精密和超精密加工的机床设备
超精密加工的机床设备
超精密加工的机床设备摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。
机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。
本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。
关键词：超精密加工机床发展关键技术1.引言制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。
精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。
精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。
目前，国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。
我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。
由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。
2.超精密机床的发展现状2.1国外超精密机床发展现状目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言精密和超精密加工技术在现代制造业中扮演着重要的角色。
为了满足高质量、高精度、高效率的加工需求，机床设备技术不断得到改进和发展。
本文将介绍精密和超精密加工的机床设备技术，并探讨其在制造业中的应用。
1. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在工程加工中，对尺寸精度和表面质量要求较高的加工方法。
精密加工的关键在于机床设备的稳定性、刚性和精度。
以下是精密加工机床设备的几个关键技术：1.1 数控技术数控技术是精密加工中最为关键的技术之一。
通过数控技术，可以实现机床的高精度和高效率加工。
数控技术的应用可以大大提高生产效率，并且减少操作人员的工作强度。
1.2 精密传动系统精密传动系统是精密加工机床设备的核心组成部分。
精密传动系统的设计与制造涉及到轴承、传动装置、伺服驱动装置等多个方面。
通过精确的传动系统，可以提高机床的精度和稳定性。
1.3 线性驱动技术线性驱动技术是现代机床设备中的重要发展方向之一。
相比传统的滚动轴承驱动，线性驱动技术能够实现更高的速度和更高的精度。
线性驱动技术可以用于各种类型的机床设备，包括数控机床和超精密加工机床。
2. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在微米甚至纳米级别下进行加工的技术。
超精密加工在光学、光电子、半导体等领域具有重要的应用。
以下是超精密加工机床设备技术的几个关键技术：2.1 超精密控制系统超精密控制系统是实现超精密加工的关键技术之一。
通过超精密控制系统，可以实现对微小位移和应力的精确控制。
超精密控制系统需要具备高精度、高灵敏度和高稳定性的特点。
2.2 超精密磨削技术超精密磨削技术是超精密加工的核心技术之一。
超精密磨削技术可以实现对工件表面的精确修整和光洁度的提高。
超精密磨削技术需要借助特殊材料和磨削工具，并配合高精度的机床设备。
2.3 超精密检测技术超精密加工过程中，对工件的检测和测量要求非常高。
超精密检测技术可以实现对工件尺寸、形状和表面质量的高精度测量。
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
国外超精密数控机床概述
国外超精密数控机床概述20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，当时因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，急需反射镜的超精密加工技术和超精密加工机床。
人们通过使用当时精度较高的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面切削，以此为起点，超精密加工作为一种崭新的机械加工工艺得到了迅速发展。
1962年，Union Carbide公司首先开发出的利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到士0.6 um，表面粗糙度为Ra0.025um，从而迈出了亚微米加工的第一步。
但是，金刚石超精密车削比较适合一些较软的金属材料，而在航空航天、天文、军事等应用领域的卫星摄像头方面，最为常用的却是如玻璃、陶瓷等脆性材料的非金属器件。
用金刚石刀具对这些材料进行切削加工，则会使己加工表面产生裂纹。
而超精密磨削则更有利于脆性材料的加工。
Union Carbide公司的另一代表性产品是其在1972年研制成功的R-0方式的非球面创成加工机床。
这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角0和半径R，实现非球面的镜面加工。
加工直径达380mm，工件的形状精度为士0.63um，表面粗糙度为Ra0.025 um。
摩尔公司(Mood Special Tool)于1968年研制出带空气主轴的Moori型超精密镜面车床，但为了实现脆性材料的超精密加工，该公司又于1980年在世界上首次开发出三坐标控制的M-18AG型超精密非球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床。
该机床采用空气主轴，回转精度径向为0.075pm；采用Allen-Braley 7320数控系统；X，Z 轴行程分别为410mm和230mm，其导轨的平直度在全长行程范围内均在0.5um以内，B轴的定位精度在3600范围内是0.38um；采用金刚石砂轮可加工最大直径为356mm的各种非球面的金属反射镜。
精密和超精密加工的机床设备
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缺点：电机发热，容易使主轴产生热变形。
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措施：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。
