精密和超精密机床精度建模技术
先进制造技术-3精密与超精密加工技术
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
6、3、1 研磨加工的机制和特点
超微细加工以电子束、离子束和激光束三束加工 为基础，采用沉积、刻蚀、溅射和蒸镀等加工手段进 行各种处理。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
4、超精密加工的主要研究领域包括:
超精密加工技术是以高精度为目标的技术， 它必须综合应用各种新技术，在各个方面精益 求精的条件下，才有可能突破常规技术达不到 的程度界限，实现新的高精度指标。
6、2 超精密磨削
加工精度：0.1um，Ra0.002~0.02um的磨削方法 超精密磨削一般采用细粒度（80＃－400＃)砂轮，经过 精细修整，光磨4－6次，便可获得粗糙度为Ra 0.005 ~ 0.02 um的加工表面。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
（1）超精密磨削表面的形成机制
超精密磨削获得的极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精 细修整得到的大量的、等高性很好的微刃来实现微量切削 作用。
升，以后磨损逐渐减慢。 注：由于积屑瘤的原因，一般将研磨好的锋利刀
尖有意加工成理想的稳定的磨损状态。 2）切削速度和振动
提高切削速度有利于获得良好的加工表面，但注意 以不产生振动为准则。
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
(a) 直线刃刀头 (b) 直线刃刀头
(c) 圆弧刃刀头
先进制造技术之四
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工技术
数控机床精度快速建模技术研究_朱建忠
参考文献:[1] Kuni o U oharo .Fundam ental A pp roach to the T her 2m al C rack of Cem ented Cutting Too ls .A nnals ofthe C I R P ,1981,30(1):256～259[2] 王志勇.端铣加工中刀具的破损机理及计算机破损检测技术的研究:[博士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1991.[3] T hom as J L ,L am bert B K .A Statistical A nalysisof A ccelerated V ersus Conventi onal M ethods of Too l L ifeT esting .NAM RC -II P roceedings ,D ear 2bo rn ,M ich igan ,S M E ,1974:139～150[4] 李兆前,艾兴.刀具材料常规机械性能的随机特性.中国机械工程学会生产工程分会首届青年学术研讨会论文集.北京:机械工业出版社,1993:76～80[5] 李兆前,王瑜,艾兴.刀具材料断裂力学性能的随机特性.中国机械工程学会生产工程分会首届青年学术研讨会论文集.北京:机械工业出版社,1993:81～85(编辑 周佑启)作者简介:于 涛,男,1956年生。
德州学院(山东省德州市 200032)副院长、教授。
研究方向为生产加工过程中的质量控制等。
曾获省科技进步二等奖2项。
出版著作6部,发表论文60余篇。
黄传真,男,1966年生。
山东大学(济南市 250061)机械工程学院副院长、教授、博士研究生导师。
文章编号:1004-132 (2001)06-0709-03数控机床精度快速建模技术研究朱建忠 副教授朱建忠 田江红 李圣怡 摘要:针对误差补偿技术中精度模型与误差测量的难题,提出了基于神经网络的机床精度快速建模方法,对模型结构及训练样本采集方法进行了深入的探讨,结合DU R GA -30加工中心进行实验研究,并与传统建模方法进行了对比。
常用精密加工和超精密加工方法
常用精密加工和超精密加工方法(1)钻削加工：是将工件上的金属材料在刀具作用下进行来回转动，把车削面旋转出来，是加工圆柱形、锥形、凹形孔和凹陷、螺纹等零部件表面等的单一机床加工方法。
(2)车削加工：是指加工零件时借助车刀切削，用于加工外螺纹、花键、形状方程式曲面及其他复杂曲面等外形精密零部件。
(3)铣削加工：是指利用滚筒式或刀片式的刀具的移动和旋转，把工件表面形成各种曲面的一种机床加工方法，主要用于加工工件体上的平面、槽、沟等工件表面。
(4)磨削加工：是指采用研磨轮加工工件表面，采用悬磨或抛光技术将其加工精度提高，使其表面光洁度、粗糙程度达到要求的一种机床加工方法。
(5)拉铆加工：是指拉铆头将两个工件紧固在一起，从而使两个工件处于相对固定的位置，而不受旋转影响的一种加工方法，是将机械元件拉铆加工的技术。
(1)水切削加工：是将工件表面由削刀削成薄片，然后由水冲刷把薄片去除，达到精密加工表面粗糙度和平整度要求的一种加工方法。
(2)气刀加工：是将刀具用空气喷射动力使得刀具旋转，切削工件的加工方法，可以实现高速、大功率的切削，适用于切削金属界面、铸件、钢材等表面加工。
(3)超声波加工：是指使用超声波让工件表面产生振动，来切削、拉分和焊接工件表面等加工方法，可以达到更高的精度和更小的表面粗糙度，并且可以实现连续加工。
