精密与超精密加工技术.ppt

2.2精密与超精密加工的主要方法
1、 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）
金刚石砂轮
（铁纤维结合剂）
电源
电刷
冷却液
＋－
进给
冷却液
图2-8 ELID磨削原理
使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂 轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削 力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解 修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
Ra ＜0.02μm
雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm Ra ＜0.02μm
卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜0.01μm
Ra ＜0.002μm
天体望远镜 形状误差 ＜ 0.03μm
Ra ＜0.01μm
精密加工与超精密加工的发展（图2-1）
2.1 概 述
加工误差（μm）
102 101 100 10-1 10-2 10-3
1140 1020 640 720
2.2精密与超精密加工的主要方法
金刚石刀具
超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石
金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、
十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和
六根2次对称轴（图2-4）。
L4 （100）
L2
L3
（111）
（110）
与高新技术产品紧密结合 精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一 特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车 床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。 与自动化技术联系紧密 广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技 术，以减小人的因素影响，保证加工质量。
加工与检测一体化
先进制造技术导论
第二章 精密与超精密加工技术
第二章 精密与超精密加工技术
2.1 概述
2.1.1 精密与超精密加工的定义 2.1.2 精密与超精密加工的地位 2.1.3 精密与超精密加工的分类 2.1.4 精密与超精密加工的特点
2.2 精密与超精密加工的主要方法
2.2.1 金刚石刀具镜面切削 2.2.2 精密与超精密磨削 2.2.3 超精密研磨与抛光
6.4 6.4
6. 4
A-A 60
10 B-B
60

图2-6 金刚石刀具角度
2.2精密与超精密加工的主要方法
金刚石车床 图2-7 金刚石车床及其加工照片
加工4.5mm陶瓷球
2.2精密与超精密加工的主要方法
2.2.2精密与超精密磨削 在工具和模具制造中，磨削是保证产品的精度和质量的 最后一道工序，在磨削脆性材料时，由于材料本身的物理特 性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后的表面比较粗糙。在某 些应用场合如光学元件，这样的粗糙表面必须进行抛光，它 虽能改善工件的表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛 光后经常会降低。为了解决这一矛盾，在80年代末日本和欧 美的众多公司和研究机构相继推回了两种新的磨削工艺：塑 性磨削（Ductile Grinding）和镜面磨削（Mirror Grindin g）。
精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精 密与超精密加工的关键。
2.2精密与超精密加工的主要方法
2.2.1金刚石刀具镜面切削 机理、特点
切削在晶粒内进行 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表 层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 应用 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作 用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投 影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等
2.2精密与超精密加工的主要方法
镜面磨削 顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是 磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能 力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削 的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝 和钼等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所的 Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法ELID （Electrolytic In-Process Dressing）。
◎ 在 距 离 大 的 （ 111 ） 面之间，只需击破一个 共价键就可以劈开，而 在 距 离 小 的 （ 111 ） 面 之间，则需击破三个共 价键才能劈开。
劈开面
◎在两个相邻的加强 （ 111 ） 面 之 间 劈 开 ， 可得到很平的劈开面， 称之为“解理”。
图2-5 （111）面网C原子分布 和解理劈开面
主轴径向圆跳动 / μ m
主轴轴向圆跳动 / μ m
滑台运动的直线度 / μ m
横滑台对主轴的垂直度 / μ m
主轴前静压轴承（φ100mm）的刚 径向
度 /（N/μm）
轴向
主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度 /（N/μm）
纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm）
400×200 5000～10000 5000 0. 1～0.01 ≤0. 2/100 ≤0. 1 ≤0. 1 ≤1/150 ≤2/100
精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命 中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工 误 差 从 60μm 降 至 12μm ， 发 电 机 压 缩 效 率 从 89% 提 高 到 94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍
2.3 超精密加工的设备与环镜
2.3.1 超精密加工的设备 2.3.2 超精密加工的环境
2.1 概 述
2.1.1精密与超精密加工的定义
精密加工 —— 在一定的发展时期，加工精度和表面 质量达到较高程度的加工工艺。
超精密加工 —— 在一定的发展时期，加工精度和表 面质量达到最高程度的加工工艺。
瓦特改进蒸汽机 —— 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 —— 最高精度 1μm 20 世纪 末 —— 精密加工：≤0.1μm，Ra ≤0.01μm（亚微米加工） 超精密加工：≤ 0.01μm ，Ra≤ 0.001μm（纳米加工） 微细加工 —— 微小尺寸的精密加工 超微细加工 ——微小尺寸的超精密加工
