精密和超精密加工技术及其发展展望.ppt

1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状1.3 1.3 超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望第一章 精密和超精密加工技术及其发展展望精精密密和和超超精精密密加加工工代代表表了了加加工工精精度度发发展展的的不不同同阶阶段段，通通常常，按按加加工工精精度度划划分分，可可将将机机械械加加工工分分为为一一般般加加工工、精密加工、超精密加工三个阶段精密加工、超精密加工三个阶段。精精密密加加工工：加加工工精精度度在在0.10.11 1m m，加加工工表表面面粗粗糙糙度度在在Ra0.02Ra0.020.10.1m m之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；超超精精密密加加工工：加加工工精精度度高高于于0.10.1m m，加加工工表表面面粗粗糙糙度度小于小于Ra0.01Ra0.01m m的加工方法称为超精密加工。的加工方法称为超精密加工。(微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 )一一精密和超精密加工精密和超精密加工1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性提提高高制制造造精精度度后后可可提提高高产产品品的的性性能能和和质质量量，提提高高产产品稳定性和可靠性；品稳定性和可靠性；促进产品小型化；促进产品小型化；增增强强零零件件的的互互换换性性，提提高高装装配配生生产产率率，并并促促进进自自动动化装配。化装配。二二提高加工精度的原因提高加工精度的原因1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性超超精精密密加加工工所所能能达达到到的的精精度度、表表面面粗粗糙糙度度、加加工工尺尺寸寸范范围围和和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。金金刚刚石石刀刀具具切切削削刃刃钝钝圆圆半半径径的的大大小小是是金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密切切削削的的一一个个关关键键技技术术参参数数，日日本本声声称称已已达达到到2nm，而而我我国国尚尚处处于于亚亚微微米米水水平平，相相差差一一个个数数量量级级(国国际际上上公公认认0.1nm100nm为为纳纳米米尺尺度度空空间间，100nm1000nm为为亚亚微微米米体体系系，小小于于1个个纳纳米米为为原子团簇原子团簇)；金金刚刚石石微微粉粉砂砂轮轮超超精精密密磨磨削削在在日日本本已已用用于于生生产产，使使制制造造水水平平有有了了大大幅幅度度提提高高，突突出出地地解解决决了了超超精精密密磨磨削削磨磨料料加加工工效效率率低低的问题。的问题。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性1超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一三三发展超精密加工的重要性发展超精密加工的重要性计计算算机机工工业业的的发发展展不不仅仅要要在在软软件件上上，还还要要在在硬硬件件上上，即即在在集集成成电电路路芯芯片片上上有有很很强强的的能能力力，我我国国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美美国国制制造造工工程程研研究究者者提提出出的的汽汽车车制制造造业业的的“两两毫毫米米工工程程”（车车身身尺尺寸寸变变动动量量控控制制在在以以内内）使使汽汽车车质质量量赶赶上上欧欧、日日水水平平，其其中中的的举举措措都都是是实实在在的制造技术。实实在在的制造技术。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性2 2 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 超精密加工的需求国防工业上的需求国防工业上的需求超精密加工技术在超精密加工技术在尖端产品和现代化武器尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要地位。例如：对于的制造中占有非常重要地位。例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中命中精度精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所，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。工技术和相应的设备。例如：美国民兵例如：美国民兵型洲际导弹系统型洲际导弹系统（1250012500公里）陀螺仪的精度为公里）陀螺仪的精度为0.030.030.050.05/h/h，其命中精度的圆，其命中精度的圆概率误差为概率误差为500m500m，而，而MXMX战略导弹战略导弹(11000(11000公里可装载公里可装载l0l0个核弹头个核弹头)制制导系统陀螺仪精度比民兵导系统陀螺仪精度比民兵型导弹型导弹高出一个数量级，从而保证命中精高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有度的圆概率误差只有5050l50ml50m。美美国国“民民兵兵”型型洲洲际际弹弹道道导导弹弹发发射射 美国民兵弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机美国民兵弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机 如果如果lkglkg重的陀螺转重的陀螺转子，其质量中心偏离其对子，其质量中心偏离其对称轴称轴0.5nm0.5nm，则会引起，则会引起100m100m的射程误差和的射程误差和50m50m的的轨道误差。轨道误差。美国民兵弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机美国民兵弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机 如果如果lkglkg重的陀螺转重的陀螺转子，其质量中心偏离其对子，其质量中心偏离其对称轴称轴0.5nm0.5nm，则会引起，则会引起100m100m的射程误差和的射程误差和50m50m的的轨道误差。