超精密加工机床及其新技术发展
文章编号:100122486(2000)022*******
超精密加工机床及其新技术发展
Ξ
李圣怡,戴一帆,彭小强(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073)
摘 要:介绍了超精密加工技术、应用背景、发展动向以及超精密加工关键技术的一些最新成果。从超精
密加工技术推广应用的角度阐述了其精度目标、模块化、廉价化发展趋势,同时就如何发展超精密加工技术全
面介绍了目前机床模块化部件、传动系统、检测环节、数控系统和环境控制等领域的最新研究水平和成果。
关键词:超精密加工;机床;超精密数控;误差检测
中国分类号:TH 161,TH 239 文献标识码:A
Ultra -prec ision M ach i ne Tools and D evelop m en t of the La test Technology
L I Shen 2yi ,DA I Y i 2fan ,PEN G X iao 2qiang
(Co llege of M echatronics Engineering and A utom ati on ,N ati onal U niv .of D efense T echno logy ,Changsha 410073,Ch ina )
Abstract :T h is paper describes ultra 2p recisi on m ach ining techno logy together w ith its app licati on background and the latest developm ent of its key po ints .
T he accuracy target and the trend of modularizati on and low co st are described in detail from the view of sp reading app licati on of ultra 2p recisi on m ach ining techno logy .U nder the considerati on of p romo ting techno logy level ,the latest ach ievem ents in som e key techno logies are review ed .T hese key techno logies include modular component ,actuating system ,m easurem ent techno logy ,CN C system and environm ent contro lling .
Key words :ultra 2p recisi on m ach ining ;m ach ine too ls ;ultra 2p recisi on num eric contro l ;erro r m easurem ent
1 超精密加工技术的特点
超精密加工目前尚无统一的定义,在不同历史时期、不同的科学技术发展水平的情况下,有不同的理解。通常我们认为被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米,表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密加工技术。
超精密加工技术是以高精度为目标的技术,它必须在综合应用各种新技术,在各个方面精益求精的条件下,才有可能突破常规技术达不到的精度界限,达到新的高精度指标。实现超精加工的主要条件应包括以下诸方面的高新技术:(1)超精密加工机床与装、夹具;(2)超精密切削刀具,刀具材料,刀具刃磨技术;(3)超精密加工工艺;(4)超精密加工环境控制(包括恒温、隔振、洁净控制等);(5)超精密加工的测控技术。
80年代,美国U n i on Carb ide 公司、M oo re 公司和美国空军兵器研究所等制定了一个以0.1Λm 形状精度、加工直径为800mm 的大型球面光学零件超精加工为目标的超精密车床研究计划——举世闻名的POM A (Po in t O neM icrom eter A ccu racy )计划。该计划所产生的影响十分深远,其指标至今也尚未过时,90年代日本学者在此基础上提出了今后努力要达到的目标值,如表1所示。
美国LLNL 实验室开发了一系列超精密实验研究型机床,1984年研制成功的大型光学金刚石车床
LOD TM 是迄今为止精度最高的大型超精密机床[1]。
该机床可加工直径为2.1m 、重4.5t 的工件。采用高压液体静压导轨在1.07m ×1.12m 范围内直线度误差小于0.025Λm (在每个溜板上装有标准平尺,通过测量和修正来达到),位移误差不超过0.013Λm (用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达 国 防 科 技 大 学 学 报
第22卷第2期 JOU RNAL O F NA T I ONAL UN I V ER S IT Y O F D EFEN SE T ECHNOLO GY V o l 122N o 122000Ξ收稿日期:1999210228基金项目:国家部委项目资助作者简介:李圣怡(1946),男,教授,博导。
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到)。主轴溜板运动偏摆小于0.001rad s(通过两路激光干涉仪测量,压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统不与机床联接,油喷淋冷却系统可将油温控制在20±0.0025℃。采用摩擦驱动,推力可达300磅(136kg),运动分辨率达0.005Λm。是超精密加工设备的典型代表。
表1 POM A计划的精度目标值和今后的精度目标值
T ab.1 T he accuracy target of POM A p lan and the future accuracy target
误差原因今后的目标精度(Λm)POM A计划值(Λm)
位置检测精度0.0050.05
定位精度0.0050.01
偏摆、府仰、摇摆(0.05rad s)0.02
直线度0.020.02
轴向跳动0.0050.02
径向跳动0.0050.02
主轴延伸0.0250.05
主轴驱动0.010.01
热影响0.0250.05
工件装夹0.0250.05
形状综合精度0.050.1
2 超精密机床关键单元的新技术与新进展
2.1 气浮主轴及气浮 液浮导轨系统新技术
气浮主轴的最大优点是回转精度高。由于气浮误差均化效应,通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出5～10倍。主轴与电机采用一体化结构直接驱动。电机与主轴的动平衡问题,电机电磁振动消除、电机热消除、主轴热伸长补偿以及新型气浮结构设计与制造等都是一直在研究改善的问题。例如:
?加装热管冷却系统是解决主轴热伸长的有效方法。热管是封闭金属管内工作流进行相变产生的“热泵”作用,使它的导热率高出金属的上百倍,因此它是加快热源冷却的一种好方法。该方法也开始在超精密主轴系统上运用。
?为了进一步提高回转精度和刚度,近年来很多人研究控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制。最近,用电磁技术和气浮结合的控制方案也在研究之中。但电磁技术的缺点很多,如热效应严重等,还不能达到很高精度。日本学者[2]研究了一种用永磁体加压电陶瓷微位移驱动和电容传感器位置测量的方法来改善气浮主轴的精度。该方法采用重复学习控制在600rad m in时,回转误差由31nm下降到10nm;在9000rad m in时,由33nm下降到9nm。主动控制增加了系统的复杂程度和降低了可靠性,目前尚不到实用的程度。用永磁体增加止推气垫的刚度的成功实例并不少见,这种气磁轴承和加开真空负压槽的真空吸附加强型气浮轴承相似。这种综合轴承在一定程度可改善气浮轴承的动态特性,如增大阻尼。
?气浮轴承国内多采用小孔节流方式,国外多孔材料用于气浮轴承也有很好的例子。例如德国慕尼黑大学采用了一种由微铜球烧结而成的多孔质材料来制造气浮垫。俄罗斯采用一种尿脘发泡多孔陶瓷制造气垫,为了改善其加工性和刚度在气垫表面镀上镍(N i)层,然后进一步加工。多孔材料的气浮轴承可以提高气浮轴承的刚度。美国Po rtec N o rth公司开发的M etapo r F100A l材料是70%～90%的铝粉和10%～30%的环氧树脂通过真空成形或加热成形。W iscon son-M adison大学开发的多孔质材料是用氧化铝和二氧化钛粉末通过特殊工艺制成的复合陶瓷材料[3]。
?液体静压轴承与气体静压轴承比较,具有承载能力大,阻尼大,动刚度好等优点,主要的缺点之一是对油温控制有较高的要求。近年来温度控制技术的水平有很大的提高。由于测温元件(如晶体温度传感器,测量分辨率可达0.001℃[4])的灵敏度提高,油温控制到0.01℃是不困难的。
2.2 超精密驱动技术的新进展
为了获得高的运动精度和运动分辨率,超精密导轨直线运动的驱动对伺服电机的要求很高,既要求有平稳的超低速运动特性,又要有大的调速范围,好的电磁兼容性。美国Parker H ann ifin 公司的DM 和DR 系列直接驱动伺服执行器,输出力矩大,位置控制分辨率高(64万分之一)。主轴驱动电机可以采用印刷板电机,它的惯性小,发热量小。俄罗斯学者也曾采用飞轮惯性储能高速主轴。在加工过程中驱动电机及传动机构是与主轴脱离的,主轴只是靠惯性运转。这种方法可以用于一些特殊场合。
精密滚珠丝杠是超精机床目前采用的驱动方法,但丝杠的安装误差、丝杆本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差、螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响。通常超精密传动机构应特殊设计,例如丝杠螺母与气浮平台的联接器是高轴向刚度,而水平、垂直、俯仰和偏转四自由度无约束的机构,电机与丝杠的联接器采用纯扭矩、无反转间隙的联接器。
气浮丝杠和磁浮丝杠可进一步减小滚珠丝杠的跳动误差和因摩擦和反向间隙引入控制系统的非线性环节。如俄罗斯研制了气浮 磁浮丝[5],据报道电磁丝杠的传动主要指标如下:
丝杠直径62mm ,螺距和螺纹齿高4mm ,丝扣宽度1mm ,间隙?=0.1Λm ,承载能力和静刚度分别为700N 、75Λm ,和气浮平台联合使用时驱动装置的分辨率为0.01Λm 。
直线电机适合于高速和高精度的应用场合[6],通常高速滚珠丝杠可在40m m in 的速度和0.5g 加速度情况下工作,而直线电机加速度可达5g ,其速度和刚度都分别可大于滚珠丝杠的30倍和7倍。目前Indram at 和A no rad 公司是最主要的制造商。Indram at 宣称其直线电机传动定位精度为0.04Λm ,分辨率为0.01Λm ,速度可达200m s 。直线电机用于超精机床首选的是发热量小的永磁电机。永磁电机的缺点是磁场强;装配和拆卸不方便,很容易吸引切屑和其他金属碎屑,机床结构也要随之改变。所以,目前直线电机主要用于半导体行业、印刷电路板制造设备、激光加工水喷射切削等高速轻载的设备上。除此之外,直线电机采用无机械减速系统的直接驱动方式,电机的特性对运动平台的动态特性影响极大,在控制上很多人正在研究新的方案。
2.3 开发新摩擦驱动技术
摩擦驱动技术广泛用于精密机构的传动中,是因为摩擦驱动具有运动平稳、无反向间隙等特点。超精密机床及机构要求超低速高分辨率并且一般都是轻载的,非常适合使用摩擦驱动方式。
通常,将电机的转动变为溜板的平动所采用的摩擦驱动装置类似于齿轮齿条副传动。这种方式运动分辨率有限,因为其等效导程等于主动摩擦轮的周长。如果把摩擦副的主动轮与从动杆母线交角从90℃减小到一很小的角度,形成的摩擦副称为扭轮摩擦副,则可以得到很小的导程,例如我们研制的扭轮摩擦驱动系统如图1所示。它由一气浮平台和一扭轮摩擦驱动系统所构成,其导程可小于0.2mm ,在250mm 范围内,其运动分辨率可达nm 级,定位精度优于10nm [7]。
图1 扭轮摩擦驱动系统
F ig .1 Tw ist 2ro ller fricti on drive system
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2.4 超精密加工的检测、误差建模与补偿技术
双频激光干涉仪测量精度高,测量范围大,因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件。但激光测量的精度与空气的折射率有关,而空气折射率与温度、湿度、压力、二氧化碳含量等有关。美国NB S研究的结果说明,当前双频激光干涉仪其光路在空气中进行了各种修正与补偿,其最高精度为815×10-8。由于这种测量方法对环境要求过高,要保证高精度,激光光路必须是在恒温氦气(或真空)保护下,这样的要求对实际生产来说往往过于苛刻,很难加以保证。
近年来光栅技术得到了很大的发展,衍射扫描干涉光栅采取偏振元件相移原理或附加光栅(index grating)相移原理。例如德国H eidenhain公司采用三光栅系统原理和四光栅系统原理的光栅尺可达到很高的分辨率,又有很好的可安装性[8]。
这种光栅尺的光栅线周期为128nm,分辨率可达1nm,采用Zerodu r材料制成,几乎是零膨胀系数(Α=0±0.1ppm K),动、静尺间隙为(0.3±0.1)mm,安装和使用都很方便。前面提及N anofo r m2500和p ti m um2400超精密车床都使用了H eidenhain的超精密光栅尺(也可根据用户需要安装H P的双频激光干涉仪)。
