精密和超精密加工
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
精密加工超精密加工和细微加工课 件
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
精密加工超精密加工和细微加工课 件
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
精密加工超精密加工和细微加工课 件
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
精密加工超精密加工和细微加工课 件
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
精密和超精密加工技术
电子材料，磁性材料的镜面磨削：大尺寸硅片；铁金氧磁头 光学材料的镜面磨削：记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前 陶瓷材料的镜面磨削 高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金
4、脆性材料精密磨削
尖锐压头下的材料变形过程
(a) 初始加载: 接触区产生—永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 (b) 临界区: 载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(M edian Crack)。 (c) 裂纹增长区: 载荷增加, 中介裂纹也随之增长。 (d) 初始卸载阶段: 中介裂纹开始闭合，但不愈合。 (e) 侧向裂纹产生: 进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧 边扩展的横向裂纹(L ateral Crack)。 (f) 完全卸载: 侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则 形成破坏的碎屑。
精密、超精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕
1、精密和超精密磨削加工基础
精密和超精密磨削分类
将磨料或微粉与结合剂粘合在一起， 形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂 轮、砂条、油石、砂带等磨具。
精密和超精 密磨料加工 固结磨 料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。
3、在线电解磨削技术
ELID磨削的特点
磨削过程具有良好的稳定性； ELID修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；
采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的 残留裂纹。
3、在线电解磨削技术
1、精密和超精密磨削加工基础
切削和磨削的比较
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。
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。
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
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
第七讲精密加工和超精密加工
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
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。
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
《现代制造技术》ppt 第3章 精密加工和超精密加工
度、高外表质量、高寿命的一种高效加工方法。 可有效地提高尺寸精度、形状精度和减小Ra值， 但不能提高孔与其他外表的位置精度。
② 可加工铸铁件、淬硬和不淬硬钢件及青铜 件等，但不宜加工韧性大的有色金属件。
③ 珩磨主要用于孔加工。在孔珩磨加工中， 是以原加工孔中心来进行导向。加工孔径 范围为φ5～ φ500，深径比可达10。
3.1.3 工艺特点
1．精密加工和超精密加工都是以精密元件为 加工对象，与精密元件密切结合而开展起 来的。
2．精密加工和超精密加工不仅要保证很高的 精度和外表质量，同时要求有很高的稳定 性或保持性，不受外界条件变化的干扰， 因此，要注意以下几个方面：
〔1〕工件材料本身的均匀性和性能的一致性，不允 许存在内部或外部的微观缺陷，甚至对材料组织 的纤维化有一定要求，如精密磁盘的铝合金盘基 就不允许有组织纤维化，精密金属球也是一样。
精密切削加工
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 金刚石刀具进行的切削加工。
3.2.2 精密、超精密切削加工应用实例
尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工， 如：
(1)导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性 仪是超精密加工产品，1Kg重的陀螺转子， 其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起 100m的射程误差和50m的轨道误差；