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将机床主轴与电机轴合二为一，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，期间不再使用皮带或齿轮传动副，也称电主轴。
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轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。 各油腔之间开有回油槽。 用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。 油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般为0.02～0.04mm。 油泵供油压力为ps，油液经节流器T进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。 当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。 当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。
立式空气轴承
特点： 下止推面大于上止推面，平衡主轴重量； 圆弧面径向轴承，自动调心、提高精度。
三、超精密机床主轴和轴承的材料
要求：不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。 主要材料：轴和轴套均采用38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理；不锈钢、多孔石墨和轴承钢；此外还有铟钢、花岗岩、线膨胀系数接近零的微晶玻璃、陶瓷等。
缺点：
圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承
结构与液体静压轴承主轴结构基本相同，只是节流孔和气腔大小形状不同。要求有很高的同轴度和垂直度。 1号车床的径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。轴套的外表面做凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴鼓为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。
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
精密和超精密加工技术的发展
精密和超精密加工技术的发展我国目前已是一个“制造大国”,制造业规模名列世界第四位,仅次于美国、日本和德国,近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。
但我国还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大差距。
目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术。
为了使我国的国防和科技发展不受制于人,我们必须投入必要的人力物力,自主发展精密和超精密加工技术,争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。
下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。
精密机床技术的发展精密机床是精密加工的基础。
当今精密机床技术的发展方向是:在继续提高精度的基础上,采用高速切削以提高加工效率,同时采用先进数控技术提高其自动化水平。
瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统,成为一台加工中心;同时为实现高速切削,已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。
瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达5μm,已达到过去坐标镗床的精度。
从这两台机床的性能可以看出,现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。
使用金刚石刀具的超精密切削技术超精密切削技术的进展金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份,不少国防尖端产品零件:如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等:都需要利用金刚石超精密切削来加工。
使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。
超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm。
超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在0.5,0.01μm。
因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为困难,现在已可用原子力显微镜:AFM:方便地进行测量。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第4章精密和超精密加工的机床设备
第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
3.中国精密机床和超精密机床的发展情况 1987年北京机床研究所研制成功加工球面的JSC027型超精密车床。后来又研制成功JSC-035型数控 超精密车床。1998年,北京机床研究所制成的加工直 径800mm的NAM-800型CNC超精密金刚石车床(图 4-1)和SQUARE-200型等超精密铣床,哈尔滨工业大 学研制成加工直径300mm的CNC超精密车床, 2006 年,哈尔滨工业大学研制成加工KDP晶体的大平面超 精密飞刀切削机床(图4-2)。
第4章 精密和超精密加工的机床设备
4.1 精密和超精密机床发展概况及 4.2 典型超精密机床的简介 4.3 精密主轴部件
