第七讲精密加工和超精密加工
精密加工超精密加工和细微加工课件
➢超精密磨床的技术要求
很高的主轴回转精度和很高的导轨直线 度，以保证工件的几何形状精度；常常 采用大理石导轨增加热稳定性
应配备有微进给机构，以保证工件尺寸 精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性
工作台导轨低速运动的平稳性要好，不 产生爬行、振动, 以保证砂轮修整质量 和稳定的磨削过程
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IT5以上）、Ra<0.1µm的加工方法， 如金刚石车削、高精密磨削、研磨、 珩磨、冷压加工等
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3．超精密加工 指加工精度在0.1µm ~0.01µm、Ra
为0.01µm的加工方法，如金刚石 精密切削、超精密磨料加工、电子 束加工、离子束加工等
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防振：机床振动对精密加工和超精密 加工有很大的危害，为了提高加工系 统的动态稳定性，除了在机床设计和 制造上采取各种措施，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。应能有效地隔离频率为 6Hz~9Hz、振幅为0.1µm~0.2µm的外 来振动
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超净：在未经净化的一般环境下，尘 埃数量极大
切削时，其ap<lm，刀具可能处于工件 晶粒内部切削状态。切削力要超过分子 或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承 受很大的剪切应力，并产生很大热量， 造成刀刃的高应力、高温的工作状态
金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、 稳定地切除如此微薄的金属层
精密加工超精密加工和细微加工课 件
一、精密加工和超精密加工的界定 1．一般加工
指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、 表面粗糙度为Ra0.2µm~0.8µm的加工方 法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。 适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制 造和机床制造等
精密和超精密加工
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。
2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。
金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。
4、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、切削时的环境条件等直接相关。
5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。
6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，（111）晶面有3个波峰和波谷。
以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。
比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。
7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。
推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。
8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最低，最不容易磨。
9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。
现在习惯上把高磨削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。
10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。
11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。
其中激光晶体定向最常用。
12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。
13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法。
电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。
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。
精密和超精密加工
精密和超精密加工目前包含三个领域1超精密切削2精密和超精密磨削研磨。
3精密特种加工精密加工加工精度在0.1-1um，加工表面粗糙度Ra 在0.02-0.1um 之间的加工方法超精密加工加工精度高于0.1um，加工表面粗糙度Ra 小于0.1um 的加工方法超精密切削的切削速度选择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，即选择震动最小的转速超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005µm，加工精度<0.01µm)。
用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。
天然金刚石刀具用于超精密切削，主要用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。
超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响1切削速度（速度越大积屑瘤越小）2进给量f 和被吃刀量ap。
