先进制造工艺技术.

2.5 ±0.1
650×250
Ultraprecision Lathe (IPT，德国) ≤0.048
0.044μm/80mm 0.044μm/80mm
0.1 0.002～0.005RMS
10 2 主轴系统
典型金刚石切削机床
美 国 Moore 公 司 M-18AG 金刚石车床
主轴采用空气静压轴承， 转速5000转/分，径跳＜ 0.1μm；
人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。
金刚石刀具对超精密切削的适应性
金刚石刀具刃口的锋利性 －最小圆弧半径可以达到2nm
金刚石刀具刃口的粗糙度 －可达到Ry10nm
金刚石刀具切削刃有良好的复印性
材料
金刚石 TIC Fe Cu Al
晶界圆弧半径 /nm
2.0 1.1 2.9 3.7 5.7
国内主要的研究单位有北京机床研究所、清华大学、哈尔滨 工业大学、中国科学院长春光机所应用光学重点实验室、大连理 工大学和浙江工业大学等。
4）在线检测盒误差补偿
工件检测 光波干涉测量 隧道扫面显微镜 机床本身精度检测 主轴工作台径向跳动 机床重复定位检测
恒温 超净 防振 恒湿
精密/超精密加工技术的内涵和特征
精密/超精密加工技术是适应现代 化技术发展的一种机械加工新工艺， 它综合应用了微电子技术，计算机技 术，激光技术，使加工技术产生了飞 跃发展
一 精密/超精密加工技术的内涵
精密与超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度 的精密加工工艺。随着加工技术的发展，精密加工的技术指标 也在不断变化。
Hubble望远镜
微细齿轮
四 精密与超精密加工技术加工方法
传统型 主要依靠机械力去除工件材料 特种型 采用其他形式的能量去除工件材料 复合型 传统方法的复合 特种方法的复合
传统方法和 特种方法的复合
超精密切削（车削、铣削） 超精密磨削 超精密研磨、抛光 微细（超微细，纳米）加工
宏观加工技术 微观加工技术
五 精密与超精密加工技术关键技术
1 加工机理（以金刚石刀具超精密切削为例）
1）刀具要非常锐利 切削刃钝圆半径要很小 2） 刀刃能承受巨大切应力 3） 刀刃具有很强的高温强度和高温刚度
2） 技术要求
超微量切削特征 刀尖附近的极小局部区域能承受高温高压 实现超薄切削 刀刃平直 工件材料的抗粘性好，化学亲和力好，摩擦
2.5 - 0.75 0.70 - 0.20 1.25 - 0.38
超精密加工
0.20 - 0.25 0.12 - 0.02 0.25 - 0.13
平面度
1.25 - 0.38
0.25 - 0.13
表面粗糙度
0.10 - 0.025
≦0.025
亚微米加工 加工精度达到0.1微米级的加工
纳米加工 纳米级0.1 – 10 nm材料的产品 设 计、加工、检验、控制等一系列技术
金刚石切削机床
要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等
型号(生产厂家)
径向跳动(μm)
主轴
轴向跳动(μm) 径向刚度(N/μm) 轴向刚度(N/μm)
Z向(主轴)直线度
导轨
X向(刀架)直线度 X、Z向垂直度(")
重复定位精度(μm)
加工
形面精度(μm)
工件 精度
表面粗糙度(μm)
位置反馈系统分辨率(μm)
金刚石刀具的热化学性能
最小圆弧半径的计算值
－有较高的热导率和比热容，低的摩擦系数
－高温时易氧化和石墨化
金刚石刀具的分类
天然单晶金刚石刀具 人工合成金刚石刀具(如美国GE 公司生产的COMPAX 牌金刚 石刀具)
－聚晶金刚石(PCD)（切割后焊在刀片上） －金刚石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂层涂覆在超硬刀具基 体上）
单晶金刚石刀具
单晶金刚石的热稳定性
MBD6型金刚石在不同温度下保温1小 时的抗压强度曲线
MBD6型金刚石在800℃加热不同时间 的抗压强度曲线
单晶金刚石刀具
CBN和单晶金刚石的热稳定性比较
金刚石刀具可切削材料
可切削材料 Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、 Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑 胶
2) 导轨及进给驱动装置：动作灵活，无爬行等不连 续动作， 直线精度好。通常采用空气静压导轨 。
空气静压导轨
摩擦驱动原理图
NAM800
LODTM超精密金刚 石车床
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
影响表面形成的因素
切削刃的粗糙度 切削刃口的复映性 毛刺与加工变质层
H

