《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
第四章 精密和超精密加工机床 管文 编著
Nanosys-1000机床系统的特点是： （1）床身本体设计成整体类龙门框架结构，具有高刚性、高稳 定性及安装、维修、工件装卸、加工运行易操作性特点。 （2）机身整体坐落在4主动式隔振气垫上，形成动力学 3 支撑， 可随着加工中重心改变自动调水平；隔振气垫下的机床地基设 计成具有横向隔离的重力型减振形式；机床重心及工件刀具加 工点设计在接近支持平面的位置，以最小化床身姿态变化扰动 影响。 （3）机床主轴、导轨均采用液浮静压轴承，并根据工作状态， 主轴采用低阻尼，导轨采用高阻尼油；Z垂直导轨托板设计成无 干涉气浮重力平衡机构。 （4）机床坐标测量采用衍射光栅测量系统；机床采用 PC与多 轴运动控制器构成的开放式数控系统。 （5）机床本体、主轴采用了无脉动重力型水冷恒温；液压源采 用恒温、恒压、脉动滤波技术和装置。
（1）NAM-800型纳米数控车床是1998年北京机床研究所制成， 见图4-9。其主要性能指标见表4-5。
图4-9 NAM-800型CNC超精密金刚石车 床 表4-5 NAM-800型纳米数控车床主要技术性能
（2）航空航天工业303所研制的非球面曲面超精密加工机 床车削加工样件的面形精度 PV= 0.228μm，表面粗糙度 Ra=0.0078μm。303所研制的JCS-031超精密金刚石铣床的 技术指标如表4-6。
表4-2 几种典型的超精密机床技术性能指标
精密和超精密加工技术课程教学大纲
精密和超精密加工技术课程教学大纲(总8页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《精密和超精密加工技术》课程教学大纲（一）课程基本描述课程名称：精密和超精密加工技术英文译名：Precision and Ultraprecision Machining Technology课程学时：32 学时适用专业：机械设计制造及其自动化教材：袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社，2006年教学参考书：王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社，2001年刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社，1991年（二）课程的性质、研究对象及任务精密和超精密加工技术是机械制造业中最重要的部分之一。
它不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，而且还影响机械产品的精度和表面质量影响产品的国际竞争力，世界各国都把它作为先进制作技术中优先发展的内容，高等院校的机制专业是较老的学科，随着新技术的应用，此专业也应与时俱进开设该课程。
本课程研究对象是精密和超精密加工技术的基本理论、加工工艺、加工设备、测量技术及环境技术等。
本课程的主要任务是培养学生：1、建立起精密和超精密加工技术的基本概念，了解精密和超精密加工技术的应用范围。
2、掌握精密和超精密加工技术的基本理论和基本技术，具有选择和应用精密和超精密加工工艺和设备的基本能力。
3、了解精密和超精密加工技术的最新发展趋势，新理论和新技术。
培养学生在相关技术领域从事精密和超精密加工工作和研究的能力。
（三）教材的选择与分析精密和超精密加工技术是一门正在不断发展的新技术，国内外有关的教材和书籍不是很多，一些专著也不完全适合作教材。
目前国内可供选择的教材有：袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社；王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社；刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社。
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
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
精密和超精密加工技术
第一章精密和超精密加工技术及其发展展望精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。
什么叫精密加工？加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。
什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。
以下哪些是精密和超精密加工的分类？A.去除加工；B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工；F.特种加工；G.复合加工；影响精密与超精密加工的因素有哪些？加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境等。
我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。