上述两种测量仪器,虽然精度高但是价格过于昂贵。炫耀光栅是种高精度、大范围的廉价测量仪器,炫耀光栅的定尺常刻成锯齿形条纹,(如5mm×5mm大小,每厘米1000线),而定尺为普通光栅尺,光栅常数为20Λm。炫耀光栅的分辨率仅取决于细光栅,因此比较容易实现大范围、高精度的测量,是一种有前途的廉价化的光栅测量方式。
电容测微仪的特点是非接触测量,精度高、价格低。但是测量范围有限,测量稳定性差。美国L i on P recisi on公司的电容测微仪分辨率可达0.5nm(1H z频响),热漂移每℃0.04%满量程。
小型化气浮导轨在制造上有一定难度。一种防旋转方型导轨的小型气浮测头装置在我们实验室试制成功。用这种测头可用来对工具和刀具进行精密测量。
最近日本学者研制的一种用于C MM微分测头[9]测量力为1mN,分辨率为1nm,它是采用并行弹性悬架组成的复位机构,由两路正交半导体激光器,两个四象限光电二极管(Q PD)和一个球形透镜组成,该装置可用于超精密机床上。
对于纳米级测量装置,一种用硅晶片和X线组成的衍射干涉仪可以得到亚纳米精密的位移测量。硅晶格常数约为0.3nm。该系统可作标准位移测量仪器,测量的标准方差小于0.005nm[10]。
用变分法精度分析误差建模理论,可以将刀具几何参数,加工工艺条件及机床运动误差三大因素对加工工件的精度影响准确地建立数学模型。近年来一些数学工具,如微分几何、李代数和李群,用于复杂几何形状误差的评定和分析取得了一些成绩,有望在超精密机床误差分析中得到运用[11]。但是,机床运动误差的精确测量是十分困难的。例如:每一维导轨溜板的运动都有6个自由度,要精确测量所有自由度的运动误差是非常复杂的。一种基于同心圆光栅的图像处理方法正在我们实验室开发,该系统预期能将溜板运动的非轴向平移的五个自由度误差一次测出,测量范围在20Λm,精度为0.1Λm。
多传感器误差分离方法可以用来对简化的机床主要运动进行测量。例如:对轨导误差补偿而言(特别是长导轨),静压轨导的运动公共覆盖区与轨导长度成反比,与溜板长度成正比。公共覆盖区域大,静压对误差的均载作用才大。由于溜板的运动精度有限,所以误差分离技术在直线度,平面度误差测量与补偿控制方面将大有用武之地。
2.5 超精密机床的数控系统
超精密机床数控系统的特点是具有高的编程分辨率(1nm)和高精度的伺服控制软硬环境。
在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件,意味着需要高的控制速度,例如插补周期小于1m s (普通数控为10m s左右),伺服闭环采样周期小于0.1m s。
(1)PC机的发展给数控技术带来新的发展,PC为基的数控系统已成为超精密数控的潮流。例如美国的NANO PA TH和PR EC IT ECH’S UL TRA PA TH TM都是基于D SP的超精密数控系统。数据系统的硬件运动控制模块(PM A C)开发运用越来越广泛,使基于PC的数控系统的可靠性和可重构性得到提高。新的芯片(如SERCO S)和网络协议的发展又给数控系统提供了一种分布网络式的新结构,使
其可靠性和开放性更好。日本的Fanuc 公司1999年1月推出Fanuc 15I ,与Fannc 15B 型数控系统比较,其可控制的轴数从8个提高到24个,插补数度由1Λm 提高到1nm ,插补速度提高了8倍,可实现高精度轮廓控制(H PCC )和NU TB S 插补功能。
我们针对超精密数控车床研制的YH -1型数控系统,采用A S W -824工业一体化PC 工作站,用AD SP 2181信号运算器模块构成高速下位伺服控制。采用M icro soft W indow s 3.1平台。其数控软件的特点是:
?超精密非球光学零件自动编程系统及标准库支持系统。
?通常标准数据指令编程处理系统。
?针对超精密加工可能出现大量微细程序段设计的基于双圆弧伸缩补偿法的超数插补功能SPC I (Sp ecial P recisi on Cu rve In tevpo lati on )和超精刀具半径补偿功能。可以实现1nm 编程分辨率和小于1m s 的插补周期。
?基于陷波+前馈+P I D 控制方法的超精密伺服闭环控制软件。
(2)超精密数控机床不难实现高精度的定位精度,即使在超精密概念下有一些非线性环节,采用适当的控制算法(如非线性滑模控制等)都可以得到很高的定位精度。但是当机床作非直线运动时,对指定轮廓曲线的控制精度(称为跟踪精度)还取决于机床各维运动的动态特性。因此,要想得到高的跟踪精度就困难得多。一些适当的控制技术,如解耦控制技术可以将多维运动参数加以解耦来提高跟踪精度。还例如,最优预见控制(O PC )和逆补偿波波器(控制IKF )也是解决问题的有效方法。
(3)开放性数控的研究,如世界著名的O SA CA 、OM A C 和O SE 等三个计划都取得了重大进展,但目前还处于实验阶段。我们现在进行的研究着重于以下几点:
?采用面向对象的分析方法对数控系统的功能重新进行规划;
?采用虚拟机的概念描述数控系统;
?采用构件化软件设计方法实现对虚拟设备的重构;
?建立结构模型以实现人机界面独立性。
由于网络技术的发展,基于PC 的数控系统也许只是一个过渡性技术,基于网络的数控系统很快将要出现。
2.6 其它重要技术
超精密加工及超精密机床的环境控制技术,包括恒温及热变形控制、隔振及振动控制、洁净度控制等。超精密加工的刀具以及工艺也要很高的要求,超精密机床的材料和结构都有其特殊的要求。3 我国超精密加工技术赶超世界先进水平的对策。
超精密加工技术的意义重大。通过多年的实践,我们认为,当前我国超精密加工技术的发展赶超世界先进水平的策略为:
(1)优先考虑适度、稳定的高精度的战略
追求高精度从理论上是无穷尽的,但根据我国国情,选择适度的投入 精度之比,追求适度、稳定高精度,而不是盲目追求高指标。
(2)依靠自己的力量开发廉价化的超精加工技术
例如:加强基础部件的研究;规划模块化设计;重视系统化工艺与技术的开发等措施;开发具有我国知识产权的超精加工技术是超精加工廉价化的基础。
(3)加强测量与控制技术和其他新技术对超精密加工技术的渗透
当前电子、计算机、控制等技术的发展给超精密加工技术带来了“锦上添花”的机遇。加强与其他高新技术的综合与渗透是提高超精密加工水平的捷径。
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9李圣怡等:超精密加工机床及其新技术发展
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精密和超精密加工的应用和发展趋势
精密和超精密加工的应用和发展趋势 [摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。 【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势 精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。超精密加工当前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。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。 在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。 我国的精密、超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超
