金刚石刀具与精密超精密加工技术

第23卷第1期长春光学精密机械学院学报Vol123　No11 2000年3月Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics Mar.2000金刚石刀具与精密超精密加工技术

骆红云1　焦红2　范　猛2　王立江3

(1.吉林工学院机电学院)(2.吉林工学院科研处)(3.吉林工业大学机械学院)

摘　要　论述了精密超精密加工技术发展的重要意义,以及其发展现状;分别介绍

了几种金刚石刀具,并讨论了它们在精密超精密加工领域的作用。

关键词　金刚石刀具;精密加工;超精密加工

中图分类号　TG71 文献标识码　A

随着光学、航天、航空、汽车、国防、计算机等领域的飞速发展,对材料提出了轻量化、高比强度的要求。各种有色金属、合金以及非金属复合材料在各行各业中都得到了日益广泛的应用,而对这些材料的加工也越来越需要精密超精密加工技术。通常将加工精度在011μm～1μm,加工粗糙度在R a0102μm～011μm之间的加工方法称为精密加工,而将加工精度高于011μm加工粗糙度小于R a0101μm的加工方法称为超精密加工[1]。同时,伴随着现代集成系统(加工中心、流动机加工车间(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS))的相继问世,以及机械加工正朝着高精密、高速、高生产率切削的方向发展,对刀具的各种性能也提出了相当高的要求。因此,各种切削加工性能优越(具有高耐磨性、高抗磨损性等)的超硬切削刀具(如金刚石刀具)的开发研制是必然趋势。

1　精密超精密加工技术

111　精密超精密加工技术在当代社会的重要意义

精密加工和超精密加工是提高制造技术的关键。日本被公认为是世界上制造技术水平最高的国家。它们提出了“新技术立国”的策略,大力发展制造技术产业,以精密加工技术为龙头,建立了世界上最广泛最活跃的学术团体———精密加工学会。美国和德国都是世界上制造技术的强国,他们的特色也都表现在精密加工方面。

超精密加工是先进制造技术的重要支柱。当前,在制造自动化领域,进行了大量有关计算机辅助技术软件(CAX-CAD、CAPP、CAM等)开发、计算机集成制造(CIM)技术、生产模式(如精良生产、敏捷制造、虚拟制造等),以及清洁生产和绿色制造等研究,代表了当前制造技术的一个重要方面,但是这决非高新制造技术的全部,作为制造技术的主要方面作为真实产品的实际制造,仍然要依靠精密加工和超精密加工制造技术。例如计算机工业的发展不仅要在软件上,更要在硬件上有所突破,即在集成电路芯片的制造水平上进一步提收稿日期:200-02-20

作者简介:骆红云,女,讲师,博士,主要从事精密机械加工,刀具研究工作。

05长春光学精密机械学院学报2000年

高。而我国当前集成电路的制造水平限制了计算机产业的发展。另外,美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“2mm工程”也都是精密制造技术的实施过程。

精密超精密加工技术有广泛的市场需求。在高技术迅猛发展的今天,超精密加工技术已越来越重要。它是国防工业、信息产业和民用工业发展的关键。超精密加工的精度和尺寸微小程度越来越高,它是整个高技术领域的基础。例如,在国防工业中,陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术,导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率;卫星用的光学望远镜、电视摄像系统、红外传感器等,其光学系统中的高精度非球面等都必须用超精密加工技术进行制造;在信息产业中,计算机上的芯片,磁盘和磁头,录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、光盘和激光头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都需要依靠超精密加工技术来实现性能要求。

超精密加工是国家制造技术水平的重要指标之一。超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如,金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石具超精密切削的一个关键技术参数,日本声称已达到2mm。美国加利福尼亚大学lawrence Livemore实验室和Y-12工厂在能源部的支持下, 1983年联合研制成功D TM-3型大型超精密金刚石车床,用于加工激光核聚变用的各种反射镜、大型天体望远镜的天线等[3]。目前,我国该项技术的发展尚处于落后状态,这严重影响了我国经济的发展。