第二章超精密切削与金刚石刀具举例说明超精密切削的应用范围有哪些？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、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
超精密切削速度是如何选择的？超精密切削实际速度的选择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。
金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。
第二章超精密切削与金刚石刀具•举例说明超精密切削的应用范围有哪些？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、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
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。
精密与超精密加工技术课件
珩磨效果受到多种因素的影响 ，如磨石的粒度、粘结剂的类 型、珩磨头的转速和压力等。
电解加工工艺
电解加工工艺概述
电解加工是一种利用电化学反应去除 工件材料的加工方法，具有加工精度 高、表面质量好等特点。
电解加工工艺流程
电解加工工艺通常包括工件表面处理 、电解液的选择和调整、电解加工设 备的设置以及加工参数的控制等步骤 。
、汽车和航空领域。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和 耐高温等特点，常用于制造刀具、 磨具和高温部件。
复合材料
复合材料由两种或多种材料组成， 具有优异的综合性能，如碳纤维复 合材料具有高强度和轻质的特点。
复合材料
玻璃纤维复合材料
玻璃纤维复合材料具有高 强度、高刚性和耐腐蚀等 特点，广泛应用于建筑、 船舶和汽车领域。
抛光效果受到抛光轮的材料、转速、抛光膏或抛光液的成分以及抛光 压力等因素的影响。
珩磨工艺
珩磨工艺概述
珩磨是一种利用珩磨头上的磨 石与工件表面进行摩擦，以去 除表面微小凸起和划痕的加工
方法。
珩磨材料
珩磨头上的磨石由硬质颗粒和 粘结剂组成，具有较高的硬度 和耐磨性。
珩磨工艺流程
珩磨工艺通常包括工件表面处 理、涂敷润滑剂、珩磨头的旋 转运动以及工件的往复运动等 步骤。
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料具有高强 度、轻质和耐高温等特点 ，常用于制造航空器和体 育用品。
金属基复合材料
金属基复合材料以金属为 基体，加入增强纤维或颗 粒，以提高材料的强度、 刚度和耐磨性。
04
精密与超精密加工工艺
研磨工艺
研磨工艺概述
研磨材料
研磨是一种通过研磨剂去除工件表面微小 凸起和划痕的加工方法，以达到平滑表面 的效果。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第3章精密磨削和超精密磨削
2018/3/11
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
磨料及其选择
超硬磨料制作的磨具在以下几方面能够满足精密加工和超精密加工 的要求,因此使用广泛。
1)磨具在形状和尺寸上易于保持,使用寿命高,磨削精度高。
2)磨料本身磨损少,可较长时间保持切削性,修整次数少,易于保持精度。
3)磨削时,一般工件温度较低,因此可以减小内应力、裂纹和烧伤等缺
磨具的形状和尺寸及其基体材料
根据机床规格和加工情况选择磨具的 形状和尺寸。 基体材料与结合剂有关。
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第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨具分类
根据涂覆磨具的形状、基底材料和工作条件与用途等,分类见下表
涂 覆 磨 具
工 作 条 件
基 底 材 料
形 状
耐 水 (N)
2018/3/11
精密砂带磨削：砂带粒度F230～F320，加
工精度1μm，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精 度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。
2018/3/11
第1节 概述
一、精密和超精密加工分类
游离磨料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。
第3章 精密磨削和超精密磨削 3.1 概述
3.2 精密磨削 3.3 超硬磨料砂轮磨削
3.4 超精密磨削
3.5 精密和超精密砂带磨削
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第1节 概述
精密和超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒和 微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工,得到高 加工精度和低表面粗糙度值。对于铜、铝及其 合金等软金属,用金刚石刀具进行超精密车削是 十分有效的,而对于黑色金属、硬脆材料等,用 精密和超精密磨料加工在当前是最主要的精密 加工手段。
精密与超精密加工技术精密与超精密加工实验报告