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。
数控机床的现状与发展
数控机床现状及发展趋势分析 数控机床的概念 数控机床就是在数字控制下，能在尺寸精度和几何精度两方面完成金属毛坯零件加工成所需要形状的工作母机的总称。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。 国产数控机床的发展现状 一、国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历{HotTag}了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中，五轴(坐标)联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。 它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。
五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于2台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，国际强手对中国限制的五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面。 二、国产数控机床存在的问题 由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可*性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可*性还较差，数控产业尚未真正形成。因此加速进行数控系统的工程化、商品化攻关，尽快建成与完善数控机床和数控产业成为当前的主要任务。目前主要问题有： 三、核心技术严重缺乏 统计数据表明，数控机床的核心技术—数控系统，由显示器、控制器伺服、伺服电机和各种开关、传感器构成，中国90%需要国外进口。如在上海设厂的德国吉特迈集团和意大利利雅路机床集团，在烟台建厂的韩国大宇综合机械株式会社，所有的核心技术都被外方掌握。国内能做的中、高端数控机床，更多处于组装和制造环节，普遍未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。目前世界最大的3家厂商是：日
精密和超精密加工论文
精密和超精密加工论文 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1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;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。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。 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Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，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≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，
精密和超精密加工技术复习思考题答案
精密和超精密加工技术复习思考题答案 第一章 1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。 答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。 尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。 2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。 答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4.试展望精密和超精密加工技术的发展。 答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。 5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。 答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。 6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。
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。 Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光干涉仪来完成位置闭环控制的双轴联动MSG型超精密数控车床。该车床可加工直径350mm的非球面金属反射镜，加工表面粗糙度为R．x0.05gma 1988年，该公司又开发成功ASG2500， ASG2500T， Nanoform300型机床。这些机床不仅能够进行超精密切削加工，而且可加工直径达300mm的非球面反射镜。该公司以上述机床为基础，又于1990年开发出Nanoform600，能加工直径为600rnm的非球面反射镜，工件形状精度优于0.1um，表面粗糙度优于RQ0.01um。1996年，该公司又推出了Nanoform250型超精密复合加工机床，不仅可进行金刚石切削、磨削和抛光，而且能够直接磨削出符合光学表面质量和型面精度的硬脆材料光学零件。 目前，美国从事超精密加工制造比较有名的公司、企业至少有30家。其中最具代表性并取得重大成果的有前面提到的Union Carbide公司LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory)实验室。从20世纪60年代开始，LLNL实验室先后开发出DTM-1、DTM-2型超精密机床，并于1983年9月成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的DTM-3卧式大型光学金刚石超精密车床。该机床可加工直
精密和超精密加工现状与发展趋势