1900
普通加工
加工设备 车床,铣床
精密车床 磨床
测量仪器 卡尺
百分尺 比较仪
精密加工
坐标镗床 坐标磨床
气动测微仪 光学比较仪
金刚石车床 光学磁尺
精密磨床
电子比较仪
超精密加工
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
离子束加工 扫描电镜
分子对位加工 电子线分析
a）4 次对称轴 和（100）晶面
b）2 次对称轴 和（110）晶面
c）3 次对称轴 和（111）晶面
图2-4 八面体的晶轴和镜晶面
2.2精密与超精密加工的主要方法
金刚石晶体的面网距和解理现象
◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。
◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网 的面间距一宽一窄（图2-5）
1920 1940 1960 1980 2000
年份
仪
图2-1 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）
2.1 概 述
2.1.2精密与超精密加工的地位
精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志
例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路 最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm
2.2精密与超精密加工的主要方法
关键技术
刀具夹持器 刀具 工件 主轴
加工设备
要求高精度、高刚度、 回转工作台 良好稳定性、抗振性及 数控功能等。
传动带
如 美 国 Moore公 司 M18AG 金 刚 石 车 床 ， 主
轴采用空气静压轴承， 转速5000转/分，径跳＜ 0 . 1 μm ； 液 体 静 压 导 轨 ， 直线度达 0.05μ/100mm； 数控系统分辨率0.01 μ。
主轴电机 空气垫
图2-2 Moore金刚石车床
2.2精密与超精密加工的主要方法
T形布局（图2-3）
车床主轴装在横向 滑台（X轴）上， 刀架装在纵向滑台 （Z轴）上。可解 决两滑台的相互影 响问题，而且纵、 横两移动轴的垂直 度可以通过装配调 整保证，生产成本 较低，已成为当前 金刚石车床的主流 布局。
精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点
精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术， 其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展
2.1 概 述
2.1.3精密与超精密加工分类
分类
加工机理
加工方法示例
去除加工
电物理加工
电火花加工（电火花成形，电火花线切割）
电化学加工
电解加工、蚀刻、化学机械抛光
2.2精密与超精密加工的主要方法
2、塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材 料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后 工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。
2.1 概 述
几种典型精密零件的加工精度（表2-1）
表2-1 几种典型精密零件的加工精度
零件
加工精度
表面粗糙度
激光光学零件 形状误差 0.1μm
Ra 0.01～0.05μm
多面镜
平面度误差 0.04μm
Ra ＜0.02μm
磁头
平面度误差 0.04μm
Ra ＜0.02μm
磁盘
波度 0.01 ～0.02μm
X轴滑台
主轴
刀架 z轴滑台
光路护罩
基座
周缘 护板
图2-3 T形布局的金刚石车床
2.2精密与超精密加工的主要方法
金刚石车床主要性能指标（表2-3）
表2-3 金刚石车床主要性能指标
最大车削直径和长度 /mm
最高转速 r/mm
最大进给速度mm /min
数控系统分辩率 /μm
重复精度(±2σ) / μ m
热物理 化学
激光焊接、快速成形 化学粘接
热流动
变形加工 粘滞流动 分子定向
精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工 精密铸造、压铸、注塑 液晶定向
表2-2 精密与超精密加工分类
2.1 概 述
2.1.4精密与超精密加工特点 “进化”加工原则
直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通 过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于 单件、小批生产。 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生 产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用 于批量生产。
力学加工
切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工
热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工
化学 附着加工 电化学
热熔化
化学镀、化学气相沉积 电镀、电铸 真空蒸镀、熔化镀
化学
结合加工
注入加工
电化学 热熔化
力物理
氧化、氮化、活性化学反映 阳极氧化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长 离子注入、离子束外延
连续加工
2.2精密与超精密加工的主要方法
金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）
金刚石刀具角度（图2-6）
单晶金刚石
6. 4
450
120 R=1.6～4.8
R 350
AA
R=0.5～1.2 50 B
R 110～1200 B
微量切削机理 背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切 削机理完全不同。
特种加工与复合加工方法应用越来越多 传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采 用新的方法。
2.1 概 述
形成综合制造工艺 要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工 设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复 杂的系统工程，难度较大。
2.2精密与超精密加工的主要方法
ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂 轮，应用范围几乎可以覆盖所有的工件材料。它最适合于加 工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达Rq1nm的水平，即使 在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。 ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用 场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工各种泵的陶瓷 密封圈，传统的工艺是先磨再抛光，采用ELID磨削，只需一 道工序，既节约时间又节省投资。 ELID磨削虽有上述优点， 但在某些应用场合也有一些缺点。比如在摩削玻璃时，如果 采用较大的粒度（2μm），由于砂轮的磨粒连续更替，部分 磨粒不断脱离结合剂而成为自由磨粒，这些磨粒在工件与砂 轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在工件表面上造成局部的 无规则的刻痕，其深度有时能超过磨料的半径。