实验一：曲面V沟槽阵列数控加工一．实验目的利用砂轮加工出零部件表面的微细结构，从而可附加零件表面更多的功能特性，产生更高的附加值。
二、实验内容：1、V型砂轮修整2、曲面设计3、数据刀具轨迹设计三、实验仪器金钢石砂轮、计算机、CNC磨床、油石四、实验过程及步骤1、V型砂轮修整：首先采用数据对磨修整得方法将平型金刚石砂轮修整成V型尖端。
根据砂轮所需要修整形成的形状，令其表面上的任一点都为砂轮与磨石的切点，再根据该切点与砂轮中心点的相对位置即可计算出砂轮的移动轨迹，最后用matlab进行砂轮轨迹计算和优化，即可将砂轮修整为所需要的形状。
2、曲面设计：曲面上的每一个点都有对应的坐标，曲面可视为许多点的集合，点的数量越多，拟合的曲面精度越高。
3、数据刀具轨迹设计：计算出每一点的坐标后，令V型砂轮上的点与之相切，再根据切点在V型砂轮上的位置与砂轮中心点的相对位置计算出砂轮中心点加工时的移动轨迹，即为刀具的移动轨迹，然后用matlab设计优化刀具轨迹。
用matlab的好处是可以控制每一点加工时刀具的角度和相切点等等，有利于获得更好的加工精度。
五、问题补充1、曲面磨削的方法和工艺条件磨削加工是用砂轮以较高的线速度对工件表面进行加工的方法，其实质是用砂轮上的磨料自工件表面层切除细微切屑的过程。
曲面磨削是用砂轮加工出所要求形状的曲面的过程。
工艺条件：砂轮良好的磨削性能、工件的材质、精密的加工设备和合适的加工工艺等。
2、误差补偿加工的方法加工完曲面之后，将工件表面进行检测，检测方式可以采用三坐标检测仪进行检测。
得到的检测数据通过ICP匹配计算与理论设计曲面的误差。
根据误差分布规律，采用Z向进行补偿，首先YZ截面取出误差，然后将YZ截面的误差拟合成曲线的分布规律在X方向扩展成面，再将拟合的误差加入到原始曲面上去，在加入误差后的原始曲面重新用法向算法生成刀具轨迹，进行加工，补偿过程结束。
补偿之后将工件在检测，计算误差，前后对比。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第5章精密加工中的测量技术
2018/3/11
第1节 精密测量技术概述
四、纳米级精度和表面粗糙度的测量技术
2.光干涉测量技术
光干涉测量技术是利用光的干涉条纹 , 以提高测量分辨力。 可以使用白光 , 但为提高测量分辨力 , 常用波长很短的激光或 X 射线作为光源。光干涉测量法测量尺寸范围大 , 可用于纳米级 精度的长度、形貌和位移的精确测量 , 也可用于表面显微形貌 和表面粗糙度的测量。用这种原理的测量方法有双频激光干涉 测量、激光外差干涉测量、激光移相干涉测量 ( 如美国 WYKO 公 司 NT8000 型非接触式激光干涉形貌测量仪等 ) 、超短波长 ( 如 X 射线等 ) 干涉测量等。这类测量方法是现在纳米级尺寸精度和 表面粗糙度的主要测量方法,并有发展前途。
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第1节 精密测量技术概述
二、精密测量技术的新发展
1.极高精度测量方法和测量仪器的发展
近年发展了多种高精度和新原理的测量方法和仪器,如测量 长度时能达到0.1nm级的双频激光测量系统和X射线干涉仪等, 测量表面微观形貌达0.1nm级的扫描隧道显微镜和原子力显微 镜等,测量角度达到0.01″的精密测角仪等。
第1节 精密测量技术概述
四、纳米级精度和表面粗糙度的测量技术
3.扫描探针测量技术
表面粗糙度是超精密加工表面质量的最重要指标之一 , 我国 标准 GB/T 3505—2009 表面粗糙度指标主要有 Ra 、 Rz 、取样长 度等。硬度较高的零件测表面粗糙度,可用Taylor Hobson公司 Talyscan 3D 、 Talysurf-6 等触针式扫描测量仪。较好的测表 面粗糙度的方法是用光学干涉测量法 , 如 WYKO 公司的移相干涉 显微镜 WYKO TOPO 等 , 该公司的激光移相干涉形貌测量仪 WYKO NT8000可测出自由曲面的表面粗糙度。扫描探针测量法因测量 范围小,只用于极小面积的表面粗糙度检测分析,不适用于一般 的表面粗糙度检测。 超光滑表面有其特殊性 , 这种表面的表面粗糙度的评价理论 正在研究,因为有时同一超光滑表面使用不同原理仪器测量,会 2018/3/11 得到差别很大的表面粗糙度值。
精密与超精密加工课件第4章(4.25)
第四章 电化学加工技术
电化学加工技术
电化学加工（Electrochemical
Machining 简称ECM）包括从工件上去除金
属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、
涂覆加工两大类。
电化学加工技术
4.1
电化学加工的原理与分类
一. 电化学加工的原理 1.电化学加工过程
1 i e e i 2
电化学加工技术 3.电极电位
电化学加工技术
U U0
0.059 lg n
电化学加工技术
当离子质量浓度改变时，电极电位也随着改变，可用“能
斯特公式”换算，下式是在25℃时的简化式
0.059 U U lg n
0
式中
U —平衡电极电位差（V）；
U 0 —标准电极电位差（V）；
反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和
电化学抛光等；第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极 沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 Ⅲ 类是利用
