkg重的陀螺转 子，其质量中心偏离其对 称轴0.5nm，则会引起 100m的射程误差和50m的 轨道误差。
美国＂民兵＂弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机
信息产品中的需求
航天与民用产品中的需求
• 又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制140 亿光年远星球图象的哈勃望远镜，其一次镜要求使用直径 2.4m，重达900kg的大型反光镜，并且具有很高的分辨率 。为此，专门研制了超精密加工(形状精度为0.01μm)光 学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机。
美 国 “ 民 兵 ” Ⅲ 型 洲 际 弹 道 导 弹 发 射
• 例如：美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统 （12500公里）陀螺仪的精度为 0.03˚～0.05˚/h，其命中精度的圆 概率误差为500m，而MX战略导弹 (11000公里可装载l0个核弹头)制 导系统陀螺仪精度比民兵Ⅲ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50～l50m。
我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足
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。
1.2 超精密加工技术的现状
影响精密和超精密加工的因素
1 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；
1.2 超精密加工技术的现状
3 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。
1.2 超精密加工技术的现状
二 提高加工精度的原因
提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高
产品稳定性和可靠性；
促进产品小型化； 增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自
动化装配。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
三 发展超精密加工的重要性 1 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
4 加工工具
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 W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采 用树脂、铜、纤维铸铁等。
1.2 超精密加工技术的现状
5 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。
四 精密和超精密加工目前包含三个领域 超精密切削
精密金刚石刀具切削
精密和超精密磨削研磨
解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工
精密特种加工
电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到 0.1µm
1.2 超精密加工技术的现状
美国是开展研究最早的国家(单件大型零件加工)。 日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的
课后思考题
怎样的精度可称为精密和超精密加工？
现代机械工业提高加工精度的主要原因？
精密和超精密加工目前包括哪些领域？ 超稳定条件主要指什么？
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。
1.2 超精密加工技术的现状
6 工作环境
1.3 超精密加工技术发展展望
1 技术发展趋势
向更高精度、更高效率方向发展； 向大型化、微型化方向发展； 向加工检测一体化方向发展； 机床向多功能模块化方向发展； 不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新
材料。
1.3 超精密加工技术发展展望
2 主要研究内容
(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、动特性和热稳定性； (3)超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；
美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两
毫米工程”（车身尺寸变动量控制在２ｍｍ以内 ）使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是 实实在在的制造技术。
• 超精密加工的需求
国防工业上的需求 • 超精密加工技术在尖端产品和现代化武器 的制造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命中 精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所 决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加 工技术和相应的设备。
超稳定环境条件是指恒温、防振、超净和恒湿四方
面的条件。
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1000～100级，100级是指每立方英尺空 气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
5 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。至于超精密加工机床、设备和装置当然 更需要超精密加工技术才能制造。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
4 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。
1.2 超精密加工技术的现状
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，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率 低的问题。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
2 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键
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，我国 集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。
精密加工：加工精度在 0.1～ 1µm，加工表面粗糙
度在Ra0.02～0.1µ之间的加工方法称为精密加工；
超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙
度小于Ra0.01µm的加工方法称为超精密加工。 (微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 )
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。
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(国际上公认0.1nm~100nm为 纳米尺度空间，100nm~1000nm为亚微米体系，小于1个纳米 为原子团簇 )；
4 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。 硬盘工作原理
盘体由多个盘片组成，磁头读取数据时，盘片高速旋转， 磁头处于离盘面数据区0.2---0.5微米高度的"飞行状态"。 既不与盘面接触造成磨损，又能很好的读取数据。磁头之 所以能够飘浮起来，完全是靠空气的浮力。
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。
1.2 超精密加工技术的现状
5 检测与误差补偿
误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环
第一章 精密和超精密加工技术及其发展展望 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
1.2 超精密加工技术的现状 1.3 超精密加工技术发展展望
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
一 精密和超精密加工
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，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。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
3 国防工业上的需求
红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表
面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度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1μm，表面粗糙度
小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
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、刻蚀、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。
1.2 超精密加工技术的现状
2 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 10-2 ～ 10-3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 10-5～ 10-6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、晶粒大小匀 称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要 求。
(4)超精密加工的环境条件；
(5)超精密加工的材料。
LODTM （美国立式大型光学金刚石车床 被公认为世界上精度最高的超精密机床 ）
OAGM2500
英国的CRANFIELD精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数 控磨床（工作台面积2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该 机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中的直径7.5m的大型反射镜。
•
如果lkg重的陀螺转 子，其质量中心偏离其对 称轴0.5nm，则会引起 100m的射程误差和50m的 轨道误差。
美国＂民兵＂弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机
信息产品中的需求
航天与民用产品中的需求
• 又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制140 亿光年远星球图象的哈勃望远镜，其一次镜要求使用直径 2.4m，重达900kg的大型反光镜，并且具有很高的分辨率 。为此，专门研制了超精密加工(形状精度为0.01μm)光 学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机。
美 国 “ 民 兵 ” Ⅲ 型 洲 际 弹 道 导 弹 发 射
• 例如：美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统 （12500公里）陀螺仪的精度为 0.03˚～0.05˚/h，其命中精度的圆 概率误差为500m，而MX战略导弹 (11000公里可装载l0个核弹头)制 导系统陀螺仪精度比民兵Ⅲ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50～l50m。