超精密加工技术教学ppt课件.ppt

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1、Ultraprecision machining3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 3.2.1 3.2.1 概述概述概述概述3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 超精密磨料加工超精密磨料加工超精密磨料加工超精密磨料加工3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 超精密加工设备超精密加工设备超精密加工设备超精密加工设备3.2.5 3.2.5 3.2.5 3.2.5 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术1/20/20231/20

2、/2023参考材料：参考材料：1、张建华主编、张建华主编精密与特种加工技术精密与特种加工技术2、於贻琛、於贻琛精密机床精密机床3、袁哲俊、王先逵主编、袁哲俊、王先逵主编精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术机械工机械工业出版社业出版社1/20/20231/20/20231 1 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工的技术内涵2 2 超精密加工超精密加工技术的技术的国内外发展现状国内外发展现状3 3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势3.2.1 3.2.1 概述概述1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的加工范

3、畴精密和超精密加工的加工范畴 1 精密和超精密加工的技术内涵1/20/20231/20/20231 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（1）分分分分 类类类类加工机理加工机理加工机理加工机理加工方法加工方法加工方法加工方法去除加工去除加工去除加工去除加工化学分解（气体、液体、固体）化学分解（气体、液体、固体）化学分解（气体、液体、固体）化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）电解（液体）电解（液体）电解（液体）蒸发（真空、气体）蒸发（真空、气体）蒸发（真空、气体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）扩散（固体）扩散（固体）扩散（固体）熔化（液体）熔化（液体）

4、熔化（液体）熔化（液体）溅射（真空）溅射（真空）溅射（真空）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工扩散去除加工扩散去除加工扩散去除加工熔化去除加工熔化去除加工熔化去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工粒子束溅射去除加工，等离

5、子体加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工结合加工结合加工结合加工化学附着化学附着化学附着化学附着化学结合化学结合化学结合化学结合电化学附着电化学附着电化学附着电化学附着电化学结合电化学结合电化学结合电化学结合热附着热附着热附着热附着扩散结合扩散结合扩散结合扩散结合熔化结合熔化结合熔化结合熔化结合物理附着物理附着物理附着物理附着注入注入注入注入化学镀，气相镀化学镀，气相镀化学镀，气相镀化学镀，气相镀氧化，氮化氧化，氮化氧化，氮化氧化，氮化电镀、电铸电镀、电铸电镀、电铸电镀、电铸阳极氧化阳极氧化阳极氧化阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延蒸镀（真空

6、蒸镀），晶体生长，分子束外延蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳烧结，掺杂，渗碳烧结，掺杂，渗碳烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀浸镀，熔化镀浸镀，熔化镀浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工离子溅射注入加工离子溅射注入加工离子溅射注入加工变形加工变形加工变形加工变形加工热表面流动热表面流动热表面流动热表面流动粘滞性流动粘滞性流动粘滞性流动粘滞性流动摩擦流动摩擦流动摩擦流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）热流动加工（高频电流

7、、热射流、电子束、激光）热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工微粒子流动加工微粒子流动加工微粒子流动加工1/20/20231/20/20232.2.结合加工结合加工利利用用物物理理和和化化学学方方法法，将将不不同同材材料料结结合合(Bonding)(Bonding)在在一一起起。按按结结合合的的机机理理、方方法法、强强弱弱等等，结结合合加加工工又又分分为为附

8、附着着(Deposition)(Deposition)、注入注入(Injection)(Injection)和连接和连接(Jointed)(Jointed)三种。三种。附附着着加加工工：称称为为沉沉积积加加工工，是是指指在在工工件件表表面面上上覆覆盖盖一一层层物物质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。注注入入加加工工又又称称为为渗渗入入加加工工，是是指指在在工工件件表表面面上上注注入入某某些些元元素素，使使之之与与基基体体材材料料产产生生物物理理化化学学反反应应。这这是是一一种种具具有有共共价价键键、离离子子键键、金金属属键键的的强强结结合合，用用

