《超精密加工技术》PPT课件.ppt

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1、第三章第三章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术第三节第三节 超精密加工技术超精密加工技术加工精度的进化加工精度的进化一、概述一、概述一、概述一、概述精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状

2、误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度 精密加工与超精密加工的发展 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量

3、仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，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

4、工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧

5、化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向精密与超精密加工分类 直直接接式式进进化化加加工工：利利用用低低于于工工件件精精度度的的设设备备、工工具具，通通过过工工艺艺手手段段和和特特殊殊工工艺艺装装备备，加加工工出出所所需需工工件件。适适用用于单件、小批生产。于单件、小批生产。间间接接式式进进化化加加工工：借借助助于于直直接接式式“进进化化”加加工工原原则则，生生产产出出第第二二代代工工作

6、作母母机机，再再用用此此工工作作母母机机加加工工工工件件。适适用于批量生产用于批量生产。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特

7、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）。与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N13000 N/mmmm2 2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高高速速切切削削（与与传传统统精精密密切切削削相相反反），工工件件变变形形小小，表表层高温不会层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 用用于于铜铜、铝铝及及

8、其其合合金金精精密密切切削削（切切铁铁金金属属，由由于于亲亲合合作用，产生作用，产生“碳化碳化磨损磨损”，影响刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典典型型产产品品：光光学学反反射射镜镜、射射电电望望远远镜镜主主镜镜面面、大大型型投投影电视屏幕、影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理、特点二、金刚石超精密加工技术二、金刚石超精密加工技术二、金刚石超精密加工技术二、金刚石超精密加工技术 加工设备 要要求求高高精精度度、高高刚刚

9、度度、良良好好稳稳定定性性、抗抗振振性性及及数控功能等。数控功能等。关键技术Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如如美美国国MooreMoore公公司司M-M-18AG18AG金金刚刚石石车车床床，主主轴轴采采用用空空气气静静压压轴轴承承，转转速速5 5000000转转/分分，径径跳跳0.10.1mm；液液体体静静压压导导轨轨，直直 线线 度度 达达 0.05/100mm0.05/100mm；数数 控控 系系统分辨率统分辨率0.01 0.01。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

10、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。T形布局的金刚石车床 T形布局 金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/m40020050001000050000.10.010.2/1000.10.11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速 r/mm最大进给速度mm/min重复精度(2)/m主轴径向圆跳动/m滑台运动的直线度/m主轴前静压轴承（100mm）的刚度/（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度/（N/m）纵横滑台的静压支承刚度/（N/m）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/m横滑台对主轴的垂直度/m 金刚石刀具 超精

11、切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构：规规整整的的单单晶晶金金刚刚石石晶晶体体有有八八面面体体、十十二二面面体体和和六六面面体体，有有三三根根4 4次次对对称称轴轴，四四根根3 3次次对对称称轴轴和和六根六根2 2次对称轴（图次对称轴（图7-207-20）。）。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面 金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，

12、耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到圆角半径越小越好（理论可达到1nm1nm）单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.64.8

13、6.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000金刚石刀具角度金刚石刀具角度金刚石刀具角度金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）可可加加工工各各种种高高硬硬度度、高高脆脆性性金金属属及及非非金金属属材材料料（铁铁金金属属用用CBNCBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点：分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（

14、或金刚石笔）修整，获得所需形状；用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整在线修整 砂轮修整：三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）使使用用ELIDELID磨磨削削，冷冷却却液液为为一一种种特特殊殊电电解解液液。通通电电后后，砂砂轮轮结结合合剂剂发发生生氧氧化化

15、，氧氧化化层层阻阻止止电电解解进进一一步步进进行行。在在切切削削力力作作用用下下，氧氧化化层层脱脱落落，露露出出了了新新的的锋锋利利磨磨粒粒。由由于于电电解解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。塑性（延性）磨削 磨磨削削脆脆性性材材料料时时，在在一一定定工工艺艺条条件件下下，切切屑屑形形成成与与塑塑性性材材料料相相似似，即即通通过过剪剪切切形形式式被被磨磨粒粒从从基基体体上上切切除除下下来来。磨磨削削后后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：塑性磨

16、削工艺条件：（1 1）切切削削深深度度小小于于临临界界切切削削深深度度，它它与与工工件件材材料料特特性性和和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m1m。为为此此对对机机床床要要求求：高高的的定定位位精精度度和和运运动动精精度度。以以免免因因磨磨粒粒切切削削深深度度超超过过1m1m时时，导导致致转转变变为为脆脆性性磨磨削削。高高的的刚刚性性。因因为为塑塑性性磨磨削削切切削削力力远远超超过过脆脆性性磨磨削削的的水水平平，机机床床刚刚性性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。（2 2）磨磨粒粒与与工工

17、件件的的接接触触点点的的温温度度高高到到一一定定程程度度时时，工工件件材材料料的的局局部部物物理理特特性性会会发发生生变变化化，导导致致切切屑屑形形成成机机理理的的变变化化（已有试验作支持）。（已有试验作支持）。砂砂带带：带带基基材材料料为为聚聚碳碳酸酸脂脂薄薄膜膜，其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。砂砂带带在在一一定定工工作作压压力力下下与与工工件件接接触触并并作作相相对对运运动动，进进行磨削或抛光。行磨削或抛光。有有开开式式和和闭闭式式两两种种形形式式，可可磨磨削削平平面面、内内外外圆圆表表面面、曲面等曲面等接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径

18、向振动 精密与超精密砂带磨削用于磨削管件的用于磨削管件的砂带磨床（砂带磨床（带有带有行星系统）行星系统）几种常见砂带磨削方式几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮 砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量

19、与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理工作原理 机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工弹性发射加工 游离磨料加工 抛光轮：抛光轮：由由聚聚氨氨基基甲甲酸酸（乙乙）酯酯制制成成，磨磨料料直直径径 0.10.

20、10.01m0.01m 工作原理工作原理抛抛光光工工具具上上开开有有锯锯齿齿槽槽，靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的反反弹，增加微切削作用。弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒 工作原理工作原理活活性性抛抛光光液液和和磨磨粒粒与与工工件件表表面面产产生生固固相相反反应应，形形成成软粒子，使其便于加工。软粒子，使其便于加工。机机理理：机机械械+化化学学作作用用，称为称为“增压活化增压活化”。液体动力抛光液体动力抛光 机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压 激激光光由由于于其其优

21、优良良的的特特性性（强强度度高高，亮亮度度大大，单单色色性性、相相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还还可可以以实实现现动动态态测测量量，在在线线测测量量，并并易易于于实实现现测测量量自自动化。动化。激光测量精度目前可达激光测量精度目前可达0.01m0.01m。q 激光测量受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光

22、发生器 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。激光扫描尺寸计量系统 激光高速扫描尺寸计量系统 双频激光测量固定反射棱镜双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2+f2偏振分光镜f1f1ff+f2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（f2 f2）=f+f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测

23、量仪获得拍频f（=f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较，获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。双频激光测量系统恒温恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）恒恒湿湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统 净净化化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气隔振隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境本节结束本节结束