精密和超精密加工现状与发展趋势 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1~0.1μ;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。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。 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Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，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≤0.025μ;m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。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。 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
浅析超精密加工机床现状及展望
浅析超精密加工机床现状及展望 张建锋学号：11309017 (汕头大学机械工程学院广东) 摘要：本文主要讨论超精密加工以及加工机床的发展历程、国内外现状、关键技术要点以及展望。通过对超精密加工机床的现状和难点分析，总结了未来超精密加工机床的发展趋势，并且具体给出了超精密加工机床的重点需要突破革新的要点和对策。 关键字：超精密加工、超精密加工机床、精度、效率。 0 前言 超精密加工技术是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。超精密加工技术是现代制造技术之一，它与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，主要包含有超精密制造、超精密检测、超精密环境控制及其各类辅助研究分支。大部分仪器系统和设备都是通过机床加工出来的，如隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。目前隐形眼镜的加工工艺主要有三种：分别是旋转成型工艺、切削成型工艺和模压成型工艺。计算机硬盘驱动器、光盘和复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。当现有加工设备不能满足零件加工要求时，必然要设计新设备，这就是我们经常提起的超精密机床的研究，而超精密加工机床的结构设计是其中最关键的技术之一。一个高精密机床的设计不仅仅是机械部门一个单元能完成的，它受到材料、物理、设计和工艺水平等多个环节和整个系统的综合影响。本文主要从超精密加工的起源、内涵、影响因素、研究方向和对策等方面来阐述超精密加工机床结构。 1 超精密加工相关知识概述 超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同历史时期，不同的科学技术发展水平的情况下，有不同的理解。通常我们认为一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密
浅析数控机床的发展进程及趋势(通用版)
When the lives of employees or national property are endangered, production activities are stopped to rectify and eliminate dangerous factors. （安全管理） 单位：___________________ 姓名：___________________ 日期：___________________ 浅析数控机床的发展进程及趋势 (通用版)
浅析数控机床的发展进程及趋势(通用版)导语：生产有了安全保障，才能持续、稳定发展。生产活动中事故层出不穷，生产势必陷于混乱、甚至瘫痪状态。当生产与安全发生矛盾、危及职工生命或国家财产时，生产活动停下来整治、消除危险因素以后，生产形势会变得更好。"安全第一" 的提法，决非把安全摆到生产之上;忽视安全自然是一种错误。 自20世纪末开始，我国制造业就开始了逐渐由制造大国向制造强国迈进了脚步，机床制造业也跟着取得数控机床快速增长的业绩。机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，既是生产力要素，又是重要商品。机床的发展和创新在一定程度上能映射出加工技术的主要趋势。 数控机床的发展进程 自上世纪50年代以来，世界数控机床主要经历了数控NC （NumericalControl）和计算机数控CNC（ComputerNumericalControl）2个阶段。 始于90年代初，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其性能是决定数控机床加工性能的极其重要的技术指
精密与超精密加工试题和答案
1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领域？ 答：精密与超精密加工的精度随着科学技术的发展不断提高，以目前的加工能力而言，精密加工的精度范围是0.1~1μm，加工表面精度Ra在0.02~0.1μm之间。超精密加工的精度高于0.1μm，加工表面精度Ra小于0.01μm。 超精密加工领域： 1）超精密切削， 2）超精密磨削， 3）超精密研磨和抛光。 2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人造聚 晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？ 答：超精密切削对刀具的要求： 1) 刀具刃口锋锐度ρ 刀具刃口能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径ρ极小，能实现超薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具5~30μm，金刚石刀具<10nm；从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限。 2) 切削刃的粗糙度。 切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.3~5 μm，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2 μm，特殊情况Ry1nm，很难。 3) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。 4) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 5) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。 