9、以以改改变变工工件件表表层层材材料料的的力力学学机机械械性质，如渗碳、渗氮等。性质，如渗碳、渗氮等。连接连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，如焊接、粘接等。如焊接、粘接等。1/20/20231/20/20233.3.变形加工变形加工变变形形加加工工又又称称为为流流动动加加工工，它它利利用用力力、热热、分分子子运运动动等等手手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工。近年来，人们提出了电

10、铸、晶体生长、分子束外延和快加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。例如：镁合金，钛合金的变形。例如：镁合金，钛合金的变形。1/20/20231/20/2023分分分分 类类类类加工方法加工方法加工方法加工方法可加工材料可加工材料可加工材料可加工材料应应应应 用用用用切削加工切削加工切削加工切削加工等离子体切削等离子体切削等离子体切削等离子体切削微细切削微细切削微细切削微细切削微细钻削微细钻削微细钻削微细钻削各种材料各种材料各种材料各种材料有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合

11、金低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工磨料加工磨料加工磨料加工微细磨削微细磨削微细磨削微细磨削研磨研磨研磨研磨抛光抛光抛光抛光弹性发射加工弹性发射加工弹性发射加工弹性发射加工喷射加工喷射加工喷射加工喷射加工黑色金

12、属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、非金属金属、非金属金属、非金属金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基

13、片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片硅片基片硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工特种加工特种加工特种加工电火花成形加工电火花成形加工电火花成形加工电火花成形加工电火花切割加工电火花切割加工电火花切割加工电火花切割加工电解加工电解加工电解加工电解加工超声波加工超声波加工超声波加工超声波加工微波加工微波加工微波加工微波加工电子束加工电子束加工电子束加工电子束加工粒子束去除加工粒子束去除加工粒子束去除加工粒子束去除加工激光去除加工激光去除加工激光去除加工激光去除加工光刻加工光刻加

14、工光刻加工光刻加工导电金属，非金属导电金属，非金属导电金属，非金属导电金属，非金属导电金属导电金属导电金属导电金属金属，非金属金属，非金属金属，非金属金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽切断，切槽切断，切槽

15、切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线打孔，切断，划线打孔，切断，划线打孔，切断，划线划线，图形成形划线，图形成形划线，图形成形划线，图形成

16、形复合加工复合加工复合加工复合加工电解磨削电解磨削电解磨削电解磨削电解抛光电解抛光电解抛光电解抛光化学抛光化学抛光化学抛光化学抛光各种材料各种材料各种材料各种材料金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面平面平面平面精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（2）1/20/20231/20/2023工具等工具等工具等工具等加

17、工装置加工装置加工装置加工装置材料材料材料材料用途、零件等用途、零件等用途、零件等用途、零件等镜镜镜镜面面面面切切切切削削削削 金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋利化利化利化利化 利用利用利用利用CBNCBN刀具切刀具切刀具切刀具切削钢削钢削钢削钢 金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶方位选择方位选择方位选择方位选择 金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评价改进型价改进型价改进型价改进型SEMSEM 采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及空气道轨等的高精

18、度化空气道轨等的高精度化空气道轨等的高精度化空气道轨等的高精度化 高刚度化高刚度化高刚度化高刚度化 冷却、空调、防振冷却、空调、防振冷却、空调、防振冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案：高刚度化的新方案：高刚度化的新方案：高刚度化的新方案：TetraformTetraform结构球壳结构结构球壳结构结构球壳结构结构球壳结构AlAl、CuCu、塑料等软质材料、塑料等软质材料、塑料等软质材料、塑料等软质材料无电解无电解无电解无电解NiNi膜膜膜膜GeGe，Si KDPSi KDP、LiNbO3LiNbO3、玻璃、玻璃、