(4)电火花加工：是一种快速高效的切削方法，主要是通过产生火花后，再通过冲击脉冲和热能来融化微小部份表面材料，从而实现准确切削的一种加工方法。
(5)激光加工：是通过产生强大的激光能，对工件表面进行破碎溶解而实现加工的一种加工方法，可以获得极高的切削精度、平整度和极好的加工质量，和小尺寸孔、槽加工。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言精密和超精密加工技术在现代制造业中扮演着重要的角色。
为了满足高质量、高精度、高效率的加工需求，机床设备技术不断得到改进和发展。
本文将介绍精密和超精密加工的机床设备技术，并探讨其在制造业中的应用。
1. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在工程加工中，对尺寸精度和表面质量要求较高的加工方法。
精密加工的关键在于机床设备的稳定性、刚性和精度。
以下是精密加工机床设备的几个关键技术：1.1 数控技术数控技术是精密加工中最为关键的技术之一。
通过数控技术，可以实现机床的高精度和高效率加工。
数控技术的应用可以大大提高生产效率，并且减少操作人员的工作强度。
1.2 精密传动系统精密传动系统是精密加工机床设备的核心组成部分。
精密传动系统的设计与制造涉及到轴承、传动装置、伺服驱动装置等多个方面。
通过精确的传动系统，可以提高机床的精度和稳定性。
1.3 线性驱动技术线性驱动技术是现代机床设备中的重要发展方向之一。
相比传统的滚动轴承驱动，线性驱动技术能够实现更高的速度和更高的精度。
线性驱动技术可以用于各种类型的机床设备，包括数控机床和超精密加工机床。
2. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在微米甚至纳米级别下进行加工的技术。
超精密加工在光学、光电子、半导体等领域具有重要的应用。
以下是超精密加工机床设备技术的几个关键技术：2.1 超精密控制系统超精密控制系统是实现超精密加工的关键技术之一。
通过超精密控制系统，可以实现对微小位移和应力的精确控制。
超精密控制系统需要具备高精度、高灵敏度和高稳定性的特点。
2.2 超精密磨削技术超精密磨削技术是超精密加工的核心技术之一。
超精密磨削技术可以实现对工件表面的精确修整和光洁度的提高。
超精密磨削技术需要借助特殊材料和磨削工具，并配合高精度的机床设备。
2.3 超精密检测技术超精密加工过程中，对工件的检测和测量要求非常高。
超精密检测技术可以实现对工件尺寸、形状和表面质量的高精度测量。
精密和超精密加工的机床设备
高精度、高效率、高表面质量、 低误差、低能耗等。
应用领域
01
02
03
04
航空航天
制造飞机发动机叶片、涡轮盘 等关键部件。
汽车制造
加工发动机缸体、曲轴等精密 零部件。
能源领域
制造核聚变反应堆中的超导线 圈、太阳能电池板等。
医疗器械
制造人工关节、牙科种植体等 医疗器件。
发展历程与趋势
发展历程
从20世纪50年代开始，精密和超精密加工技术经历了从简单磨削 到复杂切削，再到超精密切削的发展过程。
航空航天领域的应用案例
案例一
某航空发动机制造企业使用超精密加 工机床，对涡轮叶片进行高精度磨削 和抛光，提高了发动机性能和可靠性 。
案例二
某飞机制造企业采用精密加工机床， 对机身结构件进行高精度切割和加工 ，确保飞机整体装配精度和质量。
汽车工业领域的应用案例
案例一
某汽车零部件制造企业使用精密加工 机床，对发动机缸体进行高精度加工， 提高缸体质量和性能，降低发动机故 障率。
柔性化
为了满足多品种、小批量生产的需求，未来精密和超精密加工机床将采用模块化设计、可 重构制造系统等技术，提高机床的加工范围和适应能力。
新材料、新工艺的应用
新材料
随着新材料技术的发展，未来精密和超精密加工机床将采用新型高强度、高硬 度、轻质材料，提高加工效率和加工质量。
ห้องสมุดไป่ตู้新工艺
为了满足复杂形状和特殊材料的加工需求，未来精密和超精密加工机床将采用 新的切削工艺、光整加工工艺和复合加工工艺等，提高加工精度和表面质量。
伺服驱动技术
采用先进的伺服驱动技术， 实现高精度的位置控制和 速度控制。
插补算法
精密和超精密加工技术
1、通常将加工精度在0.1-1um、加工表面粗糙度R在0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1um、加工表面粗糙度R小于0.01um的加工方法称为超精密加工。
2、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，并促进自动化装配。
3、精密和超精密加工目前包含三个领域：超精密切削；精密和超精密磨削研磨‘精密特种加工。
4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。
5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：晶面的选择；切削刃钝圆半径。
6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿五个方面的条件。
7、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：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。
4）超精密加工的环境条件。
5）超精密加工的材料。
8、超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