4.4 床身和精密导轨部件 4.5 进给驱动系统 4.6 微量进给装置
4.7 机床运动部件位移的激光在线检测系统 4.8 机床的稳定性和减振隔振
4.9 减少变形和恒温控制
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第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
2.日本提出的“超超精密机床”规划 日本也在原来超精密机床的基础上,再进一步 规划更高精度的机床。按日本的提法,也就是 研制“超超精密机床”。表4-2是日本提出 的该规划的各项指标。 该规划主要围绕提高超精密机床精度性能而 提出的设想,共有13个子课题,并已在20世纪 内完成。该规划是以纳米级精度作为目标的。
2020/12/29
第1节 精密和超精密机床发展概况
二、超精密机床进一步发展的规划
表4-1是POMA规划对精度的具体要求,该规 划已经实现。例如,美国Moore公司现在生产 的Nanotech-500FG五轴数控超精密机床的 主要精度指标都已达到上述要求。
精密和超精密加工技术
《精密和超精密加工技术》学习总结11机械1班 2011411011070. 引言精密和超精密加工技术不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还影响着国家的机械制造业的国际竞争力，因此，全球各国对此十分重视！本文就从超精密切削、精密和超精密磨削、精密研磨与抛光、精密加工的机床设备和外部支撑环境、微纳加工技术等相关的超精密加工技术进行研究与总结。
1. 超精密切削超精密切削是国防和尖端技术中的重要部分，受到了各国的重视和发展。
一、超精密切削的切削速度选择超精密切削所使用的刀具是天然单晶金刚石刀具，它是目前自然界硬度最高的物质，具有耐磨性好、热传导系数高和有色金属间摩擦系数小。
因此，在加工有色金属时，切削温度低，刀具寿命很高，亦可使用1000-2000m/min的高速切削。
而这一点（切削速度并不受刀具寿命的制约）是和普通切削规律不同的。
超精密切削的速度选择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所决定的，即选择振动最小的转速。
换而言之，要高效地切削出高质量的加工表面，就应该选择动特性好，振动小条件下最高转速的超精密机床。
例如沈阳第一机厂圣工场的SI-255液体静压主轴的超精密车床在700-800r/min时振动最大，故要避开该转速范围，选择低于或者高于该速度范围进行切削，则可得到较好的加工表面。
二、超精密切削时刀具的磨损和寿命天然单晶金刚石刀具超精密切削应用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料，比如激光反射镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘等。
判断金刚石刀具是否破损或磨损而不能继续使用的标准是根据工件加工的表面粗糙度有无超过规定值。
而金刚石刀具的切削路程的长度则是其寿命长短的标志。
倘若切削条件正常，刀具的耐用度可达数百千米。
但是在实际使用中，金刚石刀具常是达不到这个耐用度，因为加工过程中切削刃会产生微小崩刃而不能继续使用，而这主要是由于切削时的振动或切削刃的碰撞引起的。
因此，金刚石刀具只能使用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，而刀具的维护对机床的要求亦是如此。
04精密与超精密加工技术
微量进给装置二
压电陶瓷式微进给装置
1—刀夹 2—机座 3—压电陶瓷 4—后垫块 5—电感测头 6—弹性支承
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。
1、去除加工（分离加工）
从工件上去除一部分材料。
超精密切削加工形面示例 （图为各种镜面切削加工的形面）
2、结合加工
利用物理和化学方法，将不同材料结合在一起。 利用物理和化学方法，将不同材料结合在一起。按结合的 机理、方法、强弱等，分为附着、注入和连接三种。 机理、方法、强弱等，分为附着、注入和连接三种。
3、变形加工（流动加工）
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。
3.3.2 超精密切削加工
超精密切削对刀具的要求 • 极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证 刀具寿命和尺寸耐用度； • 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超 薄的切削厚度； • 刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面； • 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。
3、精密与超精密加工的应用与进展
美国是研究最早的国家，处于世界领先地位，以 民品应用为主要对象 英国的克兰菲尔德精密工程研究所有较高声誉 日本起步较晚，发展最快，以发展国防尖端技术 为主要目标。 我国在70年代末期有长足进步，80年代中期出现 了具有世界水平的超精密机床和部件
二、 超精密加工方法
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、 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
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术1. 简介精密和超精密加工技术在现代制造业中起着至关重要的作用。
为了实现高精度和高表面质量的加工需求，针对性的机床设备技术得到了广泛的应用。
本文将介绍精密和超精密加工所需的机床设备技术。
2. 精密加工的机床设备技术精密加工是指在加工过程中，控制加工误差在较小范围内的一种加工方式。
想要实现精密加工，需要借助一系列的机床设备技术。
2.1 高精度机床高精度机床是实现精密加工的基础设备。
在高精度机床中，采用了高刚性的机床结构，以及高精度的导轨和滚珠丝杠等传动装置。
此外，还需要使用高精度的测量系统来监测加工过程中的误差，从而实现对加工精度的控制。