积屑瘤对加工表面粗糙度的影响加工表面粗糙度是直接和积屑瘤的高度有关，即积屑瘤高度大，表面粗糙度大积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。
切削参数变化对加工表面质量的影响1切削速度(其变化影响切削变形、加工表面粗糙度和变质层)2进给量和修光刃（影响加工表面粗糙度）3切削刃形状（影响加工表面粗糙度）4背吃刀量变化（影响加工表面粗糙度、加工表面残余应力）切削刃锋锐度对加工表面粗糙度，切削变形，切削力，切削表面层的冷硬和组织错位，加工表面残余应力有影响。
最小切削厚度纳米级。
切削刃纯圆半径R 和最小切削厚度的关系当切削刃纯圆半径R 为某值时，能切下的最小切削厚度H 和临界点处的Fp 与Ff 的比值有关，并和刀具材料间的摩擦因数有关。
超精密切削对刀具的要求1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。
精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段
1、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2、什么叫精密加工？加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。
3、什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。
4、以下哪些是精密和超精密加工的分类？A.去除加工B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工F.特种加工；G.复合加工；5、影响精密与超精密加工的因素有哪些？加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境等。
6、我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。
7、举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
8、超精密切削速度是如何选择的？超精密切削实际速度的选择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、金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。
10、单晶金刚石刀具破损或磨损不能继续使用的标志是？加工表面粗糙度超过规定值。
11、简述超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响？见书本P13-14。
12、简述超精密切削时积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响？见书本P14-15。
13、分别用1-2句话总结切削速度、进给量、修光刃、切削刃、背吃刀量变化对加工表面质量的影响？在常用超精密切削速度范围内，切削速度对加工表面粗糙度基本无影响；带有修光刃的刀具，当f<0.02mm/r时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大；修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大。
第3章_精密加工和超精密加工1
金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料 进行超精密切削，而对于黑色金属、硬脆材料 的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超 精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工， 就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬 脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表 面粗糙度值。
精密磨削时砂轮的修整
砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修 整等。 砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次 数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为10～ 15mm/min，修整深度为2.5μm/单行程，精修次 数2～3次，光修次数1次单行程。
3．2
精密、超精密加工方法
精密、超精密加工目前主要有精密切削加工、精密 磨削加工、精密衍磨、超精研、精密研磨、超精密 磨料加工、电解磨削加工和纳米加工(原子、分子 加工单位的加工方法)等。
3．2
精密、超精密加工方法
3.2.1 精密切削加工 精密、超精密切削加工主要是利用立方氮化硼 (CBN)、人造(聚晶)金刚石和单晶金刚石刀具进行 切削加工。
（2）砂轮
精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及 其等高性为原则。 磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好，单晶 刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。 砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。 结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛 光作用。
第3章 精密加工和超精密加工
3．2 精密、超精密加工方法
第3章 精密加工和超精密加工
• 3.1 概述 • 3.1.1 精密、超精密加工的概念 • 超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密 加工工艺。 • 过去的超精密加工在今天来说就是精密加工或一般加工， 精密加工和超精密加工的界限将随着科学技术的进步而逐 渐向前推移。 • 按国际上目前的加工水平，一般加工、精密加工和超精密 加工可划分如下:
精密和超精密加工复习整理资料
精密和超精密加⼯复习整理资料1.精密和超精密加⼯⽬前包含的三个领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨和精密特种加⼯2.超精密加⼯中超稳定的加⼯环境条件主要指（恒温）、（恒湿）、（防振）和（超净）四个⽅⾯的条件。
3.电⽕花型腔加⼯的⼯艺⽅法有：（单电极平动法）、（多电极更换法）、（分解电极法）、简单电极数控创成法等。
4.超精密加⼯机床的总体布局形式主要有以下⼏种：（T形布局）、（⼗字形布局）、（R-θ布局）、（⽴式结构布局）等。
5.实现超精密加⼯的技术⽀撑条件主要包括：（超精密加⼯机理与⼯艺⽅法）、（超精密加⼯机床设备）、（超精密加⼯⼯具）、（精密测量和误差补偿）、⾼质量的⼯件材料、超稳定的加⼯环境条件等。
6.激光加⼯设备主要包括电源、（激光器）、（光学系统）、（机械系统）、控制系统、冷却系统等部分。
7.精密和超精密加⼯机床主轴轴承的常⽤形式有（液体静压轴承）和（空⽓静压轴承）。
8.⾦刚⽯晶体的激光定向原理是利⽤⾦刚⽯在不同结晶⽅向上（因晶体结构不同⽽对激光反射形成不同的衍射图像）进⾏的。
9.电⽕花加⼯蚀除⾦属材料的微观物理过程可分为（介质电离击穿）、（介质热分解、电极材料熔化、⽓化）、（蚀除物抛出）和（间隙介质消电离）四个阶段。
10.超精密加⼯机床的关键部件主要有：（精密主轴部件）、（导轨部件）和（进给驱动系统）等。
11.三束加⼯是指电⼦束、离⼦束和激光束。
12.所谓空⽓洁净度是指空⽓中含尘埃量多少的程度。
13.⼯业⽣产中常见的噪声主要有空⽓动⼒噪声、机械噪声和电磁噪声。
14.纳⽶级加⼯精度包含：纳⽶级尺⼨精度、纳⽶级⼏何形状精度、纳⽶级表⾯质量。
15.超精密切削时积屑瘤的⽣成规律：1）在低速切削时，h0值⽐较稳定；在中速时值不稳定。
2）在进给量f很⼩时，h0较⼤3）在背吃⼑量a p<25um时，h0变化不⼤；在a p>25um时，h0将随a p的值增⼤⽽增⼤。
16.超精密切削时积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤⾼时切削⼒⼤，积屑瘤⼩时切削⼒⼩。
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计算机数控
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砂带磨削 珩磨
超精研 研磨
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单五击、此砂处带编磨削辑：母版标题样式
工艺整合化 在线加工检测一体化
绿色化
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2.3 精密、超精密磨削加工
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一、概念
精密砂轮磨削：利用精细修正的粒度为60#～80#的普 通砂轮进行磨削，其加工精度可达1µm，表面粗糙度可达 Ra0.025µm。
超精密砂轮磨削：利用经过仔细修正的粒度为W40～ W5的砂轮进行磨削，可以获得加工精度为0.1µm，表面粗 糙度为Ra0.025～Ra0.008µm的加工表面。
不适宜加工铁族金属材料。
立方氮化硼（CBN）
硬度莫氏硬度9.8-10
导热系数、热膨胀系数和研磨 能力也很突出；
稳定性和化学惰性大大优于金 刚石
适合加工普通磨料难以加工且 金刚石又不宜加工的硬而韧的 金属材料如工具钢、模具钢、 不锈钢、耐热合金等特别是高 钒高速钢、铝高速钢等对磨削 温度较为敏感的金属材料。
微刃的微切削作用 微刃的等高切削作用 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用
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1、超精磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削 深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此 磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力， 从而磨粒上所承受的切应力就极速地增大，可能接近被 磨削材料的剪切强度极限。同时，磨粒切削刃处收到高 温和高压的作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高 温硬度。
精密和超精密加工
精密和超精密加工一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。
目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。
精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。
传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等，具体如下：a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。
b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。
c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。
d.精密研磨与抛光是通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。
精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。
e.抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。
对精密和超精密加工技术的认识
对精密和超精密加工技术的认识一、引言精密加工技术是一种高精度、高效率的制造方法，广泛应用于电子、航空航天、医疗器械等领域。
而超精密加工技术则是在精密加工技术的基础上进一步提高了加工的精度和表面质量。
本文将对精密和超精密加工技术进行深入的探讨和分析。
