第1章 绪论(精密与特种加工)最新

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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
硅片(wafer) 高平整度 超光滑 高精度 高表面质量
精密与特种加工技术
Chips before slicing
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的产生与特点
风扇 叶片
案例2：航空发动机涡轮叶片的加工
高压涡 轮叶片
压缩机 叶片
低压涡 轮叶片
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
特点
历史性 相对性 发展性 不普及性 保密性 尖端性
精密与特种加工的产生与特点
与测量技术关联性
机理
不同加工精度等级的去除机理
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
各类加工方法所能达到的精度及其发展趋势预测（日本TANIGUCHI, 1983年)
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
典型应用
精密与特种加工的产生与特点
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0.0005μm，则 会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 国 防 工 业
大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名
不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量(如电、化学、 光、声、热等)
实现
加工工具硬度可以低于被加工材料的硬度 加工过程中工具和工件之间一般不存在显著的机械切削力 各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优
越性，便于扩大应用范围。如电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工
氧化还
原反应
磨粒、
水、混 合物的 冲击或 划擦
不同能 量的先 后作用
两种或 两种以 上能量 同时作 用
激光与 热作用 形成的 不同的 加工方 法
电子束 等离子 体
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的分类
电火花加工(Electro discharge machining)
激光加工(Laser beam machining)
第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
磁头/磁盘制造中的精密制造问题
• 磁存储密度：
100 Gb/in2； •磁头在磁盘表面 的 飞行高度<8 nm
纳米级运动控 制问题
亚微米级定位 问题
磁头、磁盘的表面 粗糙度Ra < 0.1 nm
亚纳米表面抛 光与测量问题
磁头表面保护膜厚度< 2 nm
精密与特种加工技术
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精密与特种加工技术
特殊零件的加工问题
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第一章 绪论
定义
精密与特种加工的产生与特点
主要借助电、热、光、声、化学等能量或其组合来以实现工件的尺寸、表面
质量或形状特征的改变的所有加工方法的总称。
中国：特种加工，非传统加工(NTM,Non-traditional Machining) 非常规机械加工(NCM,Non-Conventional Machining) 特点
的哈勃太空望远镜(900Kg），能观察140亿光年的天体（六轴CNC研磨 抛光机)
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。
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的产生与特点
案例5：任意形状零件/特征的快速加工
形状：任意 速度：快速
材料：不限
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密超精密加工技术的产生与特点
主要内容
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的分类
精密与特种加工对机械制造工艺的影响
精密与特种加工的地位与发展趋势
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
案例1：集成电路芯片(chips)的制造
特殊材料：硅 超高精度：微纳米 微纳尺度：微纳米 封装 芯片
硅片
精密与特种加工技术
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的分类
电化学加工 (Electrochemical machining)
化学加工 (Chemical machining)
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的分类
超声加工(Ultrasonic machining)
水射流加工(Water jet machining)
长.
对产品高性能的追求
制造精度直接关联产品质量（性能，可靠性，寿命） 制造技术发展与提高的核心：自动化智能制造；精密与超精密加工
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
定义
精密与特种加工的产生与特点
不是指某一特定的加工方法，也不是指比某给定的加工精度高一个数量级 的加工技术，而是指在机械加工领域中，某一个历史时期所能达到的较(最)高 加工精度的各种精密加工方法的总称。 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。 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（光整加工、精整加工等 ）。 目前超精密加工己进入纳米级，并称之为纳米加工及相应的纳米技术(极限 加工技术)。
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
陀螺仪
哈勃望远镜用大型透镜
曲面镜
精密与特种加工技术
反射镜
第一章 绪论
典型应用 信 息 产 品
精密与特种加工的产生与特点
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。
民
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
用
产 品
，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。
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工技术
主要意义
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。 尖端技术领域、国防工业和微电子工业等都精密超精密加工作支撑。 当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现在制造技术的前沿，也是明天 技术的基础。