R


R
2


f2 4
1/ 2


f2 8R
H

cot

f
cot



金刚石切削刀具
超精密切削刀具应具备的条件： 刀具刃口的锋利性好。刃口半径值极小，能实现超薄切削 厚度。 切削刃的粗糙度低。切削时刃形将复制在被加工表面上， 从而得到超光滑的镜面。 刀具与被切削材料的亲和性低。以得到极好的加工表面完 整性。 切削刃强度高、耐磨损
切屑
M
终滑移线
A Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
金刚石切削刀尖的切削模型
金刚石切削垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映
t0－变质层深度；t1－给定切深；t2－实际切深； Δ－毛刺产生的粗糙度增量
金刚石切削机理
切削表面形成模型
理想刀具切削刃在工件表面的复印轮廓
不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石
金刚石刀具对超精密切削的适应性
金刚石的性能
硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很 大。
优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12 面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无 杂质、无缺陷。
大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而 成，并且要求很长的晶体生长时间。
≤0.05(500r/min) 100 200
＜0.2μm/100mm ≤1
圆度：0.1 Ra0.0042
≤0.5μm/410mm 1
1(全程)、0.5(25.4mm) 平面度：0.3 0.0075(P-V值)
＜0.1(P-V值) Ra0.002
≤0.004 ≤2 320
25 ±0.006
2 356
温控精度(℃)
隔振系统固有频率(Hz)
加工范围(mm)
国内外典型超精密车床性能指标
HCM-Ⅰ (中国哈工大)
M-18AG (莫尔特殊机床,美国)
≤0.075
Ultraprecision CNC machine
(东芝,日本)
≤0.05(500r/min)
220 160 ＜0.2μm/100mm
≤0.05 ≤0.5μm/230mm
金刚石车床及其加工照片
金刚石车床
加工4.5mm陶瓷球
金刚石切削的应用
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
系数小
3）加工机床
目前的超精密加工机床一般采用高精度空气静压轴承 支撑主轴系统；空气静压导轨支撑进给系统的结构模式。
另外，要实现超微量的切削，必须配有微量移动工作 台的微进给驱动装置（摩擦驱动方式）和满足刀具角度微 调的微量进给机构，并实现数字控制。
1）主轴：要求极高的回转精度和刚度。 空气静压轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的回转精度。
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
金刚石切削机理
刀尖附近二维切削模型
M
O F
金属切削模型 弹性变形→剪切应力增大，达 到屈服点→产生塑性变形，沿 OM线滑移→剪切应力与滑移 量继续增大，达到断裂强度→ 切屑与母体脱离。
刀具切削刃比较
立方氮化硼烧结体（CBN） 单晶金刚石
金刚石粉烧结体
单晶金刚石刀具
金刚石的晶体结构和刃磨
立方体
八面体
十二面体
多晶金刚石研磨后的刀刃
单晶金刚石研磨后的刀刃
单晶金刚石刀具
单晶金刚石的硬度（努氏硬度）
单晶金刚石刀具
单晶金刚石的热稳定性
金刚石的热稳定性与周围介质、硬度等有关
金刚石在不同介质条件下受热升温时所发生的状态
一般加工：精度值1-10μm左右，Ra0.1～0.8μm 精密加工：精度值0.1-1μm左右，Ra0.1μm以下 超精密加工：精度值0.1μm以下，Ra0.02μm以下 纳米加工：精度值低于0.001μm，Ra小于0.005μm
当前精密加工和超精密加工的水平
项 加工类别 目 尺寸精度
圆度
圆柱度
精密加工
微细加工 制造微小尺寸零件的生产加工技术 （半导体集成电路）
光整加工 降低加工工件表面粗糙度和提高表面 层物理和力学性能的加工方法(抛光 磁流加工 磨 料流加工）
精整加工 既能提高加工精度，又能提高表面质量 的加工方法（研磨 双端面研磨）
二 精密与超精密加工技术的特点
1 微量切削 2 综合性高技术 3 采用自动化技术来保证加工精度和表面质
5）工作环境
金刚石刀具切削
用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削 称为金刚石刀具切削或SPDT（Single Point Diamond Turning） 金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金 属材料的精密加工
利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好
金刚石切削机理
量 （计算机控制 在线控制 自适应控制 ） 4 综合应用各种加工方法 （传统切削和磨削 特种加工 复合加工）
三 精密与超精密加工技术的应用
1 超精密零件加工、 2 超精密异形零件加工 3 超精密光学零件加工
飞机发动机的叶片
陀螺仪
大规模集成电路
芯片局部显微图像
单晶硅切片制造芯片
切割封装
液体静压导轨，直线度达 0.05μm/100mm；
数控系统分辨率0.01μm。
刀具夹持器 回转工作台
刀具 工件 主轴
传动带
主轴电机 空气垫
Moore金刚石车床
典型金刚石切削机床
T形布局
X轴滑台
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。
主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度 / 径向
（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 1140 1020 640 720
主轴
刀架
光路护罩
z轴滑台
基座
周缘 护板
T形布局的金刚石车床
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
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
知识回顾 Knowledge Review