精密及超精密加工技术作业

精密及超精密加工技术专题作业

一、精密超精密加工的发展

精密、超精密加工技术是20 世纪50 年代末、60 年代初发展起来的一项新技术，由于电子技术、计算机技术、宇航和激光技术发展的需要，美国组织有关公司和研究机构对微米级加工技术进行研究，在美国诞生的金刚石刀具镜面车削技术催生了超精密加工技术。1962 年美国首先研制出了超精密车床，在该机床上使用单刃金刚石车刀加工直径的铝合金半球面，成功实现了镜面车削，迈出了微米级超精密加工的第一步。

在工业发达国家，一般工厂已经可以稳定掌握1 微米的加工精度。现代机械工业之所以致力于提高加工精度，其主要原因在于，提高制造精度之后可以提高产品的性能和质量，可以提高其稳定性和可靠性。精密和超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有十分重要的位置。

精密和超精密加工技术发展到目前，已经取得了重大的进展，精密和超精密加工已经不再是一个孤立的加工方法或者单纯的工艺的问题，而成为一个包含内容十分广泛的系统工程。实现精密和超精密切削加工，不仅需要精密的机床设备和刀具，也需要稳定的环境条，还需要运用计算机技术进行实时的误差测量和补偿反馈。只有将各个领域的技术结合在一起，才有可能实现经济和超精密加工技术。

通过使用天然的单晶金刚石刀具对超精密零件进行超精密的切削，源自于20 世纪50 年代的末期，初期被加工的工件多为形状简单的圆柱表面等。金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于单件的大型超精密零件和批量生产的中小型零件的超精密切削技术两个方面。单件大型零件的超精密金刚石刀具切削，以美国最为发达，居于世界的领先位置。超精密切削是一项内容广泛的新技术，它的加工精度和表面质量是由所使用的超精密设备、金刚石刀具以及切削工艺和误差补偿技术等因素的综合结果。

二、简述研磨抛光的机制

研磨加工的机理

研磨时磨料的工作状态：磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧效果；磨粒压入到研具表面，用露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划，实现微切削加工；磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。

硬脆材料的研磨：一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面，用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧效果。在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹。当纵横交错的裂纹扩展并产生脆性崩碎形成磨屑，达到表面去除的目的。

金属材料的研磨：当金属表面用硬度计压头压入时，只在表面产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料那样的破碎和裂纹。研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切削和磨削时的状态，且表面不会产生裂纹。

抛光加工的机理

以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用；借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。

三、简述原子力显微镜的原理与特点

原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

优点：相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。原子力显微镜与扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。

缺点：和扫描电子显微镜(SEM）相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

四、采用单晶金刚石刀具在纳米机床上对硬脆性的光学玻璃进行纳米尺度的切削，用三维激光扫描仪检测纳米尺度的加工切痕。重组出纳米加工的3D切削形貌，分析硬脆性材料的超精密切削机理。

使用Matlab生成检测样品的曲面图，拟合曲面图如下图所示：

观察生成的3D曲面，发现V沟槽是略有倾斜的，在较浅的一段，V槽的两边侧面比较光滑，而在较深的一段上，数据点的跳动比较大。这说明较浅那一段V槽侧面的粗糙度比较小，光洁度较好，而另一端粗糙度较大。初步推测原因是较浅的一段发生的是塑性切削，而另一段发生的是脆性切削。

根据均布效应机理，在切削硬脆材料时，首先刀尖附近静压值的大小决定了材料断裂前塑性变形的程度，即静压值大小决定了断裂前的应变大小，应变的大小又决定了材料是脆性还是塑性，其次极薄的切削厚度以及与切削厚度相当的刀具刃口半径使得切削区的应力均布，避免了应力集中和裂纹的产生，此时硬脆材料的变形时没有裂纹的塑性变形。当切削厚度较大时，在极锋利的切削刃附近的拉应力区产生高度应力集中状态，而在切削表面上方的大部分待去除材料处于地应力状态，当道具向前作切削运动时，裂纹会立即在切削刃前产生，而不会产生塑性变形，此时加工表面产生凹坑，材料以脆性断裂方式去除，得不到超光滑的光学表面；而切削厚度很小时，切削表面上方的待去除材料很少，刀具刃口半径和切削厚度相当，消除了应力集中，整个切削区域处于高静压状态，硬脆材料的塑性增强，材料以塑性变形的方式被切除掉，硬脆材料经超精密切削加工就可以得到超光滑的光学表面。