3.3.3 精密磨削加工实例
1〕圆柱形镜面磨削加工方法：磨削速度选 V=25~35m/s，粗磨时fr=0.02~0.07mm，精 磨时fr=3~10µm；当用油石研、抛时， V=10~50m/min，材料的去除速度为 0.1µm~1µm/min。超精磨削可到达0.01µm的 圆度和Ra 0.002µm的外表粗糙度。
现代制造技术第3章 精密加工和超精密加工
3.6 研磨
3.6.1 研磨 研磨是一种简便可靠的精密加工方法，研 磨后的表面的尺寸误差和几何形状误差， 在研具精度足够高的情况下可以小到0.1～ 0.3，表面粗糙度可达Ra0.04～0.01。在现 代工业中往往采用研磨作为加工最精密和 最光洁的零件的终加工方法。 3.6.2 超精密研磨 超精密研磨是一种加工精度达0.1以下，表 面粗糙度Ra在0.02以下的研磨方法。
3.4.3珩磨的用途 珩磨主要用于加工孔径为5～500毫米或更 大的各种圆柱孔，如缸筒、阀孔、连杆孔 和箱体孔等，孔深与孔径之比可达10，甚 至更大。在一定条件下，珩磨也能加工外 圆、平面、球面和齿面等。圆柱珩磨的表 面粗糙度一般可达Ra0.32～0.08微米，精 珩时可达Ra0.04微米以下,并能少量提高几 何精度,加工精度可达IT7～4。平面珩磨的 表面质量略差。
(2)哈脖望远镜重量达900Kg的大型反射镜的 加工 (3)精密雷达、精确制导、电子对抗、TMD、 NMD、间谍卫星等 (4)人造卫星仪表轴承 (5)红外导弹中红外线反射镜 (6)超小型计算机等
(7)海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美 国及其盟国武器系统中大部分与超精密加 工技术有关。如：精密雷达、精确制导、 电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫 星、红外制导等。 (8)美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可 以说是高技术战争、是高科技的胜利。没 有超精密加工技术，就没有真正的国防工 业。
3．超精密加工 超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为 0.001数量级，表面粗糙度Rz为0.001数量 级的加工方法，加工中所使用的设备，其 分辨率和重复精度应为0.01数量级。目前， 超精密加工的精度正从微米工艺向纳米工 艺提高。微米工艺是指精度为1～10－2的 微米、亚微米级工艺，而纳米工艺是指精 度为10-2～10-3的纳米级工艺（1＝ 103nm,nm称纳米）。
精密与超精密加工技术
第二章精密与超精密加工技术一．概述二．超精密切削加工技术三．超精密磨削技术四．超精密研磨抛光技术五、超精密加工装备与环境一、概述1、精密和超精密加工技术的发展是从上世纪 70年代开始，主要集中在美、日、英等国，精密和超精密加工在尖端技术和现代武器制造中占非常重要的地位，是机械制造业最主要发展的方向之一。
2、精密和超精密加工技术在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。
3、当代的超精密加工技术是现代制造技术的前沿，也是明天制造技术的基础。
超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一。
4、加工精度进化5、机械工业提高加工精度的效益。
1）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；2）促进产品的小型化；3）增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配；6、在不同的历史时期，不同的科学技术发展水平情况下，对精密与超精密加工技术有不同的理解。
1）精密和超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。
2）精密和超精密只是相对而言，其间的界限随时间的推移而不断变化，因而精密和超精密在不同的时期必须使用不同的尺度来区分。
3）1983年日本的 Taniguchi教授在考查了许多超精密加工实例的基础上对超精密加工的现状进行完整的综述，并对其发展趋势进行了预测。
7、超精密加工技术的现状1）超精密加工技术是一门综合性的系统工程，它的发展综合地利用了机床、工具、计量、环境技术、微电子技术、计算机技术、数控技术等的进步。
2）精密加工和超精密加工已从单一的技术方法发展为制造系统工程，简称精密工程。
它以人、技术、组织为基础，涉及超微量去除、结合、变形加工技术，高稳定性和高净化的加工环境，检测与误差补偿，工况监测与质量控制，被加工材料等。
二、超精密切削加工技术超精密切削技术是60年代发展起来的新技术，它在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用；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；超精密切削可代替研磨等很费工的精加工工序，不仅节省工时，还提高加工精度和表面质量。
精密与超精密加工技术
空气静压轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的回转精度。
2) 导轨及进给驱动装置：动作灵活，无爬行等不连续动作， 直线精度 好。通常采用空气静压导轨 。