112　精密超精密加工技术的发展与现状

当代精密超大型精密加工技术是在60年代初美国用单刀金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。1977年日本精机学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的要求,对机床的加工精度标准提出补充IT-1和IT-2两个等级。近些年来,超精密加工精度正从011μm提高到0101μm,随着超大规模集成电路的发展及微机械的要求,人们期望达到甚至突破0101μm的加工精度,可以说超精密加工技术正从亚微米级向纳米级发展。1980年美国国防部空军兵器研究所和LLNL实验室提出了POMA精度提高计划,该计划是为了将直径800mm的大型非球面反射镜的形状精度由115μm提高到011μm数量级以上而制定的。POMA计划值在今天来说水平也是不低的。当前就世界领先水平来说,已经有了纳米加工的记录,但是这只是一种实验阶段的实验数据,用机械去除法加工似乎还不能超越0101μm 的极限。今后超精密加工精度的目标值是由其生产精度决定的。

另外,精密超精密加工技术发展到今天,已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题,而成为一项包含极其广泛内容的系统工程。为了实现真正的精密超精密切削加工,不仅需要有精密的机床设备和刀具,同时也需要极其合适的环境,以及计算机实时检测与补偿来配合。只有当各个领域的高技术成就有机的结合起来才能实现精密超精密加工。

2　金刚石刀具在精密超精密加工领域的重要地位

精密超精密加工目前包含三大领域:

1)精密超精密切削;

2)精密超精密磨削和研磨;

3)精密特种加工。

而精密超精密切削主要是指精密超精密金刚石刀具切削,例如加工各种镜面等。同时,精密超精密切削是一项内容广泛的新技术,它的加工精度和表面质量是由所使用的机床设备、金刚石刀具、加工工艺、测量和误差补偿技术、操作者的水平以及环境条件来决定的。金刚石刀具是其中非常重要的一项。它是精密超精密切削的关键。

涉及金刚石刀具比较重要的问题:一是对天然单晶金刚石晶面选择;再就是金刚石刀具的研磨质量及刃口半径P ,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。

金刚石刀具精密超精密加工技术,主要应用于两个方面:单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的精密超精密加工技术。单件大型零件精密超精密金刚石刀具切削,以美国最为发达,主要出于国防的需要。大量生产的中小型精密超精密零件大多是感光鼓、磁盘、多面镜、球面非球面的激光反射镜等。目前,采用金刚石刀具加工铜、铝及其合金等有色金属材料已经日益普遍[4]。

3　金刚石刀具的发展

311　金刚石刀具的分类根据制造方法的不同,金刚石刀具大致可分为以下几类:

金刚石刀具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

超硬刀具基体上下面分别加以介绍。

312　天然金刚石刀具的发展与现状

天然金刚石具有硬度高、耐磨损、磨擦系数小、导热性好等优良特性,是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料,使用天然单晶金刚石刀具对精密超精密零件进行切削,始于50年代末期。初期的被加工零件多为形状简单的圆柱表面、平面和球面,只要求达到

R max 011

μm 即可。后来发展要求加工非球面曲面反射镜,再发展要求加工大型反射镜。要求很高的形状精度和很小的表面粗糙度。

目前,天然单晶金刚石刀具的使用已经相当成熟,但是由于其产量低,价格昂贵,加上人造金刚石的出现,天然单晶金刚石刀具在精密加工领域的使用量的增加趋势有所减弱,几种人造金刚石以其良好的性能价格比和逐步成熟的使用技术,已经逐步占领了要求相对较低的精密加工市场。

313　人造聚晶金刚石(PCD )刀具的发展

1955年,美国GE 公司用高温高压法成功的合成可人造金刚石,1966年研制出了人造聚晶金刚石复合片(PCD ),自此人造金刚石作为刀具材料得到了进一步的发展。从70年代至今,PCD 刀具以其良好的性能(硬度、耐磨性、磨擦系数、导热性等与天然单晶金刚石接近,而且PCD 刀具由于其是多晶体,因此具有各向同性),较低的价格逐步进入了汽车,

5第1期骆红云等:金刚石刀具与精密超精密加工技术

25长春光学精密机械学院学报2000年

摩托车、航空等行业的精密甚至是超精密加工领域。目前PCD刀具的使用已经是一种较为成熟的技术。

目前PCD刀具大量应用与一般的精密加工中。一般多为可转位刀具、一般焊接式刀具等。现在已经有PCD钻头和铣刀的应用实例。但由于PCD刀具很难加工成复杂的形状,其使用和推广受到一定的限制。