9、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境等都直接有关。
10、为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。
2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r值极小，能实现超薄切削厚度。
3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。
4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因素低，能得到极好的加工表面完整性。
11、SPDT——金刚石刀具切削和超精密切削。
12、晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象称为解理现象。
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工技术综述0 前言就先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域1。
前者包括了精密加工、超精密加工、微细加工，以及广为流传的纳米加工，它追求加工上的精度和表面质量的极限，可统称为精密工程；后者包括了设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是提高产品质量的有效方式。
两者有密切联系，许多精密和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标，而不少制造自动化则有赖于精密加工才能达到设计要求。
精密工程和制造自动化具有全局性的、决策性的作用，是先进制造技术的支柱。
精密和超精密加工与国防工业有密切关系。
导弹是现代战争的重要武器，其命中精度由惯性仪表的精度所决定，因而需要高超的精密和超精密加工设备来制造这种仪表。
例如，美国“民兵”型洲际导弹系统的陀螺仪其漂移率为0.03～0.05°/h，加速度计敏感元件不允许有0.05μm的尘粒，它的命中精度的圆概率误差为500m；MX战略导弹(可装载10个核弹头)，由于其制导系统陀螺仪精度比“民兵—Ⅲ”型导弹要高出一个数量级，因而其命中精度的圆概率误差仅为50～150m。
对射程4000km的潜射弹道导弹，当潜艇的位置误差对射程偏差的影响为400m、潜艇速度误差对射程偏差的影响为800m、惯性平台的垂直对准精度对射程偏差的影响为400m时，要求惯性导航的陀螺仪的漂移精度为0.001°/h、航向精度在1′以上、10小时运行的定位精度为0.4～0.7海里，因此，陀螺元件的加工精度必须达到亚微米级，表面粗糙度达到Ra0.012～0.008μm。
由此可知，惯性仪表的制造精度十分关键。
如1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴为0.5nm时，就会造成100m的射程误差和50m的轨道误差；激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03～0.06μm，表面粗糙度要求为Ra0.012μm以上；红外制导的导弹，其红外探测器中接受红外线的反射镜，其表面粗糙度要求达到Ra0.015～0.01μm［2］。
精密与超精密加工技术课件
珩磨效果受到多种因素的影响 ，如磨石的粒度、粘结剂的类 型、珩磨头的转速和压力等。
电解加工工艺
电解加工工艺概述
电解加工是一种利用电化学反应去除 工件材料的加工方法，具有加工精度 高、表面质量好等特点。
电解加工工艺流程
电解加工工艺通常包括工件表面处理 、电解液的选择和调整、电解加工设 备的设置以及加工参数的控制等步骤 。
、汽车和航空领域。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和 耐高温等特点，常用于制造刀具、 磨具和高温部件。
复合材料
复合材料由两种或多种材料组成， 具有优异的综合性能，如碳纤维复 合材料具有高强度和轻质的特点。
复合材料
玻璃纤维复合材料
玻璃纤维复合材料具有高 强度、高刚性和耐腐蚀等 特点，广泛应用于建筑、 船舶和汽车领域。
抛光效果受到抛光轮的材料、转速、抛光膏或抛光液的成分以及抛光 压力等因素的影响。
珩磨工艺
珩磨工艺概述
珩磨是一种利用珩磨头上的磨 石与工件表面进行摩擦，以去 除表面微小凸起和划痕的加工
方法。
珩磨材料
珩磨头上的磨石由硬质颗粒和 粘结剂组成，具有较高的硬度 和耐磨性。
珩磨工艺流程
珩磨工艺通常包括工件表面处 理、涂敷润滑剂、珩磨头的旋 转运动以及工件的往复运动等 步骤。
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料具有高强 度、轻质和耐高温等特点 ，常用于制造航空器和体 育用品。
金属基复合材料
金属基复合材料以金属为 基体，加入增强纤维或颗 粒，以提高材料的强度、 刚度和耐磨性。
04
精密与超精密加工工艺
研磨工艺
研磨工艺概述
研磨材料
研磨是一种通过研磨剂去除工件表面微小 凸起和划痕的加工方法，以达到平滑表面 的效果。
数控机床加工精度建模及其优化
数控机床加工精度建模及其优化数控机床加工精度建模及其优化摘要：随着制造业的快速发展，数控机床在工业生产中的应用越来越广泛。
而机床加工精度直接影响到产品的质量和精度要求，因此，对数控机床加工精度进行建模和优化是非常重要的。
本文针对数控机床加工精度进行了研究和分析，并提出了一种建模和优化方法。