二、精密加工技术的概念和应用精密加工技术是一种通过在加工过程中控制和调整各种工艺参数，使加工零件达到高精度要求的加工方法。
它主要包括数控加工、激光加工、电火花加工等多种技术手段。
精密加工技术在电子领域的应用尤为广泛，如半导体芯片加工、PCB板制造等。
三、精密加工技术的特点和优势1. 高精度：精密加工技术可以实现亚微米甚至纳米级别的加工精度，满足对零件精度要求极高的应用领域。
2. 高效率：精密加工技术采用自动化控制和高速切削等方法，加工效率高，能够大大提高生产效率和产品质量。
3. 灵活性：精密加工技术具有灵活性强的特点，可以根据不同产品的要求进行个性化加工，满足市场需求的多样化。
四、超精密加工技术的概念和原理超精密加工技术是在精密加工技术的基础上，通过进一步提高加工设备的精度和加工工艺的控制精度，实现更高精度加工的一种技术手段。
超精密加工技术主要包括超精密车削、超精密磨削、超精密拓扑等方法。
五、超精密加工技术的应用领域超精密加工技术在光学仪器、航空航天、精密仪器等领域具有广泛的应用。
例如，在光学仪器领域，超精密加工技术可以用于制造高精度的光学元件，提高光学系统的分辨率和成像质量。
六、精密和超精密加工技术的发展趋势随着科技的进步和工业制造的需求，精密和超精密加工技术也在不断发展和创新。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1. 加工精度的提高：随着需求的增加，对加工精度的要求也越来越高，未来的精密和超精密加工技术将进一步提高加工的精度和表面质量。
2. 加工效率的提高：随着自动化技术和智能化技术的发展，精密和超精密加工技术将更加高效，加工速度更快，生产效率更高。
精密与超精密加工技术PPT课件
金刚石的热传导率是矿物中最大的，切削加工中发热量非常小。
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精密与超精密加工技术
天然金刚石的加工多采用研磨加工方法，通常采用空气轴承 研磨机，由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径。
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ห้องสมุดไป่ตู้
精密与超精密加工技术
1）刀尖的磨损 在切削距离到达100km以前，后刀面磨损急剧上升，以后磨损逐渐减
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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。
(1) 对产品高质量的追求 (2) 对产品小型化的追求 (3) 对产品高可靠性的追求 (4) 对产品高性能的追求
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精密与超精密加工技术
国际知名超精密加工研究单位与企业主要有： 美国LLNL实验室和Moore公司 英国Granfield大学和Tayler公司 德国Zeiss（蔡司）公司和Kugler公司 日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等
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精密与超精密加工技术
世界发达国家均予以高度重视。最近启动的研究 计划包括 ：
美国的NNI(National nanotechnologyinitiative)纳米计划 英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote-chnology)， 日本的纳米技术支撑计划
精密与超精密加工技术
1
内容
1、超精密加工技术概述 2、超精密加工技术的发展历程 3、超精密加工的范畴 4、超精密加工的主要研究领域 5、超精密加工的主要方法 6、超精密加工的发展趋势
机械制造工艺学课件第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
➢ 精密、超精密磨削和磨料加工
超精密磨削和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，可分为固 结磨料和游离磨料两大类加工方式。
固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材 料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID 磨削、双 端面精密磨削以及电泳磨削等。
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
7.1 概述
现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加
工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性
，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术
是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和
发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该技
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨 剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。 游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。
① 超精密研磨技术
研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面
和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
② 超精密砂带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和 微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂 带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达 到高精度和低表面粗糙度值。