我国第一个人造金刚石及其制品的专业生产厂—第六砂轮厂于1969年投产,标志着我国人造金刚石进入了工业化生产阶段。1970年我国人造金刚石产量为46万克拉,1980年产量达到450万克拉,10年间增长了近10倍,1990年产量为3500万克拉,比1980年又增长了8倍。进入90年代后,我国人造金刚石生产进入了迅猛发展的时期[4]。

我国人造金刚石产量虽居世界首位,但产品质量与发达国家还存在很大差距,主要表现在产品的冲击强度和高温冲击强度较低,杂质缺陷多。

314　化学气相沉积法植被金刚石涂层(CVD)刀具的发展

1982年,日本有关人员发明用热灯丝化学气相沉积法在异质材料表面沉积金刚石薄膜工艺,为金刚石刀具的应用开辟了新的途径。而1988年月10月,在东京召开的第一届国际新金刚石科技大会上,日本旭(Asahi)金刚石公司就展出了一系列引人注目的硬质合金金刚石膜的绞刀和钻头,其寿命提高10倍。1993年美国西部金属刀具博览会上,最引人注目的是金刚石涂层刀具,这些刀具由目前生产此类刀具的两家公司Crystallnme和North Diamond Film展出。在第四届中国国际机床展览会(CIM’93)上,美国Kennametal公司、瑞典Sandrik公司、日本三菱金属公司均展出了金刚石涂层刀具,种类有可转位刀具、麻花钻、立铣刀等。通过近10年的应用研究开发,金刚石薄膜(≤20μm)涂层刀具、金刚石厚膜(≥300μm)刀具已进入实用阶段。目前美国、日本和欧洲一些国家的大公司已经有产品在市场上出售。而国内的一些高等院校、科技院所和刀具生产厂家(如吉林大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北京科技大学、北京理工大学等)也正在加紧有关的产品研制和开发工作,以便尽快实现金刚石膜刀具在国内的产业化。

金刚石薄膜和厚膜刀具的价格低,切削性能与聚晶金刚石(PCD)刀具相当,在切削精度方面甚至优于PCD刀具,因此金刚石膜刀具有广阔的应用前景。

目前金刚石膜的应用规模还很小,主要是受技术性和经济性两方面的制约。在技术性方面,应重点加强刀具基体的表面预处理工艺和金刚石膜沉积工艺的研究,提高膜的粘结能力和膜的质量,以满足大切削力和高速切削的要求,延长使用寿命;在经济性方面,应重点提高膜的生长速度,降低刀具的制造成本,使金刚石膜刀具有较强的竞争力[5]。

4　结束语

精密超精密切削是60年代发展起来的新技术,精密和超精密加工的总目标是向加工精度的极限冲刺,当前加工精度达纳米级,在21世纪,可望达到更高,会进入原子结构内部。同时会提出相应精度的表面质量要求,不仅会出现更低的表面粗糙度值,而且对表面层的力学机械性能会提出具体指标及其检验方法。由于它在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用,而且对国民经济发展也有非常大的影响,因此精密超精密加工技术已日益受到人们的重视。

参考文献

1　袁哲俊.精密和超精密加工技术.机械工业出版社,1998

2　王先逵.机械制造技术与科学的发展.机械制造的未来(论文集),武汉:华中理工大学出版社,1989,14～21

3　X.Yu.L.Wang ,E ffect of Various parameters on the surface roughness of an aluminum alloy burnished with

a spherical surfaced polycrystalline diamond Tool ,Int.J.Mach.Tools Manufact ,1999,39:459～469

4　李志宏.我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用.工具技术,1999,33:3～6

5　匡同春.金刚石薄膜涂层刀具的研究进展与应用现状.硬质合金,16(1):41～50

Diamond tools &Precision Machining and

U ltra 2precision Machining T echnique

L uo Hongyun 1　Jiao Hong 2　Fan Meng 2　W ang L ijiang 3

(1.School of Mechat ronic Engng ,Jilin Inst.of Technol ,Changchun )(2.Science and Research Depart ment of Jilin Inst.of Technol ,Changchun )(3.School of Mechalnic Engng.,Jilin U niversity of Technol ,Changchun )

Abstract The development of the precision machining and the ultra 2precision machining are discussed.The role of the precision machining and the ultra 2precision machining is debated.Several diamond tools are introduced separately.The role of diamond tools in the precision and the ultra 2precision machining is analyzed.

