超精密加工技术综合报告

超精密加工技术综合报告

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摘要：首先引入了超精密加工的定义，其次介绍了超精密加工的分类与加工方法，再对超精密加工的关键技术进行了研究，并举例介绍了超精密加工技术在航天领域的应用，最后概述了超精密加工技术在国内外的发展现状，并在此基础上对该技术进行了一些展望。

关键词：超精密加工加工方法关键技术应用

1.引言[1-3,5,6]

超精密加工是衡量一个国家制造技术水平的重要标志之一。在机械加工领域中，超精密加工往

往被认为是接近极限加工精度的技术。在其发展过程中，随着科技的发展，极限加工精度也在不断提高，从微米、亚微米，直到今天的毫微米级（1nm-0.1nm），即进入到纳米加工的时代。

超精密加工的历史并不长，但由于现代产品性能的提高和科技发展的需要，其发展特别迅速。在超精密加工领域方面，我国与工业先进国家间还存在着较大的差距，为此应加快提高我国超精密加工技术的水平。

超精密加工技术是一门综合技术，涉及许多领域，除机械加工技术(机床、切削工具、工艺)外，还涉及材料，测量，环境条件(洁净度、温度、湿度、振动等)等学科。超精密加工技术也是国家重要光学工程领域、天文研究、航空航天、装备制造产业、汽车、信息技术、微电子和光电子产业等许多领域的核心支撑技术之一。超精密加工装备是尖端制造领域和许多国民经济领域可持续发展的一个重要保障条件，是一个国家国民经济和科学技术综合实力的体现。

超精密加工的产品遍及仪表、电子、光学、家电、机械、天文、军事工业等领域。加工零件的形状除了简单的平面、内外圆柱面、球面外，己扩展到规则曲面、不规则曲面等。加工的材料除了铝、铜等有色金属外，还有光学玻璃、陶瓷、新型复合材料等。此外，黑色金属原来不适于用金刚石刀具进行切削加工，日前，也多有使用。超精密加工的工件可以小到微机械，大到天文望远镜(例如美国的哈勃望远镜)。为提高产品性能，提出了各种加工要求。尤其是对淬火后工件的超精密加工(如超精密透镜注塑模具的型腔加工)，被加工工件表面完整性要求更是当前超精密加工的重要内容。

超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括:超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。

2.超精密加工定义[1,6]

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。由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。

一般认为，当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1 µm，表而粗糙度Ra小于0.025 µ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01 µ m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。

3.超精密加工分类与方法

3.1超精密加工分类[1,2,6]

根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。

（1）去除加工。又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料，是传统的机械加工方法，如车削、铣削、磨削、研磨和抛光等，以及特种加工中的电火花加工、电解加工等，均属这种加工方法。

（2）结合加工。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，它又分为附着、注入和连接三种。

（3）变形加工。又称为流动加工，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。

3.2常用的加工方法[6,7]

根据超精密加工通常包括超精密切削(车削、铣削、刻划等)、超精密磨削、超精密研磨和抛光等，另外广义的超微细加工（如电子束、离子束、激光束加工以及微硅器件的加工、LIGA 技术等）、纳米级以及原子级的加工等也属于超精密加工的范畴。

3.2.1超精密切削

超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，故一般称为金刚石刀具切削或者SPDT。

超精密切削以SPDT技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度，所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小(约20 nm)。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工。随后，加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料等。超精密切削技术也由单点金刚石切削拓展至多点金刚石铣削。

由于金刚石刀具在切削钢材时会产生严重的磨损现象，因此有些研究尝试使用单品CBN,超细晶粒硬金属、陶瓷刀具来改善此问题，但研究成果仍未达到可商业化的阶段。未来的发展趋势是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗。此外，MEMS组件等微小零件的加工需要微小刀具，日前微小刀具的尺寸约可达50-100µm，但如果加工几何特征在亚微米甚至纳米级，刀具直径必须再缩小。其发展趋势是利用纳米材料如纳米碳管来制作超小刀径的车刀或铣刀。综合而言，刀具材料与微细刀具制作问题将是超精密加工未来的一个重要研究课题。

3.2.2超精密磨削

在机械加工的各种方法中，往往以磨削作为终精加工的手段，即用磨削的方法加工出所要求的尺寸精度，形位精度、表面粗糙度和表面加工变质层的零件。在切削加工中，去处的切屑尺寸越小、加工精度也就越高。由于磨削加工工具砂轮是用磨料的许多微小切削刃进行切削，所排除的切屑也极其微小。通过计算可知，切屑的厚度在亚微米级或者更小。从这点看，利用磨削可以完全满足零件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度的要求。并且由于砂轮是多刃工具，同时参与切削的切削刃很多，虽然排除的切屑很小，但加工效率还是很高的。。另外，由于砂轮的硬度很高，磨削应用的范围很广、从软质材料到硬脆非金属材料均可以用磨削加工。

超精密加工发展初期，磨削这种加工方法是被忽略的，因为砂轮中磨粒切削刃高度沿径向分布的随机性和磨损的不规则性限制了磨削加工精度的提高。随着超硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展，超精密磨削技术逐渐成形并迅速发展。