单晶金刚石硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高5~6倍。摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1~5nm。耐磨性好。比硬质合金高50~100倍。导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。因此，天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。人造单晶金刚石已经开始用于超精密切削，但是价格仍然很昂贵。金刚石刀具不适宜切黑色金属，很脆，要避免振动而且价格昂贵，刃磨困难。 人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，切削刃钝圆半径ρ很难达到<1μm，它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。立方氮化硼现在用于加工黑色金属，但还达不到精密镜面切削。 3.超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用超硬磨 料砂轮？ 答：超精密磨削主要用于加工难加工材料，如各种高硬度、高脆性金属材料，其中有硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等。 这主要是由超硬磨料砂轮的特点决定的 超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的剪切应力就急速地增加，可能接近被磨材料的剪切强度极限。磨粒切削刃处受到高温和高压作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度。普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削质量。因此，在超精密磨削时，一般采用人造
中国数控机床的发展与未来
中国数控机床的发展与未来随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。 由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长30％，带动了机床市场需求30％以上的增长。从2002年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004年，国产金属切削机床年产量达到38.94万台、数控机床产量5.19万台；2005年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到34.08万台和4.33万台。 从机床结构看，2001年以来，金属切削机床产量快速增长，增长态势呈现出明显的倒U形，年均增长21.23％(算术平均)；而同期数控机床产量高速增长，年增长速度基本保持稳定，没有出现比较大的振幅，年算术平均增长率更是高达34.60％，明显快于普通金属切削机床的增长速度。 由于数控机床的增长速度明显快于普通金属切削机床，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高。2001年，机床数控化率为9.68％，2004年上升为13.32％，2005年前三季度机床数控化率保持在12.72％的水平。另外，我国机床出口增长较快。2001年我国出口金属加工机床4.55万台，金额2.90亿美元；2004年出口6.19万台，价值5.40亿美元。 2005年前三季
度，出口分别达到4.86万台和5.69亿美元，同比增长10.6％、54.8％。过去5年我国机床出口数量和金额年均增速分别达到 9.74％、 24.74％。 但值得注意的是，高档数控机床仍大量进口。从2001年开始，我国就成为世界上最大的机床进口国。最近5年，我国用于机床进口的外汇高速增长，进口用汇是出口收汇的近10倍。2004年，我国进口金属加工机床12.78万台，价值59.16亿美元，同比分别增长2.7％和43.3％；2005年前三季度，进口量达8.75万台，价值49.29亿美元。 我国数控机床的发展经历了30年的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期。2002-2008年，我国金属切削机床产量年均增长18.58％；而同期数控机床产量年算术平均增长率更是高达33.22％，明显快于普通金属切削机床的增长速度。同时，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高。机床的产量数控化率从2001年的9.12％上升为2008年的19.79％，同时产值数控化率也从37.8％提高到2008年的48.6％。2009年行业重点企业机床产值数控化率达到50％以上。 行业规模不断壮大，国产高档数控机床明显进步，国产中高档数控系统取得重大突破，这些都充分说明，中国数控机床整体水平全面提升。在数量持续增长的同时，数控机床的质量也在追赶世界的进程中不断加速。同时，作为数控机床核心技术的国产数控系统同样取得
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。. 15、砂带磨削的方式包括闭式砂带磨削和开式砂带磨削，又称为“弹性”磨削、“冷态”磨 削、“高效”磨削、“廉价”磨削、“万能”磨削。 16、超精密机床主轴的驱动方式主要有：电动机通过带传动驱动机床主轴、电动机通过柔 性联轴器驱动机床主轴、采用内装式同轴电动机驱动机床主轴。 17、今年生产的中小超精密机床多采用T形机床总体布局。 18、保证零件加工精度的途径： ○1靠所用的机床来保证，即机床的精度要高于工件所要求的精度，这是“蜕化”原则，也称之为“母性”原则。 ○2在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高，这是“进化”原则，也称之为“创造性”原则。 19、提高现有设备加工精度的途径：误差的隔离和消除和误差的补偿。 20、加工精度的检测分为：离线检测、在位检测和在线检测。 21、误差补偿的形式或方法包括：误差的修正、校正、抵消、均匀化、钝化、分离等。 22、误差补偿系统的组成：误差信号的检测、误差信号的处理、误差信号的建模、补偿控 制和补偿执行机构。
精密加工技术期末复习资料
