先进制造技术论文-超精密加工技术.doc

金陵科技学院论文

先进制造技术——课程结业（论 文）

设计(论文)题目： 超精密加工技术

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金陵科技学院论文 目录
目 录

摘 要 II
关键词 III
1 绪 论 1
2 超精密加工技术综述 2
2.1 超精密加工技术的内涵及其重要性 2
2.2 超精密加工技术的国内外发展现状 2
3 超精密加工的主要方法 4
3.1 超精密切削加工 4
3.2 超精密磨料加工 4
4 超精密机床 6
4.1超精密主轴 6
42机床的布局和导轨 6
4.3超精密驱动系统 6
4.4在线监测与误差补偿问题 6
4.5金刚石刀具在超精密切削技术中的应用 7
5 结 论 8
参考文献 9

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金陵科技学院论文 摘要
超精密加工技术的发展

摘 要
精密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，因此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。
精密超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。

关键词：超精密；微米；纳米；尖端产品；数字控制

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金陵科技学院论文 第1章 绪论
1 绪 论
超精密加工技术综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术等，是尖端技术产品发展中不可缺少的关键环节… 。同时， 超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光 学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。从某种意义上说 ，超精密加工对先进制造技术特别是纳米技术对整个社会生产力水平的提高起到举足轻重的地位，也成为衡量一个国家科技发展的标准之一 。
目前超精密加工还没有确切的定义，一般是指达到绝对加工精度为0.1µm或表面粗糙度 为Ra 0.0lµ m以及达到加工允差和加工尺寸之比为106的加工技术。超精密加工对环境的要求十分严格，纳米加工对环境的要求就更加苛刻。只有对它的支撑环境加以严格控制，才能保证加工精度。加工所需的支撑环境主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等几个方面。本文着重介绍温度环境以及振动环境两个方面的环境因素以及一般的解决措施 。

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金陵科技学院论文 第2章 超精密加工技术综述
2 超精密加工技术综述
2.1 超精密加工技术的内涵及其重要性
当前，精密加工是指加工精度为1～0.1μm、表面粗糙度为Ra0.1～0.025μm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.025μm的加工技术，因此，超精密加工又称之为亚微米级加工。但是，目前超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的技术。  
从精密加工和超精密加工的范畴来看，它应该包括微细加工、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值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示。   
光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高加工精度其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实际上，这些加工方法不仅能提高表面质量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年来提出的一个新的名词术语，它与光整加工是对应的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质，又要提高加工精度(包括尺寸、形状位置精度)的加工方法。
航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能影响很大。该轴承为真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度要求为Ry0.01μm，即1nm，其圆度和圆柱度均要求纳米级精度。被送入太空的哈勃望远镜(HST)，可摄取亿万千米远的星球的图像，为了加工该望远镜中直径为2.4m、重达900kg的大型反光镜，专门研制了一台形状精度为0.01μm的加工光学玻璃的六轴CNC研磨抛光机。据英国Rolls-Royce公司报道，若将飞机发动机转子叶片的加工度，由60μm提高到12μm、表面粗糙度由Ra0.5μm减少到0.2μm，发动机的加速效率将从89%提高到94%；齿轮的齿形和齿距误差若能从目前的3～6μm，降低到1μm，则其单位重量所能传递的扭距可提高近1倍。
当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。

2.2 超精密加工技术的国内外发展现状
在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。
我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超精密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。
在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。

金陵科技学院论文 第3章 超精密加工的主要方法
3 超精密加工的主要方法
3.1 超精密切削加工
3.1.1 超精密切削加工的历史
60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等，各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。
3.1.2 超精密切削对刀具的要求
为实现超精密切削，刀具应满足以下要求。