轨道误差。信息产品中的需求信息产品中的需求航天与民用产品中的需求航天与民用产品中的需求又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制又如，已被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制140亿亿光年光年远星球图象的哈勃望远镜，其一次镜要求使用直径远星球图象的哈勃望远镜，其一次镜要求使用直径2.4m2.4m，重达，重达900kg900kg的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了超精密加工为此，专门研制了超精密加工(形状精度为形状精度为0.01m)0.01m)光学玻光学玻璃用的璃用的6 6轴轴CNCCNC研磨抛光机。研磨抛光机。红红外外线线探探测测器器反反射射镜镜，其其抛抛物物面面反反射射镜镜形形状状精精度度为为1m，表表面面粗粗糙糙度度为为Ra0.01m，其其加加工工精精度度直直接接影影响响导导弹弹的的引引爆爆距距离离和和命中率。命中率。激激光光核核聚聚变变用用的的曲曲面面镜镜，其其形形状状精精度度小小于于1m，表表面面粗粗糙糙度度小于小于Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。，其质量直接影响激光的光源性能。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性3 3 国防工业上的需求国防工业上的需求 计计算算机机上上的的芯芯片片、磁磁板板基基片片、光光盘盘基基片片等等都都需需要要超超精精密密加加工工技技术术来来制制造造。录录像像机机的的磁磁鼓鼓、复复印印机机的的感感光光鼓鼓、各各种种磁磁头头、激激光光打打印印机机的的多多面面体体、喷喷墨墨打打印印机机的的喷喷墨墨头头等等都都必必须须进进行行超超精精密密加加工工，才才能能达达到到质质量量要要求。求。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性4 4 信息产品中的需求信息产品中的需求硬盘工作原理硬盘工作原理 盘体由多个盘片组成，磁头读取数据时，盘片高速旋转，盘体由多个盘片组成，磁头读取数据时，盘片高速旋转，磁头处于离盘面数据区微米高度的磁头处于离盘面数据区微米高度的 飞行状态飞行状态。既不与盘。既不与盘面接触造成磨损，又能很好的读取数据。磁头之所以能够面接触造成磨损，又能很好的读取数据。磁头之所以能够飘浮起来，完全是靠空气的浮力。飘浮起来，完全是靠空气的浮力。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性5 5 民用产品中的需求民用产品中的需求 现现代代小小型型、超超小小型型的的成成像像设设备备，如如摄摄相相机机、照照相相机机等等上上的的各各种种透透镜镜，特特别别是是光光学学曲曲面面透透镜镜，激激光光打打印印机机、激激光光打打标标机机等等上上的的各各种种反反射射镜镜都都要要靠靠超超精精密密加加工工技技术术来来完完成成。至至于于超超精精密密加加工工机机床床、设设备备和和装装置置当当然然更需要超精密加工技术才能制造。更需要超精密加工技术才能制造。1.1 1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性发展精密和超精密加工技术的重要性四四精密和超精密加工目前包含三个领域精密和超精密加工目前包含三个领域超精密切削超精密切削精密金刚石刀具切削精密金刚石刀具切削精密和超精密磨削研磨精密和超精密磨削研磨解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工精密特种加工精密特种加工电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到0.1m1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状美国是开展研究最早的国家美国是开展研究最早的国家(单件大型零件加工单件大型零件加工)。日日本本是是当当今今世世界界上上超超精精密密加加工工技技术术发发展展最最快快的的国家国家（中小零件加工）（中小零件加工）。我我国国的的超超精精密密加加工工技技术术在在70年年代代末末期期有有了了长长足足进进步步，80年年代代中中期期出出现现了了具具有有世世界界水水平平的的超超精精密密机床和部件。机床和部件。近近年年来来，在在传传统统加加工工方方法法中中，金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密切切削削、金金刚刚石石微微粉粉砂砂轮轮超超精精密密磨磨削削、精精密密高高速速切切削削、精密砂带磨削等已占有重要地位；精密砂带磨削等已占有重要地位；在在非非传传统统加加工工中中，出出现现了了电电子子束束、离离子子束束、激激光光束束等等高高能能加加工工、微微波波加加工工、超超声声加加工工、刻刻蚀蚀、电电火火花花和和电电化化学学加加工工等等多多种种方方法法，特特别别是是复复合合加加工工，如如磁磁性性研研磨磨、磁磁流流体体抛抛光光、电电解解研研磨磨、超超声声珩珩磨磨等等，在加工机理上均有所创新。在加工机理上均有所创新。1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素1 1 加工机理加工机理 用用精精密密和和超超精精密密加加工工的的零零件件，其其材材料料的的化化学学成成分分、物物理理力力学学性性能能、加加工工工工艺艺性性能能均均有有严严格格要要求求。例例如如，要要求求被被加加工工材材料料质质地地均均匀匀，性性能能稳稳定定，无无外外部部及及内内部部微微观观缺缺陷陷；其其化化学学成成分分的的误误差差应应在在10-210-3数数量量级级，不不能能含含有有杂杂质质；其其物物理理力力学学性性能能，如如拉拉伸伸强强度度、硬硬度度、延延伸伸率率、弹弹性性模模量量、热热导导率率和和膨膨胀胀系系数数等等应应达达到到10-510-6数数量量级级；材材料料在在冶冶炼炼、铸铸造造、辗辗轧轧、热热处处理理等等工工艺艺过过程程中中，应应严严格格控控制制熔熔渣渣过过滤滤、辗辗轧轧方方向向、温温度度等等，使使材材质质纯纯净净、晶晶粒粒大大小小匀匀称称、无无方方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。2 2 被加工材料被加工材料1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状(1)高精度。