19、玻璃、玻璃磁盘基板磁盘基板磁盘基板磁盘基板各种模具各种模具各种模具各种模具各种发射镜各种发射镜各种发射镜各种发射镜红外用光学元件红外用光学元件红外用光学元件红外用光学元件激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件X X射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件镜镜镜镜面面面面磨磨磨磨削削削削 树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石砂轮添加砂轮添加砂轮添加砂轮添加Mo2S2Mo2S2、WS2WS2、C C等等等等 铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整轮采用电

20、解腐蚀修整轮采用电解腐蚀修整轮采用电解腐蚀修整ELIDELID磨削磨削磨削磨削铁氧体铁氧体铁氧体铁氧体精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷超硬合金超硬合金超硬合金超硬合金GeGe、SiSi玻璃玻璃玻璃玻璃磁头磁头磁头磁头红外用光学元件红外用光学元件红外用光学元件红外用光学元件非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜各种模具各种模具各种模具各种模具镜镜镜镜面面面面研研研研磨磨磨磨 沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂抛光盘抛光盘抛光盘抛光盘 微细磨料、软质磨微细磨料、软质磨微细磨料、软质磨微细

21、磨料、软质磨料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料 软质工具的采用：软质工具的采用：软质工具的采用：软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关氟化树脂发泡体跑关氟化树脂发泡体跑关氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具盘、液体工具盘、液体工具盘、液体工具EEMEEM及浮动抛光及浮动抛光及浮动抛光及浮动抛光 基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、液中研磨机、液中研磨机、液中研磨机、EEMEEM装置、装置、装置、装置、浮法

22、抛光张之、浮法抛光张之、浮法抛光张之、浮法抛光张之、P PMACMAC抛光抛光抛光抛光装置装置装置装置 NCNC化化化化CAMCAM化化化化水晶水晶水晶水晶LiTaO3LiTaO3LiNbO3LiNbO3GGGGGGSiSi、GaAsGaAs精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷CVDCVDSiCSiC膜膜膜膜玻璃玻璃玻璃玻璃压电滤波器基片压电滤波器基片压电滤波器基片压电滤波器基片SAWSAW元件基片元件基片元件基片元件基片半导体基片半导体基片半导体基片半导体基片各种模具各种模具各种模具各种模具SORSOR用用用用X X射线光学元件射线光学元件射线光学元件射线光学元件激光核聚变用各种光学元激光核聚变

23、用各种光学元激光核聚变用各种光学元激光核聚变用各种光学元件件件件投影透镜投影透镜投影透镜投影透镜精密切削、磨削、研磨实例精密切削、磨削、研磨实例1/20/20231/20/2023国内外现状国内外现状2 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状20世纪世纪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，称为刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术技术”(Single Point Diamond Turning)或或“微英寸技术微英寸技术”(1微英寸微英寸0.025 m)，并发展了相应的空气

24、轴承主轴的超，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及非球面精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面及非球面大型零件等。大型零件等。1/20/20231/20/20231/20/20231/20/20232 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状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 1/20/20231/20/2023 4)在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属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的克兰菲尔德精密工

25、程研究所(简称简称CUPE)享有较高声誉，它是享有较高声誉，它是当今世界精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水当今世界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。平的独特代表。实例：实例：CUPE生产的生产的Nanocentre(纳米加工中心纳米加工中心)既可进行超精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度可达0.1 m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra10 nm。1/20/20231/20/2023我国的超精密加工技术现状：我国的超精密加工技术现状：1.1.在在2020世纪世纪7070年

26、代末有了长足进步，年代末有了长足进步，2.802.80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北北京京机机床床研研究究所所是是国国内内进进行行超超精精密密加加工工技技术术研研究究的的主主要要单单位位之之一一，研研制制出出了了多多种种不不同同类类型型的的超超精精密密机机床床、部部件件和和相相关关的的高精度测试仪器等。高精度测试仪器等。3.3.在在20002000年年北北京京第第七七届届国国际际机机床床展展览览会会上上，北北京京机机床床研研究究所所展展出出一一台台纳纳米米超超精精密密车车床床，采采用用气气浮浮主主轴轴轴轴承承和和纳纳米米级级光光栅