砂带磨削机构示意图
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
③ ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术
术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，
精密和超精密加工,精密加工的技术手段有什么？
精密和超精密加工,精密加工的技术手段有什么？制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，所谓先进制造技术，就是将机械工程技术、电子信息技术（包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术）和自动化技术，以及材料技术、现代管理技术综合集成的生产技术。
先进制造技术追求的目标就是实现优质、精确、省料、节能、清洁、高效、灵活生产，满足社会需求。
精密加工技术是为适应现代高技术需要而发展起来的先进制造技术，是其它高新技术实施的基础。
精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。
精密和超精密加工通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。
目前，精密加工是指加工精度为1~0.1µ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01µ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。
超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。
当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。
微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示。
光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高。
精密和超精密加工技术课件
激光器
➢ 固体激光器
➢YAG (钇、铝和石榴石构成) 激光器,红宝石激光器 ➢特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大
墨最常用。
➢工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高 放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有 煤油、机油、去离子水、乳化液等。 ➢放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必 要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程 中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并 带动工具电极缓慢向工件进给。
电火花加工工作要素
➢高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲 击点处形成瞬时高温(几分之一微秒时间内升 高至几千摄氏度)，工件表面局部熔化、气化 直至被蒸发去除。
电
子
电子束
束
加工的
喷丝头
加
异形孔
工
电子束加工曲面、穿孔
电子束加工特点及应用
➢ 电子束束径小(最小直径可达 0.01-0.05mm )，而其 长度可达束径几十倍，可加工微细深孔、窄缝。
➢可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 ➢工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 ➢被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺
寸精度可达0.01~0.05mm 。
➢加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变
形零件。
➢ 生产效率较低。采用超声复合加工(如超声车削，超声 磨削，超声电解加工，超声线切割等)可提高加工效率。
➢优点：无焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料 之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。
精密和超精密加工的机床设备
精密和超精密加工的机床设备简介精密加工和超精密加工是现代制造业中非常重要的工艺，为了实现高精度和高质量的产品制造，需要使用精密和超精密加工的机床设备。
本文将介绍精密和超精密加工的定义、应用领域、常见机床设备及其特点。
精密加工与超精密加工的定义精密加工是指在小尺寸范围内实现高精度、高表面质量的加工过程。
超精密加工则是在精密加工的基础上，进一步提高加工精度和表面质量，通常使用的是非常细小的工具进行加工。
精密加工与超精密加工的应用领域精密加工和超精密加工广泛应用于各个领域，特别是需要高精度和高质量的产品制造领域。
以下是一些典型的应用领域：1.光学器件加工：如镜片、棱镜、透镜等光学组件的加工需要极高的精度和表面质量。
2.高精密模具加工：精密模具通常用于制造电子产品、汽车零部件等需要高精度的零件。
3.精密五金零部件加工：如手表零部件、医疗设备零部件等，需要高精度和高质量的加工。
4.微电子器件加工：微电子器件通常要求极高的精度和表面质量，用于生产集成电路、传感器等。
常见的精密和超精密加工机床设备下面介绍一些常见的精密和超精密加工机床设备及其特点：CNC铣床CNC铣床是一种通过计算机控制的自动化机床，能够在三个轴向上进行加工。
精密加工中常用的是数控铣床，而超精密加工则需要使用高速铣床。
CNC铣床具有高精度、高刚性、高自动化程度等特点。
高精度车床高精度车床是一种用来加工圆柱形工件的机床。
它能够在工件上进行精确的车削、镗削、钻削等操作。