1.引言数控机床是一种通过预先编写的指令来控制工作件加工的机械设备。
它具有高度的灵活性和精度，因此在工业生产中得到广泛的应用。
而数控机床加工精度是衡量机床加工质量的重要指标，对于保证产品的精度和质量有着至关重要的作用。
2.数控机床加工精度的影响因素数控机床加工精度受到许多因素的影响，主要包括机床结构、传动精度、控制系统、切削工具、工件材料等。
机床结构的刚度和稳定性直接关系到加工的精度，传动精度决定了定位的准确性，控制系统的响应速度和精度影响加工过程中的控制效果，切削工具的质量和刃磨状态决定了切削力和表面质量，工件材料的性质和刚度影响加工过程中的变形和振动等。
3.数控机床加工精度的建模为了更好地理解和控制数控机床加工精度，需要对加工过程进行建模。
数控机床加工精度建模的目的是确定不同因素对加工精度的影响程度，并找出影响加工精度的关键因素。
常用的建模方法包括经验模型、统计模型和计算机仿真模型等。
4.数控机床加工精度优化方法针对数控机床加工精度问题，可以采取一些优化方法来提升加工精度。
首先是优化机床结构，改善机床的刚度和稳定性，减少加工过程中的振动和变形。
其次是提高传动精度，使用高精度的传动装置和轴承，减少传动误差。
再次是优化控制系统，提高控制系统的响应速度和精度，实现更准确的加工控制。
最后是优化切削工具和工艺，选择合适的切削工具和刃磨状态，改善加工力和表面质量。
5.实例分析本文在数控机床加工精度建模和优化方法的基础上，通过实例分析验证了方法的有效性。
根据不同机床结构、切削工具、工件材料等参数，建立了相应的数学模型，并通过优化方法得到了最佳的加工精度。
精选精密和超精密加工的机床设备技术
一、发展概况
二、典型机床简介
第1节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介
Union Carbide 公司的半球机床
能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。
四、精密超精密机床结构特点
第2节 精密主轴部件
一、主轴轴承
回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。
动压润滑轴承
利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。
静压润滑轴承
在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。
径向轴承（向心轴承）
径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直
采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在DC伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。
二、典型机床简介
大型光学金刚石车床LODTM
机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。
铸铁——成本低 有良好减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工 导轨常用的铸铁——灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁 灰铸铁应用最多的牌号是HT200 常用的孕育铸铁牌号是HT300 耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。 常用于较精密的机床导轨 耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁 与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高 常用于精密机床导轨
第5章 精密、超精密加工技术
• 和表面粗糙度的检验，而且要测量加工设备 的精度和基础零部件的精度。 • 高精度的尺寸和几何形状可采用分辨率为 0.1~0.01µ m，的电子测微计、分辨率为 0.01~0.001µ m的电感测微仪或电容测微仪来 测量。圆度还可以用精度为0.01µ m的圆度仪 来测量。
加工设备必须具有高精度的主轴系统、进给 系统（包括微位移装臵），现在的超精密车 床，其主轴回转精度可达0.02µ m，导轨直线 度可达1000000：0.025，定位精度可达 0.013µ m，进给分辨率可达0.005µ m。其回转 零件应进行精密的动平衡。
• 2）高刚度
• 包括静刚度和动刚度，不仅要注意零件本身
• 精密和超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒 和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加 工，按具体地加工方法分为精密和超精密磨 削,加工精度可达5~0.5µ m，表面粗糙度 Ra0.05~0.008µ m）；精密和超精密研磨（加 工精度可达10~0.1µ m，表面粗糙度 Ra0.01~0.008µ m）；
合金等刀具进行精密和超精密切削，这些刀
具材料的切削效果不如金刚石，但能加工黑
色金属。对黑色金属等硬脆材料的精密加工
和超精密加工，一般多采用磨削、研磨、抛
光等方法。
• 精密和超精密磨削时，通常采用粒度240#~W7
或更细的白刚玉或铬刚玉磨料和树脂结合剂
制成的紧密组织砂轮，经金刚石精细修整后