27、栅全全闭闭环环控控制制，光光栅栅最最小小分分辨辨率率为为5 5 nmnm，加加工工表表面面粗粗糙糙度度可可达达0.008 m，主轴回转精度为主轴回转精度为0.05 m。1/20/20231/20/2023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 2 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状1/20/20231/20/20233 精密和超精密加工的需求国防工业上的需求国防工业上的需求1/20/20231/20/20233 精密和超精密加工的需求国防工业上的需求国防工业上的需求1/20/20231/20/2023服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系

28、宇宙深处的星体银河系环形星群1/20/20231/20/20233 精密和超精密加工的需求信息产品中的需求信息产品中的需求1/20/20231/20/20233 精密和超精密加工的需求民用产品中的需求民用产品中的需求1/20/20231/20/20234 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术加工机理加工机理 1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 被加工材料被加工材料 4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的

29、关键技术精密和超精密加工的关键技术加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 加工工具加工工具4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 超精密加工的检测与误差补偿技术超精密加工的检测与误差补偿技术4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势1/20/20231/20/2023精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 工作环

30、境工作环境4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势1/20/20231/20/2023OAGM2500LODTM1/20/20231/20/2023你认为我国要发展精密和超精密加工技你认为我国要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面内容？术，应重点发展哪些方面内容？课后思考题1/20/20231/20/20233.2.2 超精密切削与金刚石刀具1/20/20231/20/20231）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。超

31、薄切削厚度。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，）刀刃无缺陷，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。从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。数低，以得到极好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求1/20/20231

32、/20/20233.2.3 超精密磨料加工1/20/20231/20/20233.2.3 超精密磨料加工1/20/20231/20/2023一、一、精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固结磨料加工游离磨料加工精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂带磨削砂带研磨3.2.3 超精密磨料加工1/20/20231/20/2023一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类固结磨料加工固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、具有

33、一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。带等磨具。精密和超精密砂轮磨削精密和超精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度精密砂轮磨削：砂轮的粒度60608080，加，加工精度工精度1 1mm，Ra0.025mRa0.025m；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W40W50W50，得加工精度得加工精度0.1m0.1m，Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。精密和超精密砂带磨削精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度精密砂带磨削：砂带粒度W63W63W28W28，加工，加工精度精度1m1m，

34、Ra0.025;Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度超精密砂带磨削：砂带粒度W28W28W3W3，加工精，加工精度度0.1m0.1m，Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。3.2.3 超精密磨料加工1/20/20231/20/20233.2.3.1 精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类游离磨料加工游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体

35、抛光、挤压研抛、抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。喷射加工等。1/20/20231/20/20233.2.3.1 精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择磨料及其选择普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人造立方氮化硼1/20/20231/20/20233.2.3.1 精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料粒度及其选择磨料粒度及其选择多选用多选用180180240240普通普通磨料、磨料、170/200170/200325/400325/400超硬磨料的磨粒和各种超硬磨料的磨粒和各种粒度

36、的微粉。粒度的微粉。结合剂及其选择结合剂及其选择将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂组织和浓度及其选择组织和浓度及其选择普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削

37、选用细高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。粒度、低质量浓度。1/20/20231/20/20233.2.3.2 3.2.3.2 精密磨削精密磨削一、精密磨削机理一、精密磨削机理(1)微刃的微切削作用微刃的微切削作用(2)微刃的等高切削作用微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用1/20/20231/20/20233.2.3.2 精密磨削四、精密磨床四、精密磨床1/20/20231/20/20233.2.3.2 3.2.3.2 精密磨削精密磨削五、磨削用量五、磨削用量砂轮速度砂轮速度一般在1530m/s一般在612m/min工作

38、速度工作速度工件纵向进给量工件纵向进给量一般为50100mm/min或0.060.5mm/r横向进给量（吃刀量）横向进给量（吃刀量）一般取0.62.5m/单行程横向进给次数横向进给次数一般约23次（单行程）光磨（无火花磨削）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用58次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025次。1/20/20231/20/20233.2.3.3 3.2.3.3 超精密研磨抛光的主要新技术超精密研磨抛光的主要新技术液中研磨液中研磨 将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波粒的研磨剂