2.2 高精度传动系统在精密加工中，传动系统的精度直接影响到加工结果的质量。
传统的机床传动系统中常使用链式传动、皮带传动等方式，但这些方式的精度较低。
为了实现高精度传动，现代机床采用了蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动等方式，这些传动方式具有较高的传动精度和刚性。
2.3 高精度数控系统数控系统在精密加工中起到了重要的作用，它能够实现对加工过程中各个工艺参数的准确控制。
高精度的数控系统可以提供更精确的位置控制，从而保证加工结果的高精度。
3. 超精密加工的机床设备技术超精密加工是指在纳米尺度下进行的精密加工，其加工精度要求更高。
超精密加工需要采用更为先进的机床设备技术。
3.1 纳米机床纳米机床是实现超精密加工的关键设备。
它具有更高的刚性和稳定性，以及更高的位置精度和热稳定性。
纳米机床采用了新的材料和结构设计，以满足超精密加工的要求。
3.2 纳米传感器和测量技术在超精密加工中，需要更加精确的测量和控制技术。
纳米传感器和测量技术可以实时测量加工过程中的各种参数，包括加工力、温度、振动等，从而实现对加工过程的准确控制。
3.3 纳米控制系统超精密加工中的控制系统需要具备更高的精度和快速响应能力。
纳米控制系统采用了更高精度的位置控制算法，并配备了更先进的控制器，能够实现对加工过程中微小误差的实时调整。
精密加工及精密加工机床
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2.2
Nanoform250超精密加工系统
既能进行超精密车削，又能进行超精密磨削，还能进行超精密抛光，能 直接磨削出满足光学表面质量和面型精度的硬脆材料的光学零件。最大加工 工件直径Ф250mm,通过一个升高装臵，可使机床的最大加工工件直径达到 Ф450mm,另外通过控制垂直方向的液体静压导轨(Y轴)，还能够磨削非轴对称 的零件。ONs实时操作数控系统的直线编程精度为0.01 nm，角度编程精度为 度 10 7 度，直线静压导轨的位臵反馈分辨率0.016nm，进给速率为 4000mm/min，加工工件的面型精度小于0.1μm，表面粗糙度Ra优于lnm。
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OAGM 2500大型超 精密机床
2.3
国内超精密机床现状
我国北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之 一。2002年为军工某单位开发研制的“SPHER200C超精密球面加工机 床”，薄壁(1mm)球面零件的批量加工表面粗糙度达Ra10nm,最好件可 达3nm。哈尔滨工业大学成功研制了HCM-l亚微米超精密加工机床。加工 的零件精度0.2 m,表面粗糙度优于Ra0.02m。航空航天工业部303所、 清华大学、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技 大学等都进行y Logo
2.误差补偿系统的组成
1）误差信号的检测
2）误差信号的处理
3）误差信号的建模
计算机控制系统
4）补偿控制
5）补偿执行机构
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误差补偿系统组成示意图 1－误差信号检测 2－误差信号处理 3－误差信号建模 4－补偿控制 5－补偿执行机构
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四、超精密机床的工作环境
精密加工超精密加工和细微加工
超净：在未经净化的一般环境下，尘 埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小 于1µm，也有不少直径在1µm以上甚 至超过10µm的尘埃。这些尘埃如果落 在加工表面上，可能将表面拉伤；如 果落在量具测量表面上，就会造成操 作者或质检员的错误判断。因此，精 密加工和超精密加工必须有与加工相 对应的超净工作环境
则可达0.02µm 金刚石精密切削铜和铝时
v＝200~500m/min αp＝0.002~0.003mm f＝0.01~0.04mm/r。
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2．精密磨削及金刚石超精密磨削 精密磨削是指加工精度为1~0.1m，
Ra为0.16~0.006m的磨削方法；而 超精密磨削则是指加工精度高于 0.1m，Ra<0.04 ~0.02m的磨削方 法
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细微加工技术是指制造微小尺寸零 件、部件和装置的加工和装配技术， 属精密、超精密加工的范畴。其工 艺技术包括：精密和超精密的切削 与磨削方法；绝大多数的特种加工 方法；与特种加工有机结合的复合 加工方法等三类
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常用的细微加工方法及其应用参见 表5-15
电子束曝光光刻加工过程
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制和工艺过程优化等生产自动化技术
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四、常用的精密加工和超精密加工和细 微加工方法
采用金刚石刀具对工件进行超精密的微 细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、 研磨、抛光、精密和超精密磨削等
采用电化学加工、三束加工、超声波加 工等特种加工方法及复合加工
微细加工是指制造微小尺寸零件的生产 加工技术
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
精密和超精密磨削机理
精密和超精密磨削机理摘要阐述了精密磨削与超精密磨削的机制，介绍了近年来精密与精密磨床的发展概况以及精密与超精密磨削技术的研究现状。
在分析了精密磨削与超精密磨削的发展趋势基础上提出了研究应关注的几个热点问题，如超精密磨削的基本理论和工艺研究、研制高精度的驱动导向机构、ELID 镜面磨削技术的攻关以及适用于超精密加工的新型材料。