• 进行加工。
• 出现了精密电火花加工、精密电解加工、精
密超声波加工、分子束加工、电子束加工、
离子束加工、原子束加工、激光加工、微波
加工、等离子体加工、光刻、电铸及变形加
工等。
• 4.复合加工
• 复合加工是将几种加工方法叠合在一起，发 挥各种加工方法的长处，达到高质量（加工
精密与超精密加工技术精密与超精密加工实验报告
实验一：曲面V沟槽阵列数控加工一．实验目的利用砂轮加工出零部件表面的微细结构，从而可附加零件表面更多的功能特性，产生更高的附加值。
二、实验内容：1、V型砂轮修整2、曲面设计3、数据刀具轨迹设计三、实验仪器金钢石砂轮、计算机、CNC磨床、油石四、实验过程及步骤1、V型砂轮修整：首先采用数据对磨修整得方法将平型金刚石砂轮修整成V型尖端。
根据砂轮所需要修整形成的形状，令其表面上的任一点都为砂轮与磨石的切点，再根据该切点与砂轮中心点的相对位置即可计算出砂轮的移动轨迹，最后用matlab进行砂轮轨迹计算和优化，即可将砂轮修整为所需要的形状。
2、曲面设计：曲面上的每一个点都有对应的坐标，曲面可视为许多点的集合，点的数量越多，拟合的曲面精度越高。
3、数据刀具轨迹设计：计算出每一点的坐标后，令V型砂轮上的点与之相切，再根据切点在V型砂轮上的位置与砂轮中心点的相对位置计算出砂轮中心点加工时的移动轨迹，即为刀具的移动轨迹，然后用matlab设计优化刀具轨迹。
用matlab的好处是可以控制每一点加工时刀具的角度和相切点等等，有利于获得更好的加工精度。
五、问题补充1、曲面磨削的方法和工艺条件磨削加工是用砂轮以较高的线速度对工件表面进行加工的方法，其实质是用砂轮上的磨料自工件表面层切除细微切屑的过程。
曲面磨削是用砂轮加工出所要求形状的曲面的过程。
工艺条件：砂轮良好的磨削性能、工件的材质、精密的加工设备和合适的加工工艺等。
2、误差补偿加工的方法加工完曲面之后，将工件表面进行检测，检测方式可以采用三坐标检测仪进行检测。
得到的检测数据通过ICP匹配计算与理论设计曲面的误差。
根据误差分布规律，采用Z向进行补偿，首先YZ截面取出误差，然后将YZ截面的误差拟合成曲线的分布规律在X方向扩展成面，再将拟合的误差加入到原始曲面上去，在加入误差后的原始曲面重新用法向算法生成刀具轨迹，进行加工，补偿过程结束。
补偿之后将工件在检测，计算误差，前后对比。
2.3精密和超精密加工技术
现代制造技术
2. 非机械超精密加工技术——特种精密加工方法
包括精密电火花加工、精密电解加工、精密超声加工、
电子束加工、离子束加工、激光束加工等一些非传统加工方 法；
3. 复合超精密加工方法
传统加工方法的复合 特种加工方法的复合 传统加工方法和特种加工方法的复合
（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。
1~0.1 0.1~ 0.001 0.1~ 0.01 1~0.1 1~0.1 5 5 1~0.1
0.025~ 0.008 0.025~ 0.008 0.025~ 0.008 0.01 0.01 0.01 0.01~ 0.02 0.01~ 0.008
黑色金属、铝合金 黑色金属、非金属 材料 黑色金属、非金属 材料、有色金属 黑色金属、非金属 材料 黑色金属、非金 属材料、有色金属 黑色金属等 黑色金属等 黑色金属、非金属 材料、有色金属
发展：超精密磨削应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮 超精密磨削。
现代制造技术 1）金刚石微粉砂轮 采用粒度为F240～F1000的金刚石微粉作为磨料，树脂、 陶瓷、金属为结合剂烧结而成；也可采用电铸法和气相沉积 法制作。 用筛选法分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度 内的孔眼数来表示。如60 # 的磨粒表示其大小刚好能通过每 英寸长度上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40 μ m的磨 料，称为微粉。 • 用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号，其W后 的数值代表微粉的实际尺寸。如W20表示微粉的实际尺寸为 20 μ m
• 精密加工是指加工精度达到1～0.1μm，表面粗
糙度Ra在0.1～0.01μm的加工工艺。
• 超精加工则是指加工尺寸精度高于0.1μm，表 面粗糙度Ra小于0.025μm的精密加工方法。
精密和超精密加工技术的新进展
精密和超精密加工技术的新进展精密和超精密加工技术是指不断追求更高精度、更细粒度、更小误差和更高效率的加工方法和技术。
这些技术广泛应用于航空航天、医疗器械、微电子、光学仪器等领域，对于产品的性能和质量有着至关重要的影响。
近年来，精密和超精密加工技术取得了许多突破性进展，本文将就此展开讨论。
精密加工技术是在传统机械加工的基础上发展起来的，通过精细的切削、研磨和抛光等手段，实现高精度、高光洁度的加工目标。
近年来，精密加工技术的发展取得了长足的进步，主要表现在以下几个方面：新型加工设备的研发和应用不断取得突破。
例如，五轴联动数控机床、激光加工机、电子束加工机等新型设备的出现，使得复杂零件的精密加工变得更加高效和准确。
新型加工材料的应用也取得了重要进展。
例如，工程塑料、陶瓷、复合材料等高性能非金属材料的广泛应用，使得精密加工的领域得以进一步拓展。
精密加工技术的智能化和自动化水平不断提升。
智能化加工设备能够实现自适应加工、无人值守加工等功能，提高加工效率和质量稳定性。