Key word Diamond tools ;Precision machining ;Ultra 2precision machining

35第1期骆红云等:金刚石刀具与精密超精密加工技术

精密和超精密加工的应用和发展趋势

精密和超精密加工的应用和发展趋势 [摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20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刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），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非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。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（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上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。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。我国的精密、超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超

超精密加工技术论文

超精密加工技术简介论文学校：XXXXX 学院：XXXX 班级：XXXXX 专业：XXXXX 姓名：XXXX 学号：XXXX 指导教师：XXX

目录目录 .......................................................................................................................................... - 2 - 一、概述................................................................................................................... - 1 - 1、超精密加工的内涵...................................................................................... - 1 - 2.、发展超精密加工技术的重要性................................................................. - 1 - 二、超精密加工所涉及的技术范围....................................................................... - 2 - 三、超精密切削加工............................................................................................... - 3 - 1、超精密切削对刀具的要求.......................................................................... - 3 - 2、金刚石刀具的性能特征.............................................................................. - 3 - 3、超精密切削时的最小切削厚度.................................................................. - 3 - 四、超精密磨削加工............................................................................................... - 4 - 1、超精密磨削砂轮.......................................................................................... - 4 - 2、超精密磨削砂轮的修整.............................................................................. - 4 - 3、磨削速度和磨削液...................................................................................... - 5 - 五、超精密加工的设备........................................................................................... - 5 - 六、超精密加工的支撑环境................................................................................... - 6 - 1、净化的空气环境.......................................................................................... - 6 - 2、恒定的温度环境.......................................................................................... - 6 - 3、较好的抗振动干扰环境.............................................................................. - 7 - 七、超精密加工的运用领域................................................................................... - 7 - 八、超精密加工的现状及未来发展....................................................................... - 7 - 1、超精密加工的现状...................................................................................... - 7 - 2、超精密加工的发展前景.............................................................................. - 8 - 总结：....................................................................................................................... - 9 - 参考文献：.....................................................................................错误!未定义书签。

精密和超精密加工技术复习思考题答案

精密和超精密加工技术复习思考题答案第一章 1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。 2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4.试展望精密和超精密加工技术的发展。答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。 5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。 6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。

超精密加工技术

精密加工通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密及超精密加工-分类 1、传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c.珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d.精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e.抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。 2、精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。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。 3、超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指

超精密机械加工技术发展及应用

超精密机械加工技术发展及应用集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-

超精密机械加工技术发展及应用超精密机械加工技术作为微光学元件的一种制造方法，具有很多其他传统方法所不具有的优点。本文回顾了超精密机械加工技术的发展，展望了其在微光学元件加工中的应用潜力。 1微光学概述 1.1定义与名称微光学是一门属于多门前沿学科交叉领域的新兴科学。微光学借助于微电子工业技术的最新研究成果，是国际上最前沿研究方向之一，并具有广泛的应用前途。微光学元件（MOC），指面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。自由光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面、渐开面等），和没有任何对称轴的非回转非球面，如Zernike像差方程曲面。微结构是指具有特定功能的微小表面拓扑形状，如凹槽、微透镜阵列等，如图1所示（图1略）的微金字塔结构表面。这些结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。典型微光学元件如全息透镜、衍射光学元件（DOE）和梯度折射率透镜等，将这些微光学元件应用在各种光电子仪器中，可以使光电子仪器及其零部件更加小型化、阵列化和集成化。 1.2微光学元件的应用微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件，它具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵

列、集成、成像和波面转换等新功能。随着系统小型化不断的成为一种趋势，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科学技术领域，还是普通的工业领域的应用前景。军用方面，西方国家在70年代以后研制和生产的军用光电系统，如军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头，均已在不同程度上采用了非球面光学零件。在一般民用光电系统方面，自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中。如飞机中提供飞行信息的显示系统；摄像机的取景器、变焦镜头；红外广角地平仪中的锗透镜；录像、录音用显微物镜读出头；医疗诊断用的间接眼底镜，内窥镜，渐进镜片等。微结构光学元件应用更是广泛，如光纤连接器中的微槽结构，液晶显示屏的微透镜阵列，及用于激光扫描的F-theta镜片，激光头的分光器等，这些微结构光学元件在很多我们日常使用的产品中都有应用，比如手机、掌上电脑、CD和DVD等。 1.3微光学元件加工方法由于受应用需求的驱动，对微光学元件加工技术的研究也在不断深入，出现了多种现代加工技术，如电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、LIGA技术，复制技术和镀膜技术等，其中最为成熟的技术是蚀刻技术和LIGA技术。这些技术基本都是从微电子元器件的微细加工技术发展而来，但与电子原件不同，三维成型精度和装配精度对光学元件来说是至关重要的，将会直接影响其性能，因此这些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性。如由于视场深度的限制，光刻技术仅限于二微结构和小深宽比三维结构的加工；采用牺牲层蚀刻技术，虽然

浅析超精密加工机床现状及展望

浅析超精密加工机床现状及展望张建锋学号：11309017 (汕头大学机械工程学院广东) 摘要：本文主要讨论超精密加工以及加工机床的发展历程、国内外现状、关键技术要点以及展望。通过对超精密加工机床的现状和难点分析，总结了未来超精密加工机床的发展趋势，并且具体给出了超精密加工机床的重点需要突破革新的要点和对策。关键字：超精密加工、超精密加工机床、精度、效率。 0 前言超精密加工技术是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。超精密加工技术是现代制造技术之一，它与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，主要包含有超精密制造、超精密检测、超精密环境控制及其各类辅助研究分支。大部分仪器系统和设备都是通过机床加工出来的，如隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。目前隐形眼镜的加工工艺主要有三种：分别是旋转成型工艺、切削成型工艺和模压成型工艺。计算机硬盘驱动器、光盘和复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成。当现有加工设备不能满足零件加工要求时，必然要设计新设备，这就是我们经常提起的超精密机床的研究，而超精密加工机床的结构设计是其中最关键的技术之一。一个高精密机床的设计不仅仅是机械部门一个单元能完成的，它受到材料、物理、设计和工艺水平等多个环节和整个系统的综合影响。本文主要从超精密加工的起源、内涵、影响因素、研究方向和对策等方面来阐述超精密加工机床结构。 1 超精密加工相关知识概述超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同历史时期，不同的科学技术发展水平的情况下，有不同的理解。通常我们认为一定尺寸的被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密

精密和超精密加工现状与发展趋势

精密和超精密加工现状与发展趋势一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工包括微细加工、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

《精密与超精密加工技术》知识点总结

《精密与超精密加工技术》知识点总结 1.加工的定义：改变原材料、毛坯或半成品的形状、尺寸及表面状态，使之符合规定要求的各种工作的统称。规定要求：加工精度和表面质量。 2.加工精度：是指零件在加工以后的几何参数（尺寸、形状、位置）与图纸规定的理想零件的几何参数相符合的程度。符合程度越高，加工精度则越高。 3.表面质量：指已加工表面粗糙度、残余应力及加工硬化。 4.精密加工定义：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工技术（工艺）。 5.超精密加工：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工技术（工艺）。 6.加工的划分普通加工（一般加工）、精密加工和超精密加工。普通加工：加工精度在1μm 以上（粗加工IT13～IT9、半精加工IT8～IT7、精加工IT6～IT5），粗糙度Ra0.1-0.8μm。加工方法：车、铣、刨、磨等。适用于:普通机械（汽车、拖拉机、机床）制造等。精密加工：加工精度在1～0.1μm ，粗糙度Ra0.1μm 以下（一般Ra0.1～0.01μm ）的加工方法。加工方法：车削、磨削、研磨及特种加工。适用于：精密机床、精密测量仪器等中的关键零件的制造。超精密加工：加工精度在0.1～0.01μm ，粗糙度小于Ra0.01μm（Ra0.01～Ra0.001μm）的加工方法。加工方法：金刚石刀具超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工。适用于：精密元件的制造、计量标准元件、集成电路等的制造。 7.精密加工影响因素 8.切削、磨削加工：精密切削和磨削、超精密切削与磨削。 9.特种加工：是指一些利用热、声、光、电、磁、原子、化学等能源的物理的，化学的非传统加工方法。 10.精密加工和超精密加工的发展趋势：向高精度方向发展、向大型化，微型化方向发展、向加工检测一体化发展、研究新型超精密加工方法的机理、新材料的研究。 11.精密加工和超精密加工的特点：形成了系统工程它是一门多学科的综合高级技术；它与特种加工关系密切传统加工方法与非传统加工方法相结合；加工检测一体化在线检测并进行实时控制、误差补偿；与自动化技术联系密切依靠自动化技术来保证；与产品需求联系紧密加工质量要求高、技术难度大、投资大、必须与具体产品需求相结合。 12.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，因为金刚石晶体各向异性；二是研磨质量，也就是刃口半径，因为影响变形和最小切削厚度。 13.检测技术是超精密切削中一个极为重要的问题。超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。 14.超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行：恒温条件、防振条件。恒温：20℃±(1～0.02)℃恒湿：35﹪～45﹪空气净化、防振等。 15.金刚石分类：天然金刚石和人造金刚石两大类（碳的同素异形体）。 16.金刚石晶体的三种晶面晶体——原子具有规则排列的物体。晶体中各种方位上的原子面叫晶面。晶体中各种方位上的原子列叫晶向。金刚石晶格中有三种重要晶面，(100),(110),(111)。 17.金刚石晶体具有强烈的各向异性不同晶面，不同方向性能有明显差别；金刚石刀具的晶面选择直接影响切削变形和加工表面质量；金刚石晶体和铝合金、紫铜间的摩擦系数在0.06～0.13之间，而