空气静压导轨
精密与超精密加工技术
摩擦驱动原理图
精密与超精密加工技术
（3）超精密加工的工作环境
超精密加工必须在超稳定的环境下进行，主要衡量指标有三个：
等离子体辅助抛光(PACE)
等离子体辅助抛光又称化学蒸发加工(chemical vaporization machining， CVM)，是在真空环境下进行将化学气体(通常为卤素类气体，如CF、Cl2等) 激发成活性等离子体，与加工面产生化学反应，生成挥发性物质从而达到 材料去除的目的。这种加工方法实用化的一种就是等离子腐蚀。
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。
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。
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 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。
精密与超精密加工技术
（1）超精密加工刀具
超精密加工要求刀具能均匀地去除不大于工件加工精度且厚度极薄 的金属层或非金属层。 超精密切削中的加工刀具，一般指天然单晶金刚石刀具。超精密切 削中必须保证金刚石刀具的刀面与刃口质量。 超精密磨削的加工刀具砂轮的磨料品级与力度均匀性在加工中十分 重要。
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工技术
7、超精密加工的发展趋势
高精度、高效率 工艺整合化 两极化（大型化、微型化） 在线检测 智能化 绿色化
精密与超精密加工技术综述
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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前沿讲座
6. 设计制造金刚石刀具时，必须首先进行晶体定向。 7. 金刚石刀具一般带修光刃，有直线修光刃和圆弧修
光刃。 8. 天然金刚石刀具(单晶金刚石)是超精密加工的唯一理
想的刀具。
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前沿讲座
金刚石的物理力学性能
硬度 抗弯强度
6000～10000 (随晶体方向和温度而有所差别)
前沿讲座
超精密加工的材料及其应用
超精 密加 工的 材料
金属材料
高硬度、高强度耐热 合金
应用：军工业、航空航天、原子 能工业、激光金属、光学、电子 工业
非金属材 料
高分子材料 复合材料
无机硬脆材料
应用：光学、化学、电子 应用：航天、能源工业 应用：电子、原子能、能源
前沿讲座
超精密加工技术的应用实例之一：
光学产品
通用电器机具，电子零件 照相机外壳 外壳，小型电机，半导体
精密 加工
超精 密加 工
5m 0.5m 0.05m 0.005m
手表零件，精密齿轮，丝 杠，高速轴承，滚动轴承
空气轴承，导轨，精密模 具，液压伺服阀等
块规，金刚石压头，超精 密导轨等
超精密零件(平面，球面， 非球面，螺旋面等)
产
钢球
品
螺纹
齿轮
宝石 硅片 透镜 磁头 棱镜 石英
超精密切削
超精密磨削
金属材料
非金属 材料
金属材料
非金属 材料
反射镜 鼓简
光学体
红外零件 塑料零件
滚动轴承 轧辊
空气轴承 录像机轴
压缩机
陶瓷 光学玻璃
前沿讲座
超精密加工刀具
超精密加工对刀具材料的要求： 1. 极高等硬度、极高得耐磨性能、极高的弹性模量 2. 极锋利的刀刃、刃口半径值极小、能实现超薄切削 3. 刀刃无缺陷、切削时将刃形复印到加工表面上，能
前沿讲座
加工精度 (m)
100
10
1 超精密加工
0.1
精密加工
普通加工
0.01
0.001
0.0001 1900
1920
1940
1960
年
1980
2000
2020
前沿讲座
前沿讲座
不同时期的精密和超精密加工精度
20世纪50年代前
精密加工精度 5m以上
超精密加工精度 1m以上
20世纪50年代后
前沿讲座
超精密加工方法-超精密加工方法分类
高精度加工
超 精 密 加 工
微尺寸加工细
高尺寸精度 高形位精度 低粗糙度 物理加工
化学加工
金刚石切削 超精密磨削 超精密研磨与抛光 电火花加工 激光加工 超声波加工 微波加工 喷射加工
化学能加工 光刻加工 精密电铸 电解加工
前沿讲座
工件材料与加工方法
材料
前沿讲座
(5) 红外导弹中红外线反射镜 (6) 超小型计算机等 (7) 海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美国及其盟国武器 系统中大部分与超精密加工技术有关。如：精密雷达、精确制导 、电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫星、红外制导等。 (8) 美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可以说是高技术战 争、是高科技的胜利。没有超精密加工技术，就没有真正的国防 工业。
超精密加工方法
无机 硬脆 材料
半导体材料 玻璃 蓝宝石
陶瓷 石英 金刚石
软质金属
塑料
超精密磨削 超精Байду номын сангаас抛光
超精密研磨
超精密金刚石切削
耐热合金 复合材料
超精密磨削 超精密抛光
超精密研磨
前沿讲座
各种产品所适用的超精密加工方法
加工 方法
超精密研磨、抛光
材料
金属材料
非金属 材料
块规
被
平尺
加
金属平板
工