超精密加工技术是指比精密加工技术更为精细、精确的加工方法和技术。
随着科技的不断进步，超精密加工技术的应用越来越广泛，主要包括以下几个方面：超精密加工技术广泛应用于微电子领域。
微电子产业对于芯片的精度和光洁度要求极高，超精密加工技术能够实现高精度、高效率的微米级加工，对于提升微电子产业的发展水平和竞争力具有重要意义。
超精密加工技术在光学仪器领域也有着广泛的应用。
光学仪器对于透镜、反射镜等光学元件的精度和表面质量要求极高，超精密加工技术能够实现高精度、高稳定性的光学元件加工，对于提高光学仪器的性能和精度具有重要作用。
再次，超精密加工技术在航空航天领域也有着重要的应用。
航空航天领域对于零件的精度和可靠性要求极为严格，超精密加工技术能够实现高精度、高稳定性的零件加工，对于提升航空航天领域的产品质量和性能具有重要意义。
近年来，精密和超精密加工技术的研究和应用不断取得新的进展，在新型加工设备、新型加工材料和智能化加工等方面都取得了重要突破。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术1. 简介精密和超精密加工技术在现代制造业中起着至关重要的作用。
为了实现高精度和高表面质量的加工需求，针对性的机床设备技术得到了广泛的应用。
本文将介绍精密和超精密加工所需的机床设备技术。
2. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在加工过程中，控制加工误差在较小范围内的一种加工方式。
想要实现精密加工，需要借助一系列的机床设备技术。
2.1 高精度机床高精度机床是实现精密加工的基础设备。
在高精度机床中，采用了高刚性的机床结构，以及高精度的导轨和滚珠丝杠等传动装置。
此外，还需要使用高精度的测量系统来监测加工过程中的误差，从而实现对加工精度的控制。
2.2 高精度传动系统在精密加工中，传动系统的精度直接影响到加工结果的质量。
传统的机床传动系统中常使用链式传动、皮带传动等方式，但这些方式的精度较低。
为了实现高精度传动，现代机床采用了蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动等方式，这些传动方式具有较高的传动精度和刚性。
2.3 高精度数控系统数控系统在精密加工中起到了重要的作用，它能够实现对加工过程中各个工艺参数的准确控制。
高精度的数控系统可以提供更精确的位置控制，从而保证加工结果的高精度。
3. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在纳米尺度下进行的精密加工，其加工精度要求更高。
超精密加工需要采用更为先进的机床设备技术。
3.1 纳米机床纳米机床是实现超精密加工的关键设备。
它具有更高的刚性和稳定性，以及更高的位置精度和热稳定性。
纳米机床采用了新的材料和结构设计，以满足超精密加工的要求。
3.2 纳米传感器和测量技术在超精密加工中，需要更加精确的测量和控制技术。
纳米传感器和测量技术可以实时测量加工过程中的各种参数，包括加工力、温度、振动等，从而实现对加工过程的准确控制。
3.3 纳米控制系统超精密加工中的控制系统需要具备更高的精度和快速响应能力。
纳米控制系统采用了更高精度的位置控制算法，并配备了更先进的控制器，能够实现对加工过程中微小误差的实时调整。
精密与超精密加工技术
刀具种类：金刚石刀具； 超精密磨削砂轮
金刚石刀具
1、金刚石刀头的特性： 颜色：有红色和绿色等多种颜色，其硬
度随颜色而不同； 硬度：显微硬度值比其他物质高许多； 热传导率：在矿物中最大。
金刚石刀具
2、金刚石刀头的制造： 成形：采用研磨加工方法； 研磨方法：用空气轴承的研磨机； 特殊刀头的形状
第三章 先进制造工艺技术
第一节 精密与超精密加工技术
一、 精密与超精密加工技术概述
1、精密加工与超精密加工定义
精密加工是指加工精度在0.1～lμm之间， 表面粗糙度Ra在0.lμm以下（称微米加工）
超精密加工的加工精度在0.lμm以下，表面 粗糙度在0.02μm以下（称为亚微米加工）
2、精密加工与超精密加工的特点
光纤测微仪 更小测量范围的测量仪器：扫描隧道显微
镜 、扫描电子显微镜、原子力显微镜
激光干涉仪
SPA-400 多功能扫描探针显微镜
回顾
一、 精密与超精密加工技术概述 二、 超精密加工方法 三、 超精密加工刀具 四、 超精密加工设备 五、 精密加工环境 六、 超精密加工精度的在线检测及计量测试
五、精密加工环境
超精密加工必须在超稳定的环境下进 行。
超稳定环境：恒温、超净和防振。
六、超精密加工精度的在线检测及计量测试
对加工误差进行在线检测，实时建模与 动态分析预报，再根据预报数据对误差 源进行补偿，从而消除或减少加工误差。
六、超精密加工精度的在线检测及计量测试
大距离的测量仪器：双频激光干涉仪 小距离的测量仪器：电容式、电感式测微仪、
超精密磨削砂轮
超精密磨削质量控制方面的首要因素： 砂轮磨料：应与工件材料选配适当； 磨料粒度：具备形成微刃的粒度； 砂轮硬度：硬度中软。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言机床技术在现代制造业中起着至关重要的作用。
随着科学技术的发展，精密和超精密加工已成为现代制造业中的重要环节。
本文将着重介绍与精密和超精密加工相关的机床设备技术，包括其定义、分类、特点、应用场景等内容。
定义精密加工是指通过机床设备对工件进行高度精确的加工过程。
而超精密加工则是相对于精密加工而言，更加高精确度的加工过程。