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
技术体系
精密与特种加工的产生与特点
超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境等
条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、精密
伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。
工件材质：必须极为细致均匀，并经适当处理以消除内部残余应力，保 证高度的尺寸稳定性，防止加工后发生变形。 加工设备：要有极高的运动精度，导轨直线性和主轴回转精度要达到
20世纪60年代：适应核能、大规模集成电路、激光和航空航天
等尖端技术的需要
对产品质量的追求 硬盘或光学零件：极低表面粗糙度和极高几何尺寸精度
，Ra≤0.1nm，精度≤10nm
对产品小型化的追求 电子器件；M/NEMS；表面积/体积，工件的表面质
量及其完整性越来越重要
对产品高可靠性的追求 Ra，耐磨性好，精度，运动稳定好，工作寿命
0.1微米级，微量进给和定位精度要达到0.01微米级。
环境条件：要求苛刻，须保持恒温、恒湿和空气洁净，并采取有效的防 振措施。
加工系统：系统误差和随机误差都应控制在 0.1微米级或更小。
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第一章 绪论
超精密加工方法 (Methods)
精密与特种加工的产生与特点
超精密切削加工，超精密磨削、研磨和抛光，超精密微细加工
航空发动机(最难制造的部件)
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的产生与特点
案例2：航空发动机涡轮叶片的加工
材料特殊：耐高温镍基合金和涂层 形状复杂：变截面，空间多维 结构复杂：曲孔，异型孔等
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的产生与特点
(ECAM)。
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的分类
精密与特种加工技术的分类
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
特种加工技wk.baidu.com术
精密与特种加工的分类
热作用特种 加工
电化学作用 特种加工
化学作用特 种加工
机械作用特 种加工
组合作用特 种加工
复合能量特 种加工
快速成型
电
激
弧
光
电场作
用下的 氧化还 原反应
学仪器、大规模集成电路、民用产品等。
世界发展概况
美国是开展研究最早的国家。
日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 。 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。
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第一章 绪论
意义与典型应用
精密与特种加工的产生与特点
案例3：光学镜片的加工
精度：超光滑，廓形超精密
形状：曲面，非球面
材料：大都是硬脆材料
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
精密与特种加工的产生与特点
案例4：微小或易变形零件/特征的加工
喇叭形网孔滤网
刮胡刀网罩
喷气管
薄壁零件
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
第一章 绪论
课程安排与概述
总 学 时：32(含4学时实验课)
时 间：第8周-第12周 相对松散：精密与超精密加工；特种加工；方法间缺乏 紧密的内在逻辑联系
课程特点：
内容多样：涉及精密超精密加工、多种特种加工方法
基本要素：基本原理、基本工艺特征、主要用途
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
超精密加工刀具 (Tool)
单晶金刚石刀具；超硬砂轮；砂带；研磨具/膏；抛光垫等 超精密加工机床设备(Machine tool)
超精密机床，超精密机床主轴、导轨、进给驱动系统
超精密加工中的测量技术(Measuring technique) 在线检测与误差补偿，微位移机构，激光测量
超精密加工的支撑环境 (Environment)
精密与特种加工的产生与特点
案例4：微小或易变形零件/特征的加工（续）
精度：超精密/精密
微型发动机
尺寸：特征尺寸为微纳米
微型麦克风
微型泵
材料：金属或硅
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
Miniature 0.1m-0.1mm
MEMS 0.1mm-0.1μm
NEMS 100nm-0.1nm
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第一章 绪论
精密与特种加工对制造工艺的影响
精密与特种加工技术对制造工艺的影响
精密超精密加工对制造工艺的影响 提高制造精度 提高产品质量和性能 提高产品可靠性 促进产品小型化 增强零件互换性，提高装配生产率，促进装配自动化
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
ELID（Electrolytic In-process Dressing）
超精密切削技术
超精密磨削技术
研磨加工
精密与特种加工技术
抛光加工
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第一章 绪论
主要应用领域
精密与特种加工的产生与特点
尖端技术、国防工业、微电子工业、激光技术、航空航天、卫星、计量、光
精密与特种加工技术
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第一章 绪论
精密与特种加工的分类
光敏树脂液相固化 (Sterolithography)
粉末激光选择性烧结成形 (Laser selective machining) 增材制造技术(3D 打印) (Additive manufacturing, 3D printing)
精密与特种加工技术
空气环境和热环境，振动环境，其它环境工
恒温：±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。 恒湿：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。 超净：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。
超薄膜的均匀生长问题
第一章 绪论
精密与特种加工的产生与特点
特种加工技术的产生与特点
产生背景
陶瓷，玻璃，硅，金 刚石，不锈钢，钛合 金，高温镍基合金等
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难切削材料的加工问题
曲面；非规则几何型 面；功能表面等
四大加 微纳尺度；低刚度； 工问题
薄壁；易氧化；非圆 孔；深小孔等
2
特殊复杂表面的加工问题
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超精密表面的加工问题