1.精密加工研究包括哪些主要内容？ 精密加工机床，金刚石刀具，精密切削机理，稳定的加工环境，误差补偿，精密测量技术二.实现精密与超精密加工应具备哪些条件？试结合金刚石刀具精密切削简述切削用量对加工质量的影响及主要控制技术？ ①精密加工机床-精密机床主轴轴承要求具有很高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于主轴轴承 ②金刚石刀具-金刚石刀具的刀口半径只能达到0.1-0.3/um。当刃口半径小于0.01um时，必须解决测量上的难题。金刚石晶体的晶面选择。金刚石刀具刃口的锋利性 ③精密切削机理-掌握其变化规律 ④稳定的加工环境-包括恒温防振和空气净化 ⑤误差补偿-通过消除或抵消误差本身的影响，达到提高加工精度的目的 ⑥精密测量技术-精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级 3.试述常用几种主轴轴承的特点，并说明为什么目前大部分精密和超精密机床采用空气轴承？ ①液体静压轴承-特点：转动平稳无振动，达到较高的刚度 空气轴承-特点：刚度低，承受载荷小 ②空气轴承造成的热变形小，刚度低，只能承受较小的载荷，超精密切削时切削力小，空气轴承能满足要求 4.试述在线检测和误差补偿技术在精密加工中的作用 精密和超精密加工的精度是依靠检测精度来保证的，而为了消除误差进一步提高加工精度，必须使用误差补偿技术 5.常用微量进给装置有哪些种类与作用？ ①机械传动或液压传动式②弹性变形式③热变形式④流体膜变形式⑤磁致伸缩式⑥电致伸缩式作用：为了实现精密与超精密加工 6.金刚石刀具破损形式 ①裂纹：结构缺陷可产生裂纹，另外当切屑经过刀具表面时，金刚石收到循环应力的作用也可产生裂纹②碎裂：由于金刚石材料较脆，在切削过程中收到冲击和振动都会使金刚石刀刃产生细微的解理形成碎裂③解理：金刚石晶面方面选择不当，切削力容易引起金刚石的解理，刀具寿命下降 7.金刚石刀具磨损形式 ①机械磨损②破损③碳化磨损 8.微量进给机构的作用及类型 ①电致伸缩微量进给装置，作用：用于误差在线补偿②机械结构弹性变形微量进给装置，作用：用于手动操作③压电或电致伸缩微量进给装置，作用：用于实现自动微量进给 9.导轨类型 ①滚动导轨②液体静压导轨③气浮导轨和空气静压导轨 10.为什么精密切削加工会产生碾压作用？ 在刃口圆弧处，不同的切削深度，刀具的实际前角是变化的，实际前角为较大的负前角，在刀具刃口圆弧处将产生很大的挤压摩擦作用，被加工表面将产生残余压应力 1.精密磨削加工按磨料加工大致分为哪几类？试述其特点及适用场合 ①磨料加工，固结磨料加工：磨削，砂轮磨削，砂带磨削研磨等 游离磨料加工：抛光，研磨：干式研磨，湿式研磨，磁式研磨。滚磨：回转式，振动式，离心式，主轴式，涡流式，衍密等②特点磨削除可以加工铸铁、碳钢。合金钢等一些一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料如淬火钢，但不宜精加工塑性
精密和超精密加工基础试题
《精密超精密加工技术》期末试题 1～6题为必答题（每题10分）。 1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领 域？ 答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。 超精密加工领域包括： （1）超精密切削加工。如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。 （2）超精密磨削和研磨抛光加工。如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。 （3）精密特种加工。如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。 2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人 造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？ 答：超精密切削对刀具性能的要求：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尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷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、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。 天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。 人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。 人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。
精密和超精密加工现状与发展趋势
精密和超精密加工现状与发展趋势 核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。 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。 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。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm。电化学抛光可提高到Ra0.1~0. 08μm。
数控机床的参考指标
（1）数控机床的主要技术规格 数控车床主要有床身、刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等；数控铣床主要有工作台、工作台T形槽、工作台行程等规格尺寸。 （2）数控机床的运动指标 数控机床主轴采用直流或交流伺服电动机驱动，选用高速精密轴承支撑，保证主轴具有较宽范围和较高回转精度，以及较高的刚度和抗震性。现代数控机床的主轴普遍达到5000～10000r/min，甚至更高的转速。主轴转速可以通过操作面板上的“主轴转速倍率”开关直接改变，其调节范围为50％～120％，每档间隔为5％～10％。 （3）数控机床的精度指标 1）脉冲当量（分辨率） 脉冲当量是影响数控机床加工精度和表面质量的主要因素,因而是数控机床的重要精度指标.普通数控机床的精度指标是0.001mm,经济型数控机床的精度指标为0.01mm,精密或超精密数控机床的精度指标为0.001 mm～0.0001mm。 2）定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精度.实际位置与指令位置的差值为定位误差.引起定位误差的因素包括伺服系统、检测系统、进给系统误差，以及运动部件的几何误差。定位误差将直接影响零件加工的精度，一般数控机床的定位精度为0.001 mm～0.018mm。通俗来讲定位精度就是程序指定移动量与实际移动量之间的误差。比如：程序输入X轴正方形移动50mm 实际测量移动量是49.95 这个定位精度就是0.05/50 3）重复定位精度 重复定位精度是指在相同的条件下，采用相同的操作方法，重复进行同一动作时，得到的一致性程度。一般数控机床的重复定位精度为0.008mm。重复定位精度就是每次前进和退回是不是停留在同一个点上。比如：当前测量X轴位置表显示50mm程序给定指令正方向进给50mm，表显示可能是99.05mm （因为有误差）然后程序给定指定负方向进给50mm，此时如果没有误差的话应该是50mm，但是因为重复定位误差，这时候表可能显示50.05mm或者49.95mm 此时的重复定位精度就是0.05/50 （4）刀具系统 数控机床包括刀架工位数、刀具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间等各项内容。加工中心刀库的容量与换刀时间直接影响着生产效率。通常数控车床的刀抬容量