精密和超精密加工的出现，极大地推动了现代制造业的发展，使得产品的质量和精度得到了极大的提高。
分类精密加工精密加工可以分为多个子类，主要包括： - 数控机床 - 高速加工机床 - 超精密加工机床数控机床数控机床采用计算机控制系统，可以实现对工件进行高度准确的加工。
它的主要特点包括： - 加工精度高：数控机床可以实现微米级的加工，大大提高了产品的精度。
- 生产效率高：数控机床的自动化程度高，加工速度快，从而提高了生产效率。
- 多功能性强：数控机床可以通过调整其控制系统，实现不同种类产品的加工。
高速加工机床高速加工机床是指能够实现高速切削加工的机床设备。
其主要特点包括： - 加工速度快：高速加工机床的切削速度可以达到一定的高速，从而提高了加工效率。
- 表面质量高：切削速度快、负荷小，使得加工表面的质量得到了保证。
- 刀具寿命长：高速加工机床在切削时产生的热量较少，可以降低刀具的磨损，从而延长刀具的使用寿命。
超精密加工机床超精密加工机床是指能够实现亚微米级精度的加工机床。
其主要特点包括： -高精密度：超精密加工机床的加工精度可以达到亚微米级别，满足对于高精度产品的需求。
- 低热变形：超精密加工机床可以有效降低加工过程中产生的热量，从而减少工件因热膨胀而引起的变形。
- 光滑表面：超精密加工机床可以实现对工件表面的高度光滑加工，满足对于高光洁度产品的需求。
超精密加工•超精密加工器械•超精密切削特点精密和超精密加工的机床设备具有以下特点：1.高精度：机床设备的设计和制造严格遵循高精度要求，以确保加工过程的精确性和稳定性。
精密与超精密技术,关键技术和在航天技术上的应用以及与国外的差距
一、关键技术1 超精密运动部件2 超精密运动驱动与传递3 超精密机床数控技术4 超精密运动检测技术5 超精密机床布局与整体技术6 其它重要技术超精密环境控制,包括恒温、恒压、隔振、湿度控制和洁净度控制.另外,超精密加工对刀具的依赖性很大,加工工艺也很重要,对超精密机床的材料和结构都有特殊要求.二、精密与超精密技术在航天技术上的应用超精密加工技术及微系统制造技术是新一代航空行器及其它武器装备发展的关键技术，根据新型机载设备精密、轻量、微型、综合以及多样化的发展特征，开展适应于多种材料(例如特殊光学材料、红外材料、超高强度材料等)、多种产品(例如精密偶件、导引头、导航制导精密零部件、微光学元部件、微传感器等)的超精密加工技术研究以及基于切削加工/特种加工工艺的非硅类材料的微结构、微系统精密超精密制造与测量技术的研究成为研制一代武器装备的关键。
航空机载设备在航空兵器中所占比重越来越大，地位也越来越重要，新型航空机载设备对轻量化、小型化、精密化、模块化提出了更高的需求，因此要求已有的制造技术必须在研究上一个新档次，达到新水平。
由于新一代战机中配备包括智能制导导弹、激光武器等在内的多种先进武器，对光学系统零件的要求也大大提高，无人战机或微型飞机中信息的传输也必须具备快速、抗干扰性好等特点，对半导体元器件的材料和表面质量提出了新的要求。
新型机载设备光学系统中将大量采用了各类非球面光学零件(特别是离轴对称、非离轴对称以及自由曲面，包括微光学系统中的微光学零件)以满足光学系统的最佳设计要求，从而提高其性能及可靠性，同时也减轻整套系统的重量，提高整机的灵活性。
光学系统还将采用具有超高精度、超高表面质量要求的平面镜、多棱镜、中空透镜等光学器件提高整机的性能。
随着微细加工、纳米加工技术研究的开展，将进一步拓宽制造技术领域，开发研究出一系列新元件、新器件、新产品、新材料、新结构，使机载设备及系统向综合化、智能化、微型化方向发展。
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几何精度建模
3.几何精度建模理论发展 4.多体误差分析与建模运动学理论概述 多体系统几何结构（描述方法：1.基于图论；2.低序体阵列） 作用：几何描述 （典型体Bj相对于Bi的运动情况—方阵—多体系统坐标系） 转变矩阵（理想运动） 坐标变换，平移，旋转
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几何精度建模
转变矩阵（实际运动） 函数变分概念 变分阵=应变阵+旋转阵+纯平移阵 静止状态——误差取决于联接精确性和内外因素影响 运动状态——误差取决于运动精确性和运动量 线误差和角误差的变换阵 5.多体系统动力学方程 零级运动方程？（理想和实际） 6.多体系统约束 结构约束（自由度） 相对运动约束（约束方程）
3.精密车削的建模和分析
拓扑结构和特征矩阵 刀具模型方程-车刀轨迹参数方程 仿真
4.非球面面形建模和分析 a.杯形砂轮（加工陡度高）；b.平行砂轮；c.球形砂轮（修整） d.离轴非球面的加工方式 误差分析：加工残留误差直接影响工件的面形精度 砂轮形状误差（磨损，安装倾角）
3
5.单点超精密车削
刀具及加工表面形貌建模
误差辨别过程：测量误差——建立方程——求解 3.十二线法（9条边+3条对角线） 4.试验系统 结论：九线法与十二线法的结果比较接近， 只有垂直度误差差距较大。
初始点出发3条边——位移误差 另外6条边——颠摆和偏摆误差 3条对角线——滚摆误差
九线法，十二线法，十四线法，十五线法，二十二线法
5
1.虚拟加工
2.精密机床的发展和误差描述 加工的尺寸、形状精度： 精密加工技术：0.1~1μm，Ra≤30nm 超精密加工技术：0.1~100nm，Ra≤10nm
超精密加工条件 误差分析：外部误差，内部误差。 建模目的：主要建立机床几何误差和刀具成形误差的模型。 机床几何误差项（每个轴有6项基本误差） 精密和超精密机床加工精度要求