机床导轨
前沿讲座
提高装配生产率，促进装配自动化 超精密加工技术已经成为国际竞争中取得成功的键
技术。 国与国之间的竞争实质是尖端技术之间的竞争，而
超精密加工是其中主要的一个方面。
前沿讲座
超精密加工技术的主要研究内容
超精密加工刀具：金刚石刀具材料与结构 超精密加工机理 超精密加工机床设备 超稳定的加工环境条件 超精密加工测量技术：检测技术和误差补偿 超精密加工的工件材料 微细加工 (超精密特种加工)
WC：2400 SiC: 3500
Al2O3：2200 CBN：6000～8500
TiC: 3200
210～490 MPa
抗压强度
1500～2500 MPa
弹性模量
(9～10.5)×1011 N/m2
导热系数
(2～4)×418.68 W/(m.K)
和铝合金和黄铜 之间的摩擦系数
开始氧化温度
0.06～0.13 900～1000K
前沿讲座
如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加 工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的 加工技术称为超精密加工，也称纳米加工。
精密、超精密加工技术、纳米技术的应用引发了新的制造 科学革命—微型化革命，主攻方向为微小机械(尺寸0.1～ 10mm)、微型机械(尺寸0.1～100 m)和纳米设计、制造与 使用。
前沿讲座
六、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
七、微细加工技术 (Micro-cutting)
分离加工
结合加工
变形加工
八、超精密加工的支撑环境 (Environment)
空气环境和热环境
振动环境
其它环境工
前沿讲座
超精密加工的概念
在机械加工领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精 度的各种精密加工方法的总称。
超精密切削加工
超精密磨削、研磨和抛光
超精密微细加工
三、超精密加工刀具 (Tool)
单晶金刚石刀具
前沿讲座
四、超精密磨削、研磨和抛光 (Grinding and polishing)
超精密磨削
超精密研磨
超精密抛光
五、超精密加工机床设备(Machine tool)
超精密机床发展
典型超精密机床简介
超精密机床主轴、导轨、进给驱动系统
前沿讲座
超精密加工金刚石刀具
前沿讲座
金刚石刀具的应用
1. 可用于加工铝合金、黄铜等有色金属和某些非金属材料，不能用 于金属材料的加工。
2. 可以得到超光滑表面，Ra0.02-0.005m，精度达到0.01 m以上 3. 可以加工许多零件，如：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、复印机的硒鼓等。
继电器，IC硅片，录像头 ，记忆磁盘等 磁头，IC元件，磁控管等
IC存储器，硬磁盘，大规 模集成电路等 超大规模集成电路
透镜，棱镜等
精密透镜，X射线 反射镜，激光反射 镜 光学平晶，衍射光 栅，光盘等
超精密衍射光栅
1nm以下
超精密零件的表面粗糙度
前沿讲座
超精密加工技术的应用
超精密加工技术主要应用于：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、光学仪器、大规模集 成电路、民用产品等。
前沿讲座
精密和超精密加工 技术及其应用
(Ultra-precision machining and its applications)
邓建新
山东大学机械工程学院
2004年4月
前沿讲座
一、概述 (Introduction)
超精密加工的概念
超精密技术的应用
超精密加工的意义
主要研究内容
二、超精密加工方法 (Methods)
面硬度、表面粗糙度、残余应力、表面裂纹、表面成分等) 4. 磨料在工件和研具之间进行转动；研具面支撑磨料研磨加工
前沿讲座
超精密研磨和抛光
影响研磨和抛光的主要工艺因素有： 1. 研磨方法(单面、双面、旋转、往复)； 2. 研具(铸铁、软布、树脂、橡胶、塑料)； 3. 磨粒(种类、粗细)； 4. 环境(温度)；压力；速度等
精密加工精度 3-5m
超精密加工精度 1m
20世纪70年代
精密加工精度 1m
超精密加工精度 0.1m
目前
精密加工精度 0.1m
超精密加工精度 0.01-0.001m
前沿讲座
各种产品与所要求的精度范围
普通 加工
加工精度范 围
200m
机械产品
一般机械零件，家用电器 ，汽车零件，通用齿轮
电子产品
得到超光滑的镜面 4. 与工件的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低
、能得到极好的加工表面完整性
前沿讲座
传统切削加工
前沿讲座
超精密切削加工
前沿讲座
超精密切削加工
前沿讲座
超精密切削加工
切屑
刀具
工件
前沿讲座
金刚石刀具的特点：
1. 硬度自然界最高，耐磨性能极好 2. 能磨出极其锋利的刀刃 3. 导热性能好 4. 和有色金属摩擦系数低 5. 金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同晶面和不同方向
≥105
最小线条宽度 m ≤8
≤6 3～6 0.1～2.5
前沿讲座
超精密加工技术的应用实例之三：
各种民用产品
计算机磁盘基片、录像机磁鼓、激光反射镜 隐形眼睛、光盘、各种天文望远镜 显微镜、光学仪器、复印机等
前沿讲座
超精密加工的意义
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