精密与超精密加工技术

精密与超精密加工技术综述 0 前言就先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域 1 。前者包括了精密加工、超精密加工、微细加工，以及广为流传的纳米加工，它追求加工上的精度和表面质量的极限，可统称为精密工程；后者包括了设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是提高产品质量的有效方式。两者有密切联系，许多精密和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标，而不少制造自动化则有赖于精密加工才能达到设计要求。精密工程和制造自动化具有全局性的、决策性的作用，是先进制造技术的支柱。精密和超精密加工与国防工业有密切关系。导弹是现代战争的重要武器，其命中精度由惯性仪表的精度所决定，因而需要高超的精密和超精密加工设备来制造这种仪表。例如，美国“民兵”型洲际导弹系统的陀螺仪其漂移率为0.03～0.05°/h ，加速度计敏感元件不允许有0.05μm的尘粒，它的命中精度的圆概率误差为500m；MX战略导弹(可装载10个核弹头)，由于其制导系统陀螺仪精度比“民兵—Ⅲ”型导弹要高出一个数量级，因而其命中精度的圆概率误差仅为50～150m。对射程4000km的潜射弹道导弹，当潜艇的位置误差对射程偏差的影响为400m、潜艇速度误差对射程偏差的影响为800m、惯性平台的垂直对准精度对射程偏差的影响为400m时，要求惯性导航的陀螺仪的漂移精度为0.001°/h、航向精度在1′以上、10小时运行的定位精度为0.4～0.7海里，因此，陀螺元件的加工精度必须达到亚微米级，表面粗糙度达到Ra0.012～0.008μm。由此可知，惯性仪表的制造精度十分关键。如1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴为0.5nm时，就会造成100m的射程误差和50m的轨道误差；激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03～ 0.06μm ，表面粗糙度要求为Ra0.012μm以上；红外制导的导弹，其红外探测器中接受红外线的反射镜，其表面粗糙度要求达到Ra0.015～0.01μm［2］。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。 1 精密和超精密加工的技术内涵精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。 1.1 精密加工和超精密加工的范畴当前，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

超精密加工技术的发展与展望

精密与特种加工技术结课论文题目：超精密加工技术的发展与展望指导教师：沈浩学院：机电工程学院专业：机械工程姓名：司皇腾学号：152085201020

超精密加工技术的发展与展望摘要:超精密加工是多种技术综合的一种加工技术,是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。根据当前国内外超精密加工技术的发展状况,对超精密切削、磨削、研磨以及超精密特种加工及复合加工技术进行综述,简单地对超精密加工的发展趋势进行预测。精密加工技术发展方向是：向高精度、高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展。本世纪的精密加工发展到超精密加工历程比较复杂且难度大，目前超精密加工日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨、超精密特种加工等。在不久的将来，精密加工也必将实现精密化、智能化、自动化、高效信息化、柔性化、集成化。创新思想及先进制造模式的提出也必将为精密与超精密技术发展提供策略。环保也是机械制造业发展的必然趋势。关键词:加工精度;超精密加工技术;超精密特种加工;纳米技术;复合加工【引言】精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，往往我们一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这需要一个过程。超精