电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工
艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加 工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如表 1所示。
表面液层中金属离子的扩散与迁移速度较慢，来不及扩散
到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起了电位 值增大(即阳极电位向正移)，这就是浓差极化。 （2）电化学极化 电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不
及转移给电解液中的H+离子而在阴极上积累过多的电子，
使阴极电位向负移，从而形成了电化学极化。
n — 电极得失电子数，即离子价数；
— 离子的有效质量分数；
“+”用于计算金属，“-”用于计算非金属的电极电位。
《超精密加工技术》PPT课件
X轴滑台
主轴
刀架 z轴滑台
光路护罩
基座
周缘 护板
图3 T形布局的金刚石车床
一、 精细与超精细加工技术
➢ 金刚石车床主要性能指标〔表3〕
表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
主轴径向圆跳动 / μ m
➢ 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➢ 箱精扭细矩加可工提与高超一精倍细加工技术是新技术的生长点
➢ 精细与超精细加工技术涉及多种根底学科和多种新 兴技术，其开展无疑会带动和促进这些相关科学技术的开 展
R 350
AA
6.4
R=0.5～1.2 50 B
R 110～1200 B
6.4
6.4
A-A 60
10 B-B
60
60
图6 金刚石刀具角度
一、 精细与超精细加工技术
金刚石车床
单点金刚石车床加工铜工件 单点金刚石车床的非球面光学超精细加工
图7 金刚石车床及其加工照片
加工4.5mm陶瓷 球
一、 精细与超精细加工技术
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
精密与超精密加工技术PPT课件
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。
23
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。
24
ห้องสมุดไป่ตู้
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
27
精密与超精密加工技术
（1）超精密磨削表面的形成机制
超精密磨削获得的极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精细修整得到的大量的、 等高性很好的微刃来实现微量切削作用。
(1) 对产品高质量的追求 (2) 对产品小型化的追求 (3) 对产品高可靠性的追求 (4) 对产品高性能的追求
10
精密与超精密加工技术
国际知名超精密加工研究单位与企业主要有： 美国LLNL实验室和Moore公司 英国Granfield大学和Tayler公司 德国Zeiss（蔡司）公司和Kugler公司 日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等
3
精密与超精密加工技术
世界发达国家均予以高度重视。最近启动的研究 计划包括 ：
美国的NNI(National nanotechnologyinitiative)纳米计划 英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote-chnology)， 日本的纳米技术支撑计划
精密与超精密加工技术
1
内容
1、超精密加工技术概述 2、超精密加工技术的发展历程 3、超精密加工的范畴 4、超精密加工的主要研究领域 5、超精密加工的主要方法 6、超精密加工的发展趋势
《精密超精密加工》课件
04
精密超精密加工材料
金属材料
01
02
03
钢铁
常用的金属材料，具有高 强度、耐磨性和耐腐蚀性 ，适用于各种精密超精密 加工应用。
铜合金
具有良好的导热性和导电 性，广泛用于电子和通信 行业。
钛合金
具有高强度、轻质和耐腐 蚀性，常用于航空和医疗 领域。
非金属材料
陶瓷
具有高硬度、耐高温和化学稳定性，适用于高精度和 高硬度的加工需求。
详细描述
防止加工过程中的损伤需要从多个方面入手，包括优化刀具设计、选择合适的切削参数 、加强刀具管理和维护等。此外，采用新型的涂层技术和刀具材料也是防止损伤的有效
手段。
06
பைடு நூலகம்
精密超精密加工的应用案例
航空航天领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在航空航天领域的应用广泛，涉 及发动机叶片、涡轮盘、航空仪表等关键部件的制造 。
这些技术包括离子束加工、电子束加工、激光束加工等。这些技术通常具有更高的加工精度和更广泛 的适用范围，可以应用于各种不同的材料和领域。
03
精密超精密加工设备与工具
超精密切削加工设备
01