致谢感恩
THANKS TO
学习汇报
CONTENTS
学习进度
1 2 3
遇到问题
未来计划
1
学习进度
1
学习进度
超精密机床知识学习
1.几何精度建模 2.精度模型和应用 3.刀具及加工表面形貌建模 4.激光干涉仪误差检验 5.虚拟加工技术
1
几何精度建模
1.误差的基本知识 精准度，重复度，分辨率的概念 误差特性和分类（系统，时变，随机性，过失） 表面粗糙度（参数）及评价
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1.激光干涉仪基本原理
激光干涉仪误差检验
机床误差检验与性能评价：1.综合误差检验评定；2.单向误差检测评定 a.双频激光干测量仪 b.新型单频激光干涉测量仪 应用：鉴定检验仪器，机床的反馈元件 光线受环境条件约束
2.九线法 基本思想：利用工作台坐标系中9条直线上的位移误差和直线度误差来识别三轴机床的所有21项基本 几何误差
虚拟加工技术
构成：虚拟加工环境，虚拟机床加工系统，虚拟加工过程和可视化加工精度评定系统 2.虚拟加工过程
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3.误差补偿பைடு நூலகம்略
虚拟加工技术
修正数控：1.直接计算出实际数控指令；2.在理论数控指令上叠加一个附加指令。
虚拟加工仿真
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响应面法 1.响应面：输出响应变量 Y与一组输入变量x（x1，x2…xn）之间的 函数关系。 作用：1.模型近似；2.设计空间探索；3.优化问题的准确表达；4.优化方法的支持。 构造：1.在设计空间内采集点，形成设计点集S； 2.仿真计算，获得响应数据集Y； 3.根据不同的算法由S和Y构造不同的响应面模型。 使用时考虑的因素：1.响应面的精确度；2.源模型的仿真估值次数；3.构建和优化响应面的时间 4.响应面占用的储存空间；5.利用响应面模型对给定点的估值数速度。 2.实验设计方法 1.经典采样：（1）全因子试验：将试验的各个因素在各个不同水平下的完全组合来做试验的方法。 （2）部分因子试验 （3）中心复合试验（二次多项式响应面模型） 2.全空间分布采样：（1）网络采样；（2）拉丁超立方采样；（3）正交表设计 3.自适应序列试验设计法 4.常用响应面模型 （1）多项式回归模型RSM （2）标准kriging模型
2
问题反馈
2
问题反馈
1
零级运动方程的来源
问 题
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目前看到响应面法还是比较抽象，就懂得一些表面的理论，至于如何构造还不
是很清楚
3
未来计划
3
未来计划
计 划
第一阶段：先把握好基础学习，看看相关的论文，学习一下别人的一些实验方法， 误差测量方法和响应面法优化方法。 第二阶段：做实验，然后用学到的知识分析，判断加工表面的形成过程，误差的形成 过程，然后列出方程公式，最后用响应面法优化方程，得到最优解。 第三阶段：组织好语言，写成论文。
2
精度模型和应用
传动机构的摩擦 摩擦机理：弹性滞后，塑性变形，界面粘着，界面微滑 传动机构的反向间隙 静态间隙和动态间隙 开环系统：“切顶”现象 （半）闭环系统：对系统稳定性和输出轨迹光滑性的影响 超精密加工必须消除传动间隙——预紧法 滚珠丝杠对直线度的影响（变形，自重……）
3
1.建模
刀具及加工表面形貌建模
本章主要结合了刀具的几何形状、进给速度、主轴转速、刀具与工件的相对振动等影响因素，进行建模仿真 建模方法：1.有限元法；2.分子动力学模拟法；3.运动学和切削机理的分析方法 2.刀具模型和轮廓加工误差 切削刃：单点刃刀具，线形刃刀具，面形刃刀具 直线轮廓误差：实际位置与刀具指令直线轨迹的最小偏差。 曲线轮廓误差 自由曲面轮廓误差 误差表达方法。
1
几何精度建模
7.多轴机床成形运动 运动轴命名—机床分类 成形运动（刀具与零件的相对运动） 成形点，刀具轨迹，成形函数 Y TTTRR
Z
X
2
精度模型和应用
1.超精密车床和大型超精密五轴机床成型运动和空间误差建模 拓扑结构、低序体阵列和特征矩阵（与第一章基础类似，运用到实际机床中）
主要误差：工件装夹误差，主轴误差，导轨误差，工作台定位误差，机床 非刚体误差 机床的特征矩阵（理想与实际运动）—成形函数与运动约束方程
2.超精密回转轴系的误差建模 6项基本误差：定位误差，滚转误差，位移误差，颠转误差，偏转误差（误差识别） 测量方法：回转误差——在用三个传感器进行零件和主轴误差的分离 主轴偏角误差——打表找正，试车法，检测盘然后误差分离 3.滚珠丝杠的特性和精度分析 微动特性：丝杠在传递微米甚至纳米级的运动时表现出来的特性 宏观运动特性：丝杠在传递宏观运动时表现出来的运动特性 结论：丝杠的轴向受力变形和扭转变形均是线性的，唯有滚珠与滚道之间的接触变形是非线性的。 滚珠与丝杠，滚珠与螺母之间是弱刚度环节，刚度和预紧力是非线性的。 机床进给机构中的接触刚度决定了机床进给机构的刚度。
影响加工表面形貌：切削刃的几何形状、进给速度、主轴转速以及振动（刚度） 刀具干涉：过切和欠切现象 刀具干涉与切削参数包括切削刃圆弧半径，进给量以及振动频率幅值有关。 6.飞切加工三维形貌仿真 飞切加工表面形貌建模算法 7.超精密车削表面特性分析与相对振动 FFT分析表面轮廓 径向轮廓：a.进给量对工件表面频谱的影响 b.振动对工件表面频谱的影响 周向轮廓：振动的影响 螺旋方向：进给量内的起始点相关