高精度车床具有高工作精度、高生产效率和良好的刚性。
光学加工机光学加工机是用激光或电子束等光学器件进行加工的机床设备。
它能够实现非常高的加工精度和表面质量，常用于光学器件加工和微电子器件加工。
超精密磨床超精密磨床是一种用磨粒对工件进行加工的机床设备。
它能够实现非常高的加工精度和表面质量，常用于精密模具加工和高精度五金零部件加工。
EDM电火花机床EDM电火花机床是一种利用电火花腐蚀的原理进行加工的机床设备，能够实现非常高的加工精度和表面质量。
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工艺过程的优化
五、游离磨料的高效加工
（一）超声研磨工艺
• 超声研磨是一种采用游离磨料（研磨膏或研磨液）进 行切削的加工方法。磨料通过研磨工具的振动产生切 削功能，从而把研磨头（工具）的形状传递到工件 上。 • 超声研磨正是利用脆性材料的这一特点。有目的有控 制地促进材料表层的断裂和切屑的形成。
二、金刚石车削技术及其应用
1. 金刚石车床的技术关键
• 除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高 的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只 需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较 低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精 度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影 响。 • 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静 压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主 轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年 代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug 公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的 Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品 Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高
（二）超声研磨加工玻璃
• 在玻璃上钻孔时，超声加工已经可以与金刚石钻削竞 争，优化后的超声钻孔已经达到金刚石钻削时的材料 切除速度。根据孔径和孔深的不同，超声钻孔时的进 钻速度可也达到20～40mm/min。 • 用金刚石钻削玻璃上的孔时，需要从两面进刀，以免 钻透时出现玻璃崩裂，采用超声钻孔时，则可从一侧 直接钻通，工具出口时不会出现玻璃的崩裂。从而可 以省去金刚石钻孔时的校正和倒角等加工工序。 • 在玻璃上钻小孔时，超声研磨的作用变得更为重要。 普通的金刚石钻孔，最小孔径大约在2mm左右。超声 钻孔时的最小孔径几乎没有任何限制，目前在实验室 中进行的实验表明，用超声研磨可在3mm厚的玻璃上 钻出直径为0.5～1.0mm的小孔
2．激光切割的合理工作参数
• 激光切割速度 ：切割6mm厚度碳素钢钢板的速度达到2.5m／ min，而厚度为12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的 胶合板为4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度则达 27m/min。 • 切缝宽度 ：一般在0.5mm左右，切割精度可达±0.02～ 0.01mm。 • 切割厚度 ：切割碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为 9mm，1.5kW级为12mm，2.5kW级为19mm；2.5kw级切割不 锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割则需配置3kw 以上的高功率激光器。 • 辅助气体提高切割效率和切口质量：由于金属表面的激光反 射率可高达的95%，使激光能量不能有效地射入金属表面。 喷吹氧气或压绩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的 吸收率来提高切割效率。
精密加工和超精密加工
一、镜面铣技术及其应用 二、金刚石车削技术及其应用 三、精密和超精密磨削 四、复杂型面的数控加工 五、游离磨料的高效加工
一、镜面铣技术及其应用
1、概述
• 镜面铣关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳 性的滑台。现有镜面铣床的主轴多采用气体静 压支承，只有个别的主轴采用液体静压支承技 术。滑台的支承多数为气体静压系统，但最近 几年液体静压系统呈上长趋势，其主要原因是 液体静压系统具有高阻尼、高刚度优点。 • 滑台的驱动系统是达到高精度表面的关键，最 初采用气液缸驱动，后发展为平稳的钢带驱 动，最近又出现了高精度、高平稳性的滚珠丝 杠驱动和直线电机驱动系统。滚珠丝杠驱动具 有高刚性的特点。
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• （2）坦克的光学系统窗口：现代作战坦克的火炮系统均采用光电 控制，其观察系统除用于可见光外，还能于夜间观察红外光和由 物体热辐射形成的热像，为了在野外的恶劣环境下保护这些敏感 的光学元件，这些观察控制系统均装在坦克内部，与外界接触的 是一块对角长度约200mm的窗口，它需能透过各种波长的光。窗 玻璃采用宽带光学材料ZnS，其机械加工性很差，特别是在抛光 时，除表面污染外，极易形成刻痕。故采用传统的研磨与抛光方 法，废品率很高。如用镜面铣，首先解决了表面污染问题，加工 时只与金刚石刀接触，而无其他媒体，由于金刚石化学性质十分 稳定，不与ZnS发生化学反应。这种窗玻璃加工的另一难题是两 个光学表面的平行度，公差要求lμm以下。常规的抛光方法很难 保证这一精度。采用镜面铣削时，可先铣削工作台面，使它与铣 床导轨面平行，然后直接把工件放在工作台上进行加工，以确保 工件的平行度。