密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它用好。通常按加工精度划分,可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工。在不同的历史阶段,不同的科学技术水平下,对超精密加工有不同的定义,由于生产技术的不断发展,划分的界限不断变化。过去的超精密加工对今天来说可能已经是普通加工了,所以对其划分的界限是相对的,而且在具体数值上至今没有确切的界限。现阶段通常把被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米,表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术称为超精密加工技术[1],也可以理解为超精密加工就是在超精密机床设备上,利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动,对材料进行微量切削,以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程,其精度从微米到亚微米,乃至纳米。超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向[2]。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光电技术、计算机技术、测量技术和传感技术等先进技术。同时,作为现代高科技的基础技术和重要组成部分,它推动着现代机械、光学、半导体、传感技术、电子、测量技术以及材料科学的发展进步。超精密加工在现代武器和一些尖端产品制造中具有举足轻重的地位,是其它一些加工方法无可替代的,它不仅可以应用于国防,而且可以广泛地应用于比较高端的民用产品中,是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志。 1、超精密加工技术的发展历史精密超精密加工技术的起源从一定意义上可以上溯到原始社会：当原始人类学会了制作具有一定形状且锋利的石器工具时，可以认为出现了最原始的手工研

超精密加工技术的发展现状与趋势

超精密加工技术的发展现状与趋势一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 1.1砂带磨削用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 1.2精密切割也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 1.3珩磨用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 1.4精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。二、精密加工的发展现状 2.1精密成型加工的发展现状与应用精密成型加工的发展现状与应用精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制

我对精密超精密加工技术的认识

我对精密超精密加工技术的认识 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

我对精密超精密加工技术的认识目前，精密、超精密技术在我国的应用已不再局限于国防尖端和航空航天等少数部门，它已扩展到了国民经济的许多领域，应用规模也有较大增长。计算机、现代通信、影视传播等行业，现都需要精密、超精密加工设备，作为其迅速发展的支撑条件。计算机磁盘、录像机磁头、激光打印机的多面棱镜、复印机的感光筒等零部件的精密、超精密加工，采用的都是高效的大批量自动化生产方式。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达~μ;m，最好可到μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。抛光是利用机

超精密加工技术

超精密加工技术 ----发展及对策超精密加工技术，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。超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3～0.03μm，表面粗糙度为Ra0.03～0.005μm)和纳米级(精度误差为0.03μm，表面粗糙度小于Ra0.005μm)精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。超精密加工主要包括三个领域： 1、超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。 2、超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。 3、超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1μm。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。国外概况美国是最早研制开发超精密加工技术的国家。早在1962年，美国就开发出以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密半球车床，其主轴回转精度为0.125μm，加工直径为φ100mm的半球，尺寸精度为±0.6μm，粗糙度为Ra0.025μm。1984年又研制成功大型光学金刚石车床，可加工重1350kg，φ1625mm的大型零件，工件的圆度和平面度达0.025μm，表面粗糙度为Ra0.042μm。在该机床上采用多项新技术，如多光路激光测量反馈控制，用静电电容测微仪测量工件变形，32位机的CNC系统，用摩擦式驱动进给和热交换器控制温度等。美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的超精密加工车床(BODTM型)，用刀尖半径为5～10nm的单晶金刚石刀具，实现切削厚度为1nm (纳米)的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。英国是较早从事超精加工技术研究的国家之一。从1979年起，开发用于制造X射线望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀车床。要求反射镜的精度在30mm 范围内的表面凹凸达到6nm以下，整个镜面的形状精度达1μm以下。该机床为保证超精加工，采用了许多新技术。例如采用封装合成花岗岩作为机床基础(总重48t)，永久磁铁型DC力矩马达驱动的X轴和Z轴，径向和轴向的回转精度为0.1μm，空气轴承支承的旋转工作台，分辨率为0.015μm的HP5501型激光干涉仪，由HP9826型计算机等构成的X轴、Z轴工件尺寸及形状精度的测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16位CNC控制系统等。英国在80年代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会。Cranfield理工学院是世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度(2kN/μm)气浮精密轴