关键词超精密磨削原理发展精密加工是指在一定发展时期中，加工精度和表面质量相对于一般加工能够达到较高程度的加工工艺，当前是指被加工零件的加工尺寸精度为1~0.1μm、Ra为0.2~0.01μm的加工技术；超精密加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺，当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm、Ra≤0.025μm的加工技术。
因此，一般加工、精密加工和超精密加工会随着科技的不断发展像更精密的方向发展。
随着电子技术、计算机技术以及航天技术的飞速发展，对加工质量的要求越来越高，故而使精密和超精密加工占有十分重要的地位。
一超精密磨削技术的内涵精密磨削主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚石修整工具以极小而又均匀的微进给(10~15μm/ min）获得众多的等高微刃，加工表面磨削痕迹微细，最后采用无火花光磨。
由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要求。
高精密磨削的切屑很薄，砂轮磨粒承受很高的应力，磨粒表面受高温、高压作用，一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮磨削。
高精密磨削除有微切削作用外，还可能有塑性流动和弹性破坏等作用。
光磨时的微切削、滑移和摩擦等综合作用更强。
超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法。
超精密磨削去除量最薄，采用较小修整导程和吃刀量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等高微刃磨削作用，并采用较小的磨削用量磨削。
超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的工作环境。
超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质。
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。
精密和超精密加工的机床设备技术
精密和超精密加工的机床设备技术引言机床技术在现代制造业中起着至关重要的作用。
随着科学技术的发展，精密和超精密加工已成为现代制造业中的重要环节。
本文将着重介绍与精密和超精密加工相关的机床设备技术，包括其定义、分类、特点、应用场景等内容。
定义精密加工是指通过机床设备对工件进行高度精确的加工过程。
而超精密加工则是相对于精密加工而言，更加高精确度的加工过程。
精密和超精密加工的出现，极大地推动了现代制造业的发展，使得产品的质量和精度得到了极大的提高。
分类精密加工精密加工可以分为多个子类，主要包括： - 数控机床 - 高速加工机床 - 超精密加工机床数控机床数控机床采用计算机控制系统，可以实现对工件进行高度准确的加工。
它的主要特点包括： - 加工精度高：数控机床可以实现微米级的加工，大大提高了产品的精度。
- 生产效率高：数控机床的自动化程度高，加工速度快，从而提高了生产效率。
- 多功能性强：数控机床可以通过调整其控制系统，实现不同种类产品的加工。
高速加工机床高速加工机床是指能够实现高速切削加工的机床设备。
其主要特点包括： - 加工速度快：高速加工机床的切削速度可以达到一定的高速，从而提高了加工效率。
- 表面质量高：切削速度快、负荷小，使得加工表面的质量得到了保证。
- 刀具寿命长：高速加工机床在切削时产生的热量较少，可以降低刀具的磨损，从而延长刀具的使用寿命。
超精密加工机床超精密加工机床是指能够实现亚微米级精度的加工机床。
其主要特点包括： -高精密度：超精密加工机床的加工精度可以达到亚微米级别，满足对于高精度产品的需求。
- 低热变形：超精密加工机床可以有效降低加工过程中产生的热量，从而减少工件因热膨胀而引起的变形。
- 光滑表面：超精密加工机床可以实现对工件表面的高度光滑加工，满足对于高光洁度产品的需求。
超精密加工•超精密加工器械•超精密切削特点精密和超精密加工的机床设备具有以下特点：1.高精度：机床设备的设计和制造严格遵循高精度要求，以确保加工过程的精确性和稳定性。
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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三、精密超精密机床类型和精度指标
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二、典型机床简介
Moore 车床
由Moore 3型坐标测量机改 造而成。采用卧式主轴， 三坐标精密数控，消振和 防振措施，加强恒温控制等。 M-18AG型超精密非球面车床， 基本结构同Moore 3，采用空 气静压轴承主轴、气浮导轨、 双坐标双频激光测量系统、 优质铸铁床身，有恒温油浇 淋机和空气隔振垫支承。
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在滑动轴承与轴颈表面之间输入 高压润滑剂以承受外载荷，使运动副 表面分离的润滑方法成为流体静压润 滑。
止推轴承（推力轴承）
轴承座
Fa
径向轴瓦 止推轴瓦
径向轴承（向心轴承） Fr
止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行
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径向轴承的受力Fr 与轴的中心线垂直
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第1节 精密和超精密机床发展概况 及典型机床简介
二、典型机床简介
Union Carbide 公司 的半球机床
能加工直径100mm的半球，达到尺寸精
度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。
精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成 轴衬，径向空气轴承的外套可以调整 自动定心，可提高前后轴承的同心度， 以提高主轴的回转精度。
Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
第4章 精密和超精密加工的机床设备
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3.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床 简介
3.2 精密主轴部件 3.3 床身和精密导轨部件 3.4 进给驱动系统 3.5 微量进给装置 3.6 机床运动部件位移的激光在线检测系 3.7 机床的稳定性和减振隔振 3.8 减少变形和恒温控制
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二、典型机床简介
Pneumo 公司的MSG-325超精密车床 采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向
跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导 轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的 双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪 精密检测位移。
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二、典型机床简介
DTM-3大型超精密车床 采用精密数控伺服方
式，控制部分为内装式 CNC装置和激光干涉测长 仪，精确测量定位，在 DC伺服机构内装有压电 微位移机构，实现纳米 级微位移。
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二、典型机床简介
大型光学金刚石车床LODTM
机床采用立式结构，采用止 推轴承，7路高分辨力双频激光 测量系统，4路激光检测横梁上 溜板的运动，3路激光检测刀架 上下运动位置，使用在线测量 和误差补偿，各发热部件用大 量恒温水冷却，用大的地基， 地基周围有防振沟，且整个机 床用4个大空气弹簧支承。
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二、典型机床简介
OAGM 2500大型超精密机床 机床的x和y向导轨采用液 体静压，z向的磨轴头和 测量头采用空气轴承。床 身采用型钢焊接结构，用 精密数控驱动，双频激光 测量系统检测运动位置。
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二、典型机床简介
AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床
作台、床身等基础零件，液体淋浴或空气淋浴控 制温度 ➢ 抗振性：材料，隔离振源，缩短传动链或改用柔 性连接 ➢ 控制性能好：数控 ➢ 模块化设计
第2节 精密主轴部件
一、主轴轴承 主轴回转精度
回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下， 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动的大小。
0.005um，加工表面粗糙度Ra0.003um，温 控精度为20± 0.0005℃。
四、精密超精密机床结构特点
➢ 高精度：静态和动态精度，主要部件的材料，轴 承，工作台和刀架，微进给（电致伸缩、磁致伸 缩，弹性元件等），闭环控制系统
➢ 高刚度：受力变形对加工精度影响 ➢ 高稳定性：热导率低，热膨胀系数小的材料做工
影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。
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主轴轴承
➢ 高精度滚动轴承 ➢ 液体滑动轴承 ➢ 空气滑动轴承 ➢ 陶瓷轴承 ➢ 磁悬浮轴承
（一）、滑动轴承的分类
• 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦 状态，滑动轴承可分为:
类型：普通（各种精密超精密车、铣等）、专 用（磁盘超精密车床） 按工艺方法：超精密车床、超精密铣床、超精 密磨床、超精密研磨机、超精密抛光机床、超 精密特种加工机床、精密和超精密加工中心等
精度指标：目前，主轴回转精度为0.025um， 导轨直线度为1000000:0.025，定位精度为 0.013um/1000um，进给分辨率为
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第1节 精密和超精密机床发展概况 及典型机床简介
一、发展概况
精密机床是实现精密加工的首要基础条件。 1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切 削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机 床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床 DTM－3型和LODTM大型超精密车床。 2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床 OAGM2500。 3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有 一定的优势，甚至超过了美国。 4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密 铣床、JCS－035超精密车床等。
液体摩擦轴承
液体动压润滑轴承 液体静压润滑轴承承受载荷的方向可分为:
径向滑动轴承（向心） 推力滑动轴承（止推）
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根据润滑膜的形成原理不同分为：
动压润滑轴承
静压润滑轴承
利用相对运动副表面的相对运动 和几何形状，借助流体粘性，把润滑 剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的 流体压力膜，将运动副表面分开的润 滑方法为流体动压润滑。