精密与超精密加工
摘要： Cu,Al 这两种金属及其合金对我们来说并不陌生，在我们的日常生活用品中，工厂，工件工艺品以及国家电力电网，航空航天等领域都有铜，铝的身影。不可否认的是，这两种金属对我们的生活生产有着很重要的影响。但就这两种金属而言，在自然界中总是以他们的化合物形式存在。随着工业化的推进，Cu化合物，Al化合物的形式越来越多样化，精度要求也越来越高，于是，对这些金属化合物的加工方法逐渐向着精密与超精密方向发展。 正文： Cu,Al及合金的精密与超精密加工方法的新展 Cu更Al在自然界是广泛分布的，而 Al是自然界中分布第二广的金属，由于其化学性质比较活泼，在外界总是以化合物的形式存在，Al2Co3,AlCl3,...都是其广泛存在的形式。Al还具有密度轻，导电性良好的特点，因此应用范围很大。在轻工业，有日用五金，家用电器；在电气行业，有高压输电线，变压器线圈，感应电动机；在电子行业的电视机，收音机，机械制造业、汽车行业、冶金行业、建筑行业、包装材料也有很多应用。 而Cu的化学性质不活泼，接近于惰性金属，但在自然界中也总是以化合物的形式存在。在空气中放一段时间，和铝一样，在其表面也有一层致密的氧化膜。Cu以其很好的导电性，良好的延展性以及耐腐蚀性，在输电线，印刷版，船舶上有很大的应用。 正是由于这些金属合金的广泛运用，因此其材料加工的精密程度就备
受关注。 一直以来，像铜，铝这样的金属材料可以用金刚石刀具切削，电化学加工法来溶解，氧化金属氧化物表面，使金属及其合金表面获得更高的加工精度。众所周知，精密加工通常是指加工精度在0.1~1ｕｍ，加工表面粗糙度Ｒａ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Ｒａ小于０.０１ｕｍ的加工方法称为超精密加工。 比如铜及其合金的加工已经高度自动化，称为现代化大工业的重要组成部分。在现代生产中，铜的真空熔炼与铸锭方法可以生产电真空无氧铜、镍合金、含有易氧化烧损的铜合金。非真空感应熔炼、卧式连续铸造加工技术近十年来有巨大发展，主要表现为卧式连铸锡磷青铜的生产工艺。在特殊加工技术中，高精度异形铜带，内氧化弥散强化无氧铜，大面积杂断面异形铸造技术的发展就是现代铜加工技术精密化方向的展现。 纵观国内外40多年超精密机床发展史，可以总结出两大特点：一是大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，对超精密机床产业化和商品化起着推动的作用；二是超精密机床的模块化、系统化是其进入市场的重要技术手段。 当今超精密机床技术的发展趋势是：技术上不断朝着加工的极限方向发展，向更高精度、更高效率方向发展，向大型化、微型化方向发展；功能上向加工检测补偿一体化方向发展；结构上向多功能模块化方向发展；功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展，总体来
浅析-超精密加工机床现状及展望
浅析超精密加工机床现状及展望 X建锋学号：11309017 (XX大学机械工程学院XX) 摘要：本文主要讨论超精密加工以及加工机床的发展历程、国内外现状、关键技术要点以及展望。通过对超精密加工机床的现状和难点分析，总结了未来超精密加工机床的发展趋势，并且具体给出了超精密加工机床的重点需要突破革新的要点和对策。 关键字：超精密加工、超精密加工机床、精度、效率。 0 前言 超精密加工技术是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。超精密加工技术是现代制造技术之一，它与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，主要包含有超精密制造、超精密检测、超精密环境控制及其各类辅助研究分支。大部分仪器系统和设备都是通过机床加工出来的，如隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。目前隐形眼镜的加工工艺主要有三种：分别是旋转成型工艺、切削成型工艺和模压成型工艺。计算机硬盘驱动器、光盘和复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。当现有加工设备不能满足零件加工要求时，必然要设计新设备，这就是我们经常提起的超精密机床的研究，而超精密加工机床的结构设计是其中最关键的技术之一。一个高精密机床的设计不仅仅是机械部门一个单元能完成的，它受到材料、物理、设计和工艺水平等多个环节和整个系统的综合影响。本文主要从超精密加工的起源、内涵、影响因素、研究方向和对策等方面来阐述超精密加工机床结构。
1 超精密加工相关知识概述 超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同历史时期，不同的科学技术发展水平的情况下，有不同的理解。通常我们认为一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密加工技术。被加工尺寸大小不同，超精密加工的界别也会不同，通常认为精度与加工尺寸之比(精度比)达到10-6量级也称为超精密加工[1]。 超精密加工的发展经历了如下三个阶段。 (1)20世纪50年代至80年代为技术开创期。20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密切削——单点金刚石切削，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等[2]。这一时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等。 (2) 20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。20世纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床称为超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1.625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有±25nm的加工[2]。 (3) 20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。从1990年起，由于汽车、