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很高的尺寸耐用度。
2.有研磨得特别锋利的刀口。刀口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度。刀尖无缺陷。因切削时刀形将印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面和工件材料的抗黏结性号、化血亲和性小、摩擦系数小的要求。
3.2 超精密磨料加工
国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4 μm。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要 用于磨削难加工材料，精度可达0.025 μm。日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、 高效率的超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高的平面度, 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。技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性的作用。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 Grinding）。
塑性磨削 它主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shere Mode Grindins）。由此磨削后的表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时的元规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。
（2）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）。镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID首次解决了仅用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。
金陵科技学院论文 第4章 超精密机床
4 超精密机床
4.1关键技术在超精密机床中的应用
超精密机床的质量，取决于关键部件的质量。世界各国都给予了足够的重视，投入大量人力物力，对超精密机床的关键部件和关键技术进行开发研究。
4.1.1超精密主轴
精密主轴部件的回转精度决定了精密机床的加工精度，其关键在于精密轴承。早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承，制造超精密级的滚动轴承变得尤为困难。
于是推出了液体静压轴承，这种轴承具有刚度高、动态特性好等特点，但发热是其致命的弱点。20世纪60年代开始发展空气轴承主轴，与液体静压轴承相比，它有很高的回转精度、温升甚小，空气轴承的应用促进了超精密机床的发展。空气轴承的主要问题是刚度低，只能承受较小的载荷。超精密切削时，切削力甚小，因此空气轴承能满足要求，故得到广泛的应用。
4.2机床的布局和导轨
超精密机床的总体布局对其性能好坏起决定性影响。对于超精密车床来说，一般有z和x两个方向的导轨，某些机床，如Moore车床，还增加一个垂直的转轴。目前超精密机床的总体布局有十字形滑板工作台布局、T形布局、Rθ布局、偏转圆转角布局、立式结构布局。
超精密机床床身结构因材料不同而异。目前，花岗岩已是制造超精密机床的床身和导轨的热门材料，这是因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈等。导轨的类型有液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨。
4.3超精密驱动系统
现在当多的相超精密机床采用精密滚珠丝杠作为进给系统的驱动元件，但是由于丝杠的螺距有一定制造误差，影响进给运动的平稳性。为此，在更高要求时采用摩擦驱动。摩擦驱动具有运动平稳、无反向间隙等特点，在一些轻载、低速的超精密加工设备及检测设备上得到了应用。近年来，直线电机在超精密加工设备的驱动上得到了广泛的应用，也成为一个趋势。和传统的伺服电机加滚珠丝杠不同,在直线电机与机床工作台之间,没有直接的机械联系,而是依靠磁性驱动作用,从而实现机床进给系统的零传动,极大地减小了各种传动误差。
4.4在线监测与误差补偿问题
现在国外生产的超精密机床，都装有在线检测系统，检测机床运动部件的位移，并和精密数控系统组成精密反馈闭环控制系统，以保证加工的尺寸精度。现在超精密机床的在线检测系统大部分都是使用双路双频激光干涉测距仪，因为它有很高的测量分辨率和测量精度，使用分光镜容易实现多路测量。精密检测是超精密加工的必要手段,误差补偿是提高加工精度的有效措施。关键技术主要有几何尺寸的纳米级测量。包括测量基准的建立、测量仪器的研究表面质检测技术及其侧量仪器的研究、测量集成技术的研究、空间误差补偿技术的研究。
4.5金刚石刀具在超精密切削技术中的应用
金刚石刀具是超精密切削中的重要关键。金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，这对刀具的使用性能有着重要的关系；再就是金刚石刀具的研磨质量———切削刃钝圆半径γn，它关系到切削变形和最小切削厚度，因而影响加工表面质量。使用单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以加工出超光滑的加工表面。1986年开始日本大阪大学和美国LLL实验室合作进行了一项名为“超精密切削极限”的实验研究，研究结果表明，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的条件下，金刚石刀具的超精密切削，可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。

金陵科技学院论文 第5章 结论
5 结 论
超精密加工，是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。我国的制造业发展已进入了高速发展阶段，中国民营企业已具备足够的经济实力来使企业迈向现代化，先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入，相信我国的制造业会更快速、更健康地发展。

参考文献
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[3]王志标, 杨辉. 超精密加工技术在新形势下面临的任务[J]. 航空精密制造技术, 2004, 40(3)：1-5. 
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