超精密加工技术教学课件.ppt
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Ultraprecision machining 3.2 超精密加工技术
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
概述 超精密切削与金刚石刀具 超精密磨料加工 超精密加工设备 纳米加工技术
2021/2/2
参考材料：
1、张建华主编《精密与特种加工技术》 2、於贻琛《精密机床》 3、袁哲俊、王先逵主编
2021/2/2
1 精密和超精密加工的技术内涵
精密和超精密加工方法分类（1）
分类 去除加工
结合加工
变形加工
2021/2/2
加工机理
加工方法
化学分解（气体、液体、固体） 电解（液体） 蒸发（真空、气体） 扩散（固体） 熔化（液体） 溅射（真空）
化学附着 化学结合 电化学附着 电化学结合 热附着 扩散结合 熔化结合 物理附着 注入
热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动
刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工 熔化去除加工 粒子束溅射去除加工，等离子体加工
化学镀，气相镀 氧化，氮化 电镀、电铸 阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀） 离子溅射注入加工
各种材料 金属，半导体 金属，半导体
刃磨，成形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝ຫໍສະໝຸດ Baidu槽 平面
精密切削、磨削、研磨实例
工具等
加工装置
材料
用途、零件等
金刚石刀具刃口锋
Al、Cu、塑料等软质材料 磁盘基板
镜
利化 利用CBN刀具切
面 削钢
无电解Ni膜Ge，Si KDP、 各种模具
LiNbO3、玻璃
各种发射镜
附着加工：称为沉积加工，是指在工件表面上覆盖一层物 质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。
注入加工又称为渗入加工，是指在工件表面上注入某些元 素，使之与基体材料产生物理化学反应。这是一种具有共价键、 离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械 性质，如渗碳、渗氮等。
连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起， 如20焊21/2接/2 、粘接等。
2 超精密加工国内外发展现状
国内外现状
(1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的 国家 。 (3)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 20世密纪5机0年床代末和，部由于件航。天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石
红外用光学元件
切
金刚石刀具得结晶
采用空气轴承、流体轴承及
削
方位选择 金刚石刀具刃口评
空气道轨等的高精度化 高刚度化
价改进型SEM
冷却、空调、防振
激光核聚变用光学元件 X射线天体望远镜用元件
镜 面
树脂结合剂金刚石 砂轮添加Mo2S2、 WS2、C等
采用高速运算装置控制
高刚度化的新方案： Tetraform结构球壳结构
集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工，硅片基片 平面、空、外圆加工，硅片基片 硅片基片 刻槽，切断，图案成形，破碎
特种加工
复合加工
2021/2/2
电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工
电解磨削 电解抛光 化学抛光
《精密和超精密加工技术》机械工 业出版社
2021/2/2
3.2.1 概述
1 精密和超精密加工的技术内涵 2 超精密加工技术的国内外发展现状 3 精密和超精密加工的需求 4 超精密加工技术的发展趋势
2021/2/2
1 精密和超精密加工的技术内涵
精密和超精密加工的加工范畴
➢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。
➢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 ；
➢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 （微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等
热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工
2. 结合加工
利用物理和化学方法，将不同材料结合(Bonding)在一起。 按结合的机理、方法、强弱等，结合加工又分为附着 (Deposition)、注入(Injection)和连接(Jointed)三种。
磨
铸铁基金刚石砂
削 轮采用电解腐蚀修整
铁氧体 精细陶瓷 超硬合金 Ge、Si 玻璃
磁头 红外用光学元件 非球面玻璃透镜 各种模具
ELID磨削
沥青抛光盘、石
基于理论分析的平面研磨机 水晶LiTaO3
蜡抛光盘、合成树脂
大口径光学元件用研磨机
镜
抛光盘 微细磨料、软质磨
液中研磨机、EEM装置、 浮法抛光张之、P－MAC抛光
3. 变形加工 变形加工又称为流动加工，它利用力、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。 多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合 加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快 速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。 例如：镁合金，钛合金的变形。
2021/2/2
精密和超精密加工方法分类（2）
分类 切削加工
磨料加工
加工方法
等离子体切削 微细切削 微细钻削
微细磨削 研磨 抛光 弹性发射加工 喷射加工
可加工材料 应
用
各种材料 有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝
熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金 球，磁盘，反射镜，多面棱镜
油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板
黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃 金属、非金属 金属、玻璃、水晶
面 料、易微细化的磨料 装置
研
软质工具的采用： 氟化树脂发泡体跑关
磨 盘、液体工具－EEM
NC化CAM化
LiNbO3 GGG Si、GaAs 精细陶瓷
CVD SiC膜
及浮动抛光
玻璃
压电滤波器基片 SAW元件基片 半导体基片 各种模具 SOR用X射线光学元件 激光核聚变用各种光学元 件 投影透镜
2021/2/2
导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体
孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
概述 超精密切削与金刚石刀具 超精密磨料加工 超精密加工设备 纳米加工技术
2021/2/2
参考材料：
1、张建华主编《精密与特种加工技术》 2、於贻琛《精密机床》 3、袁哲俊、王先逵主编
2021/2/2
1 精密和超精密加工的技术内涵
精密和超精密加工方法分类（1）
分类 去除加工
结合加工
变形加工
2021/2/2
加工机理
加工方法
化学分解（气体、液体、固体） 电解（液体） 蒸发（真空、气体） 扩散（固体） 熔化（液体） 溅射（真空）
化学附着 化学结合 电化学附着 电化学结合 热附着 扩散结合 熔化结合 物理附着 注入
热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动
刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工 熔化去除加工 粒子束溅射去除加工，等离子体加工
化学镀，气相镀 氧化，氮化 电镀、电铸 阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀） 离子溅射注入加工
各种材料 金属，半导体 金属，半导体
刃磨，成形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝ຫໍສະໝຸດ Baidu槽 平面
精密切削、磨削、研磨实例
工具等
加工装置
材料
用途、零件等
金刚石刀具刃口锋
Al、Cu、塑料等软质材料 磁盘基板
镜
利化 利用CBN刀具切
面 削钢
无电解Ni膜Ge，Si KDP、 各种模具
LiNbO3、玻璃
各种发射镜
附着加工：称为沉积加工，是指在工件表面上覆盖一层物 质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。
注入加工又称为渗入加工，是指在工件表面上注入某些元 素，使之与基体材料产生物理化学反应。这是一种具有共价键、 离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械 性质，如渗碳、渗氮等。
连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起， 如20焊21/2接/2 、粘接等。
2 超精密加工国内外发展现状
国内外现状
(1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的 国家 。 (3)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 20世密纪5机0年床代末和，部由于件航。天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石
红外用光学元件
切
金刚石刀具得结晶
采用空气轴承、流体轴承及
削
方位选择 金刚石刀具刃口评
空气道轨等的高精度化 高刚度化
价改进型SEM
冷却、空调、防振
激光核聚变用光学元件 X射线天体望远镜用元件
镜 面
树脂结合剂金刚石 砂轮添加Mo2S2、 WS2、C等
采用高速运算装置控制
高刚度化的新方案： Tetraform结构球壳结构
集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工，硅片基片 平面、空、外圆加工，硅片基片 硅片基片 刻槽，切断，图案成形，破碎
特种加工
复合加工
2021/2/2
电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工
电解磨削 电解抛光 化学抛光
《精密和超精密加工技术》机械工 业出版社
2021/2/2
3.2.1 概述
1 精密和超精密加工的技术内涵 2 超精密加工技术的国内外发展现状 3 精密和超精密加工的需求 4 超精密加工技术的发展趋势
2021/2/2
1 精密和超精密加工的技术内涵
精密和超精密加工的加工范畴
➢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。
➢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 ；
➢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 （微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等
热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工
2. 结合加工
利用物理和化学方法，将不同材料结合(Bonding)在一起。 按结合的机理、方法、强弱等，结合加工又分为附着 (Deposition)、注入(Injection)和连接(Jointed)三种。
磨
铸铁基金刚石砂
削 轮采用电解腐蚀修整
铁氧体 精细陶瓷 超硬合金 Ge、Si 玻璃
磁头 红外用光学元件 非球面玻璃透镜 各种模具
ELID磨削
沥青抛光盘、石
基于理论分析的平面研磨机 水晶LiTaO3
蜡抛光盘、合成树脂
大口径光学元件用研磨机
镜
抛光盘 微细磨料、软质磨
液中研磨机、EEM装置、 浮法抛光张之、P－MAC抛光
3. 变形加工 变形加工又称为流动加工，它利用力、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。 多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合 加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快 速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。 例如：镁合金，钛合金的变形。
2021/2/2
精密和超精密加工方法分类（2）
分类 切削加工
磨料加工
加工方法
等离子体切削 微细切削 微细钻削
微细磨削 研磨 抛光 弹性发射加工 喷射加工
可加工材料 应
用
各种材料 有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝
熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金 球，磁盘，反射镜，多面棱镜
油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板
黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃 金属、非金属 金属、玻璃、水晶
面 料、易微细化的磨料 装置
研
软质工具的采用： 氟化树脂发泡体跑关
磨 盘、液体工具－EEM
NC化CAM化
LiNbO3 GGG Si、GaAs 精细陶瓷
CVD SiC膜
及浮动抛光
玻璃
压电滤波器基片 SAW元件基片 半导体基片 各种模具 SOR用X射线光学元件 激光核聚变用各种光学元 件 投影透镜
2021/2/2
导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体
孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形