超精密切削加工设备主要用于高 精度零件的切削加工，其特点是 切削精度高、加工表面质量好、 加工效率高。
02
常见的超精密切削加工设备包括 数控机床、激光切割机、水切割 机等。
汽车工业领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在汽车工业领域的应用主要涉及 汽车发动机、变速器、制动系统等关键零部件的制造 。
详细描述
在汽车工业领域，精密超精密加工技术主要用于制造汽 车发动机、变速器、制动系统等关键零部件。这些零部 件的性能对汽车的性能和安全性有重要影响。精密超精 密加工技术能够提高零部件的精度和耐磨性，降低摩擦 和阻力，提高燃油经济性和排放性能。同时，还能缩短 产品研发周期，提高生产效率，降低制造成本。
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。
精密和超精密加工的
▪ 2、空气过滤器 ▪ 空气过滤器是空气净化的关键设备。 ▪ 3、气流组织 ▪ 主要作用：①把已有的尘埃尽快而有效地排出去，②并阻止外界尘
▪ 3)自然界振动：常时微动及风等
▪ 二、振动干扰的消除
▪ 1、内部振动干扰的消除——防振 ▪ (1)提高设备回转零件的动平衡精度 ▪ (2)减少设备传动系统的振动干扰 ▪ (3)减少液压系统的干扰 ▪ (4)提高加工设备的抗振性
▪ 2、外界振动干扰的消除——隔振
第三节 噪声环境
一、噪声及其影响
第四节 其它环境
▪ 一、光环境 ▪ 洁净室的照明方式有三种： ▪ ①一般照明。 ▪ ②局部照明。 ▪ ③混合照明。 ▪ 大多数的精密和超精密加工场合都是采用混合照明。 ▪ 光环境有两个主要指标： ▪ ①照度 ▪ ②眩光
静电力的作用使尘埃更易吸附于物体表面，某些半导体器 件容易发生击穿。 ▪ 一般情况下，相对湿度应．控制在35％到45％之间， 湿度的波动范围相应规定了±10％、±5%和±2%几个等 级。当前精度要求非常严格的某些半导体工业已经需要将
湿度度波动范围控制为1%，而且今后会更加严格。
▪ 三、洁净室 ▪ 洁净室：将室内空气中尘埃微粒、温度、湿度、压力流速和气流的
针对精密和超精密加工对各项环境的要求，设计了相应的设施来满足这些要求：
②动作准确性高影响率 它是由于在视线附近有高亮度光源、光泽表面反射出高亮度光源和极高的亮度对比等原因形成的。
精密和超精密加工技术课件
激光器
➢ 固体激光器
➢YAG (钇、铝和石榴石构成) 激光器,红宝石激光器 ➢特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大
墨最常用。
➢工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高 放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有 煤油、机油、去离子水、乳化液等。 ➢放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必 要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程 中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并 带动工具电极缓慢向工件进给。
电火花加工工作要素
➢高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲 击点处形成瞬时高温(几分之一微秒时间内升 高至几千摄氏度)，工件表面局部熔化、气化 直至被蒸发去除。
电
子
电子束
束
加工的
喷丝头
加
异形孔
工
电子束加工曲面、穿孔
电子束加工特点及应用
➢ 电子束束径小(最小直径可达 0.01-0.05mm )，而其 长度可达束径几十倍，可加工微细深孔、窄缝。
➢可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 ➢工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 ➢被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺
寸精度可达0.01~0.05mm 。
➢加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变
形零件。
➢ 生产效率较低。采用超声复合加工(如超声车削，超声 磨削，超声电解加工，超声线切割等)可提高加工效率。
➢优点：无焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料 之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。
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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
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。
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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