39、中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击也有缓冲效果。磨时的微小冲击也有缓冲效果。1/20/20231/20/2023机械化学研磨机械化学研磨 机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种。干式两种。湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨剂含有剂含有0.010.01m m大小的大小

40、的SiOSiO2 2磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。人造革。干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于加工的进行，由于加工的进行，由于0.010.010.020.02粒径的粒径的SiOSiO2 2磨粒有较强的化学活磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。性，研磨量较大。1/20/20231/

41、20/2023磁流体精密研磨磁流体精密研磨 磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（0.0150.015m m）的胶态溶液，）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。1/20/20231/20/202

42、3磁流体精密研磨磁流体精密研磨 磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。工及磁流体封闭式加工。磨粒悬浮式磨粒悬浮式加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。电磁部分组成。磨粒控制式磨粒控制式加工是在研磨具的孔洞内预先加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。磁流体封闭式磁流体封闭式加工

43、是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置进行加工。进行加工。1/20/20231/20/2023磁力研磨磁力研磨 利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。1

44、/20/20231/20/2023软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质加工原理实质是是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。子加速法、空气流或水流来加速。1/20/20231/

45、20/2023化学机械抛光化学机械抛光 化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶液，液，MnMnZnZn铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。1/20/20231/20/2023水合抛光水合抛光 是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用的

46、研磨盘或抛光机相似，只是在的研磨盘或抛光机相似，只是在水蒸气环境水蒸气环境中进行加工。中进行加工。机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下利用外来的摩擦力，从工件表面上将这层水合层分离、去除，利用外来的摩擦力，从

47、工件表面上将这层水合层分离、去除，从而实现镜面加工。从而实现镜面加工。1/20/20231/20/20231 精密和超精密机床发展概况及典型机床简精密和超精密机床发展概况及典型机床简介介2 2 精密主轴部件精密主轴部件3 3 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件4 4 进给驱动系统进给驱动系统5 5 机床运动部件位移的激光在线检测系统机床运动部件位移的激光在线检测系统6 6 机床的稳定性和减振隔振机床的稳定性和减振隔振7 7 减少变形和恒温控制减少变形和恒温控制3.2.4 超精密加工设备超精密加工设备1/20/20231/20/2023第第1 1节节 精密和超精密机床发展概况精密和超精密机床发

48、展概况一、发展概况一、发展概况1/20/20231/20/2023OAGM2500LODTM1/20/20231/20/2023二、典型机床简介二、典型机床简介Moore 车床由由Moore 3Moore 3型坐标测量机改型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。防振措施，加强恒温控制等。M-18AGM-18AG型超精密非球面车床，型超精密非球面车床，采用空气静压轴承主轴、采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇优质铸铁床身，有恒温油浇

49、淋机和空气隔振垫支承。淋机和空气隔振垫支承。1/20/20231/20/2023二、典型机床简介二、典型机床简介PneumoPneumo 公司的公司的MSG-325MSG-325超精密车床超精密车床 采用采用T T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于跳动均小于等于0.050.05mm。床身溜板用花岗岩制造，导。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01m0.01m的的双坐标精密数控系统驱动，用双坐标精密数控系统驱动，用HP5501AHP5501A双频激光干涉仪双频激光干涉仪精

50、密检测位移。精密检测位移。1/20/20231/20/2023二、典型机床简介二、典型机床简介大型光学金刚石车床大型光学金刚石车床LODTMLODTM 机床采用立式结构，采用止机床采用立式结构，采用止推轴承，推轴承，7 7路高分辨力双频激光路高分辨力双频激光测量系统，测量系统，4 4路激光检测横梁上路激光检测横梁上溜板的运动，溜板的运动，3 3路激光检测刀架路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机地基周围有防振沟，且整个机床用床用4 4个大