超精密加工技术详解

超精密加工技术 ——试论述AFM，接触式粗糙度测量仪及白光干涉仪对表面粗糙度的测试原理及应用范围 1.1 AFM对表面粗糙度的测试原理 AFM 是一种类似于STM 的微观技术，它的许多元件和STM是共同的，如用于三维扫描的电压陶瓷系统以及反馈控制器等。它和STM 最大的不同是用一個对微弱作用力极其敏感的微观臂针尖代替了STM隧道针尖，并以探测原子间的微小作用力(Vander Walls’ Force)代替了STM 的微小穿透电流。因为这样所以AFM 不在像STM 局限于样品必须为导体才行，AFM 适用于导体和非导体，它的应用范围比STM 广泛的多，因此AFM为目前最被广泛应用在工业界的扫描探针式显微术。但值得注意的是AFM 的解析度并沒有STM 来的的好！AFM的探针,一般是利用半导体工业的平面制程方法一体成行的。为了使探针有原子级的解析度，探针乃呈角锥形，使顶端只具有一颗或数颗稳定原子；为使探针具高灵敏的原子力感应度，角锥形探针底部乃连接与一杠杆的前缘，此杠杆弯曲程度将反映出原子力的大小。为测量弯曲度的大小，常用的方法是打一雷射光与悬臂上，而反射回來的雷射光則利用一能区分光点位置的感光二极体来接收，如此便能得到悬臂受原子力弯曲的程度，进而得到原子力图像。(AFM工艺由美国与萨诸塞州Dynetics公司开发的Dynaflow磨料流加工工艺(AFM)是一种强迫含磨料的介质在工件表面或孔中往复运动的金属精加工工艺, 它具有广泛的应用前景。AFM当最先出现时, 它主要用于清除金属件中

难于到达的内通道及相交部位的毛刺。它特别适用于加工难加工合金材料制成的结构复杂的航空元件。近年来, 它已被用于精加工流体动力元件中表面粗糙度要求达0.127μm的不能接近的内表面。AFM的基本原理：介质速度最大时, 磨光的能力也最大。这里, 夹具的结构起着重要作用, 它决定着介质速度在何处最大。夹具用于使工件定位和建立介质流动轨迹, 是精加工所选择部位而不触及相邻部位的关键所在。AFM的分类﹕ (1)接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。 (2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运

超精密加工现状综述

超精密加工现状综述摘要：超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。精密光学、机械、电子系统中所用的先进陶瓷或光学玻璃元件通常需要非常高的形状精度和表面精度及较小的加工变质层。掌握超精密加工过程中材料去除规律和损伤层特性对提高加工的稳定性与经济性十分重要。对超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光技术进行综述，重点介绍各种典型加工方法及其材料去除机理。从加工精度和加工效率角度对上述几类超精密加工方法进行比较，介绍以实现高效精密加工为目的的半固着磨粒加工技术。对超精密加工的发展趋势进行预测前言超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术，是现代高科技产业和科学技术的发展基础，是现代制造科学的发展方向。以超精密加工技术为支撑的高性能武器，对第一次海湾战争(1992年)、科索沃战争(1996年)、阿富汗战争(1999年)及第二次海湾战争(2003年)的进程及结果发挥了决定性的作用。以超精密加工技术为支撑的三代半导体器件，为电子、信息产业的发展奠定了基础。现代科学技术的发展以试验为基础，所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一，当前超精密加工已进入纳米尺度，纳米制造是超精密加工前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。近启动的研究计划包括，2001年美国的NNI(National nanotechnology initiative)计划、英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002年日本的纳米技术支撑计划。目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括：超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。 1983年在国际生产工程年会上，TANIGUCHI对当时的超精密加工状况进行了描述，并对超精密加工的发展趋势进行了预测。此后的20余年内，超精密加工技术蓬勃发展。 1.超精密加工的发展超精密加工的发展经历了如下三个阶段。 (1) 20世纪50年代至80年代为技术开创期。20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石