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。
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表4-1 美国POMA规划的要求精度(单位:μm)
第1节 精密和超精密机床发展概况
一、发展情况
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。
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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 1.美国POMA计划要求的精度 美国Union Carbide公司、Moore Special Tool 公司和美国空军兵器研究所一起于20世纪90年代 制订了一个形状精度0.1μm,加工直径为800mm 的大型球面光学零件的超精加工规划,即举世闻名 的POMA规划(Point One Micrometer Accuracy)。它对机床提出了极严格的要求。
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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
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表4-2 日本提出的“超超精密机床
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 我国在20世纪60年代起开始发展精密机床, 经过40多年的努力,现在我国的精密机床生产 已具有相当规模,不仅大部分品种都已能够生 产,而且在精度质量上也已达到一定的水平。 例如昆明机床厂、宁江机床厂和汉川机床厂 能生产多种坐标镗床,有立式的并且有卧式的, 都已装有精密数控系统,坐标镗床的定位精度 达到±(2~5)μm。
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二、典型超精密机床简介
Moore 车床 该机床可高精度地加工各种光学部件和激光光学 系统的各种反射镜。其加工精度见表。
表4-3 Moore车床加工的激光反射镜精度(1976年) 2020/12/29
二、典型机床简介
Ex-Cell-O公司的2m镜面立式车床
1976年美国Ex-Cell-O公司开发了加工金属反射镜直径 达2m的金刚石镜面切削车床。Ex-Cell-O公司原来已拥 有最高精度的滚动轴承机床的制造技术,但对于加工直径 为2m的光学部件来说,滚动轴承机床加工的反射镜达不到 要求的精度,因而开发了新的空气静压轴承回转轴的超精 密车床,制成用双半球结构空气轴承主轴的Ⅱ-G型卧式车 床,和用端面止推轴承、半球空气静压轴承主轴结构的ⅢB型立式车床。这种立式车床主轴的径向圆跳动为 0.10~0.13μm,轴向圆跳动为0.15~0.18μm,2000r/min 运转8h的温升在5.6℃以内,径向刚度为361N/μm。Los Alamos科学实验室(LANL)使用这种车床切削8个波束 CO2激光Helicos系统上的金属反射镜,均达到要求的精度。
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二、典型超精密机床简介
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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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 我国超精密机床的生产和研制虽已取得不小的成绩, 但和国外相比仍有相当大的差距。要从国外引进受 保密、禁运的限制,只能靠自己开发研究,因此必须大 力加强我国自己的开发研究能力。
图4-1 NAM-800型CNC超精密金刚石车床 2020/12/29
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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
3.中国精密机床和超精密机床的发展情况 宁江机床厂还生产连续轨迹数控坐标磨床,定位精度 ±2μm。重庆机床厂生产高精度滚齿机,武汉重型机 床厂生产大型高精度滚齿机。重庆机床厂、武汉机 床厂、上海机床厂等均研制成功高精度蜗轮母机,使 加工的蜗轮精度明显提高。上海机床厂和秦川机床 厂生产多种磨齿机,其中Maag型磨齿机可加工4~5级 精度的齿轮,汉中机床厂生产螺纹磨床和高精度蜗杆 磨床。国内现在有多家工厂生产三坐标测量机, 都已 批2020量/12生/29 产多种规格的三坐标测量机,据用户反映性能 良好。
图4-2 加工KDP晶体的大平面超精密飞刀切削机床
第2节 典型超精密机床的简介
二、典型超精密机床简介
Union Carbide 公司 的半球车床
能加工直径ϕ100mm的半球，达到尺寸精 度±0.6μm，表面粗糙度Ra=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。