高精度。(2)高刚度。高刚度。(3)高稳定性。高稳定性。(4)高自动化。高自动化。加加工工设设备备的的质质量量与与基基础础元元部部件件，如如主主轴轴系系统统、导导轨轨、直直线线运运动动单单元元和和分分度度转转台台等等密密切切相相关关，应应注注意意这这些些元元部部件件质质量量。此此外外，夹夹具具、辅辅具具等等也也要要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。3 3 加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状 加加工工工工具具主主要要是是指指刀刀具具、磨磨具具及及刃刃磨磨技技术术。用用金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密切切削削，值值得得研研究究的的问问题题有有：金金刚刚石石刀刀具具的的超超精精密密刃刃磨磨，其其刃刃口口钝钝圆圆半半径径应应达达到到24nm，同同时时应应解解决决其其检检测测方方法法，刃刃口口钝钝圆圆半半径径与与切切削削厚厚度度关关系系密密切切，若若切切削削的的厚厚度度欲欲达达到到10nm，则则刃刃口口钝钝圆半径应为圆半径应为2nm。4 4 加工工具加工工具1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状磨磨具具当当前前主主要要采采用用金金刚刚石石微微粉粉砂砂轮轮超超精精密密磨磨削削，这这种种砂砂轮轮有有磨磨料料粒粒度度、粘粘接接剂剂、修修整整等等问问题题，通通常常，采采用用粒粒度度为为W20W0.5的的微微粉粉金金刚刚石石，粘粘接接剂剂采采用用树脂、铜、纤维铸铁等。树脂、铜、纤维铸铁等。4 4 加工工具加工工具1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状 尺尺寸寸和和形形位位精精度度可可用用电电子子测测微微仪仪、电电感感测测微微仪仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表表面面粗粗糙糙度度可可用用电电感感式式、压压电电晶晶体体式式表表面面形形貌貌仪仪等等进进行行接接触触测测量量，或或用用光光纤纤法法、电电容容法法、超超声声微微波波法法和和隧道显微镜法进行非接触测量；隧道显微镜法进行非接触测量；表表面面应应力力、表表面面变变质质层层深深度度、表表面面微微裂裂纹纹等等缺缺陷陷，可可用用X光光衍衍射射法法、激激光光干干涉涉法法等等来来测测量量。检检测测可可采采取取离线的、在位的和在线的三种方式。离线的、在位的和在线的三种方式。1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5 5 检测与误差补偿检测与误差补偿误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。差本身的影响。静态误差补偿静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿动态误差补偿是在是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状5 5 检测与误差补偿检测与误差补偿超超稳稳定定环环境境条条件件是是指指恒恒温温、防防振振、超超净净和和恒恒湿湿四四方方面面的条件。的条件。环环境境温温度度可可根根据据加加工工要要求求控控制制在在10.02，甚甚至达到至达到0.0005。在在恒恒温温室室内内，一一般般湿湿度度应应保保持持在在55%60%，防防止止机机器器的的锈锈蚀蚀、石石材材膨膨胀胀，以以及及一一些些仪仪器器，如如激激光光干干涉涉仪的零点漂移等。仪的零点漂移等。洁洁净净度度要要求求1000100级级，100级级是是指指每每立立方方英英尺尺空空气中所含大于气中所含大于0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100个，依此类推。个，依此类推。6 6 工作环境工作环境1.2 1.2 超精密加工技术的现状超精密加工技术的现状1.3 1.3 超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望向更高精度、更高效率方向发展；向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不不断断探探讨讨适适合合于于超超精精密密加加工工的的新新原原理理、新新方方法法、新新材料。材料。1 1 技术发展趋势技术发展趋势(1)超精密切削、磨削的基本理论和工艺；超精密切削、磨削的基本理论和工艺；(2)超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性；超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性；(3)超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿；(4)超精密加工的环境条件；超精密加工的环境条件；(5)超精密加工的材料。超精密加工的材料。2 2 主要研究内容主要研究内容1.3 1.3 超精密加工技术发展展望超精密加工技术发展展望LODTMLODTM（美国立式大型光学金刚石车床（美国立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床被公认为世界上精度最高的超精密机床 ）OAGM2500OAGM2500英英国国的的CRANFIELDCRANFIELD精精密密加加工工中中心心于于19911991年年研研制制成成功功OAGM-2500OAGM-2500多多功功能能三三坐坐标标联联动动数数控控磨磨床床（工工作作台台面面积积2500mm2500mm），可可加加工工（磨磨削削、车车削削）和和测测量量精精密密自自由由曲曲面面。该该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中的直径机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中的直径7.5m7.5m的大型反射镜。的大型反射镜。怎样的精度可称为精密和超精密加工？怎样的精度可称为精密和超精密加工？现代机械工业提高加工精度的主要原因？现代机械工业提高加工精度的主要原因？精密和超精密加工目前包括哪些领域？精密和超精密加工目前包括哪些领域？超稳定条件主要指什么？超稳定条件主要指什么？课后思考题课后思考题