3．金刚石车削的应用范围和技术参数
• 用金刚石车削直径在100mm以下的工件时，形状误差 可控制在0.1μm以下。绝大多数可用金刚石车削的材 料的表面粗糙度可达到Rq1～5nm。 • 金刚石车削的刀具的参数与镜面铣相似，金属材料多 用零度前角刀具加工，红外材料和脆性材料则多用负 前角刀具加工。 • 主轴转速低于2000r／min，个别可达5000r／min。隐形 眼镜镜片车床较特殊，其转速可达10000r／min。
2．镜面铣床的布局
除了可以加工普通平面外，还可以加工各种椭圆柱面
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• 镜面铣削的切削速度通常在30m/s左右。 • 主轴在换刀后必须进行动平衡，以尽量减少动不平衡 对工件表面造成的波纹。 • 刀具的几何形状除与工件的几何形状有关外，主要取 决于工件材料的物理特性。加工塑性材料如铜、铝和 镍时，刀具的前角为0º，后角一般在5º～10º之间。刀 尖圆弧半径常用0.5～5mm，机床刚度高可采用较大的 半径以降低工件的表面粗糙度，如采用较小的刀尖半 径时，为不使表面粗糙度恶化须相应减少进给量。
2．金刚石车床的布局
3．金刚石车削的应用范围和技术参数
• 金刚石车削早期主要用来加工有色金属如元氧铀或铝 合金等，其主要产品是各种光学系统中的反射镜，在 东西方军备竞赛时期，各种红外光学元件的需求量猛 增，金刚石车削可加工各种红外光学材料如锗、硅、 ZnS和ZnSe等，工件的形状多为非球面，这样就可大 大减少光学元件的数量 • 金刚石车削常被用来加工有机玻璃和各种塑料，其应 用实例有大型投影电视屏幕、照像机的塑料镜片以及 树脂隐形眼镜镜片。
2、镜面磨削（Mirror Grinding）
• ELID磨削的关键是用与常规不同的砂轮，它的 结合剂通常为青铜或铸铁。图1是ELID在平面 磨床上应用的原理及实验装置。在使用ELID磨 削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。当电 极与砂轮之间接上一电压时，砂轮的结合剂发 生氧化。在切削力作用下，氧化层脱落从而露 出了锋利的磨粒（图2）。由于电解修整过程 在磨削时连续进行，所以能保证砂轮在整个磨 削过程中保持同一锋利状态。这样既可保证工 件表面质量的一致性，又可节约以往修整砂轮 时所需的辅助时间。满足了生产率要求。 • 它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙 度可达Rq1nm的水平
（三）超声轨迹加工
• 用常规方法加工玻璃时，工件的轮廓形状十分 有限，复杂曲面基本上无法加工。1996年，德 国亚琛工大研制了一种新的超声研磨技术，用 它不仅可以进行超声仿形，而且可以根据工具 的轨迹运动产生各种不同的曲面，这样既扩大 了超声研磨的应用范围又改善了在玻璃上进行 几何成形的可能。 • 超声轨迹加工的优点虽不需要仿形工具。在具 有适当的工艺过程和相应的机器设备时，这种 加工方法的应用潜力很大。图1是一台四轴超 声加工中心，它既可用来进行仿形加工又可进 行轨迹加工。刀具除了作纵向振动外。还进行 旋转运动，其是有转速可达4500r／min
特种加工技术
一、激光加工
（一）激光加工系统的组成及其特性
• 激光器 ：固体激光器（具有稳定性好的特点，但能量 效率低一般＜3％，由于输出能量小，主要用于打孔和 点焊及薄板的切割） ，光泵 ，聚光器 ，谐振腔 。气 体激光器 ：分子激光的二氧化碳（CO2）和离子激光 的氩气（Ar） • 聚焦系统 • 电气系统
2、镜面磨削（Mirror Grinding）
• 当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时， 该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不 局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼 等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所 的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。 • 镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽 可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在 ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因 是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修 整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID 首次解决了仅用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上 的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• 镜面铣削的平面度可达0.1μm。粗糙度除取决于机 床、刀具的因素外，还与工件材料本身的特性有关， 绝大多数情况下，以均方很值（rms）表示的粗糙度在 Rql-5nm。对于红外范围的光学元件，镜面铣削后的形 状精度和表面糙度完全可以满足要求，镀膜后就可直 接使用。在可见光，紫外光和X范围内，铣削刀痕有时 会引起光的散射，从而减弱系统的光学效率或成像质 量。为了避免这一缺点，许多光学元件常选用镍作为 材料，在镜面削后，再进行少量的抛光，使表面粗糙 度达到Rq0.l-0.5nm。
3．激光加工技术发展趋势
• 优化激光工作参数。建立加工作业标准和相应的数据 库 • 发展激光多工位分时综合加工 • 研究大功率、高寿命和小型化的微光装置
四、复杂型面的数控加工
（一）复杂型面的主要加工方法
• 70年代，三轴联动数控机床铣削加工 • 80年代，五轴联动数控机床铣削加工。 • 硬面铣削 • 高效磨削加工 ：球面砂轮高速磨削和小直径带轮砂带 磨削（精密锻造毛坯，加工余量小）
（二）复杂型面数控加工的技术关键
• 五轴多功能加工中心 • 刀具系统
（二）激光加工的合理工作参数
1．激光打孔尺寸及其精度的控制