超精密加工技术论文

超精密加工技术简介论文

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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：............................................................................................................... - 9 -

超精密加工技术

一、概述

超精密机械加工技术是现代机械制造业最主要的发展方向之一, 已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。这一方面是因为,尖端技术和国防工业的发展离不开精密和超精密加工技术, 当代精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的基础, 也是明天技术的基础。另一方面很多新技术机电产品要提高加工精度, 这促使精密和超精密加工技术得到发展和推广, 提高了整个机械制造业的加工精度和技术水平,使机械产品的质量、性能和可靠性得到普遍的提高, 大大提高了产品的竞争力。

1、超精密加工的内涵

超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。精密和超精密加工只是一个相对的概念，其界限随时间的推移而不断变化。

在当今技术条件下，普通加工、精密加工、超精密加工的加工精度可以作如下的划分：

1）、普通加工加工精度在1μm、表面粗糙度Ra 0.1μm以上的加工方法。

2）、精密加工加工精度在0.1-1μm、表面粗糙度Ra0.01-0.1μm之间的加工方法。

3）、超精密加工加工精度高于0.1μm、表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工方法。

2、发展超精密加工技术的重要性

现代机械制造业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率。

精密和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。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密个超精密加工技术水平提升到世界先进水平。

二、超精密加工所涉及的技术范围

超精密加工所涉及的技术领域包括以下几方面：

1、超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工。

2、超精密加工的刀具、磨具及其制备技术包括金刚石刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整等超精密加工的重要关键技术。

3、超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构。

4、精密测量及补偿技术超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置，具有在线测量和误差补偿。

5、严格的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，加工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精度加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。

超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。

1、超精密切削对刀具的要求

1）、极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。

2）、刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ极小，能实现超薄的切削厚度。

3）、刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面。

4）、与工件材料的抗粘接性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能够得到极好的加工表面完整性。

2、金刚石刀具的性能特征

目前，超精密切削刀具的金刚石为大颗粒、无杂质、无缺陷的优质天然单晶金刚石。具有如下性能特征：

1）、具有极高的硬度。

2）、能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。

3）、热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。

4）、耐磨性好，刀刃强度高。

因此，天然单晶金刚石被公认是理想的、不能替代的超精密切削的刀具材料。

3、超精密切削时的最小切削厚度

超精密切削时实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等有关。

超精密磨削是指加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度低于Ra 0.025μm 的一种亚微米级加工方法，并正向着纳米级发展。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。

1、超精密磨削砂轮

在超精密磨削中所所以的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金有较大优势。立方氮化硼主要用于铁族元素材料的加工。

2、超精密磨削砂轮的修整

超硬磨料砂轮修整的方法：

1）、车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整目的。这种方法的修整精度和效率比较高；但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本高。

2）、磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。这种方法的效率和质量较好，是目前常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量大。

3）、喷射法将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒突出，这种方法主要用于修锐。

4）、电解在线修锐法将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮与电极之间通电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨粒砂轮的结合剂，达到修锐目的。

5）、电火花修整法将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器，其原理是电火花放电加工。

此外，尚有超声波修整法、激光修整法等，有待进一步研究开发。

3、磨削速度和磨削液

金刚石砂轮磨削速度一般不能太高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为12-30 m/s。磨削速度太低，单颗磨粒的切削厚度过大，不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石磨损增加；磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温度随之升高，而金刚石的热稳定性只有700-800℃，因此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以应根据具体情况选择合适磨削速度，一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选高一些，金属结合剂的金刚石砂轮磨削速度可选低一些。

超硬磨料砂轮磨削时，磨削液的使用与否对砂轮的寿命影响很大。磨削液除了具有润滑、冷却、清洗功能外，还有渗透性、防锈、提高切削性能。磨削液分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成分是矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统用油、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等。

磨削液的使用应视具体情况合理选择。金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂轮磨削时宜采用油性的磨削液，一般不用水溶液，因为在高温状态下，CBN砂轮与水会起化学反应，称水解作用，会加剧砂轮磨损。若不得不使用水溶性磨削液，可以加极压添加剂，减弱水解作用。

五、超精密加工的设备

超精密机床的质量还取决于机床的主轴部件、床身导轨以及驱动部件等关键部件的质量。

1）、精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床的圆度基准，也是保证机床加工精度的核心。

2）、床身和精密导轨床身的机床的基础部件，应该具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求。超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床

中得到广泛的使用。

3）、微量进给装置在超精密加工中，要求微量进给装置满足如下要求：○1精微进给与粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨率和稳定性；○2运动部分必须是低摩擦和高稳定性，以便实现很高的重复精度；○3末级传动元件必须有很高的刚度，即夹固刀具必须是高刚度的；○4工艺性好，容易制造；○5应能实现微进给的自动控制，动态性能好。

此外，超精密加工机床应该具有高精度、高刚度、高加工稳定性和高度自动化的要求：

1)、高精度包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；

2)、高刚度包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。

3)、高稳定性设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。 4)、高自动化为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。

六、超精密加工的支撑环境

1、净化的空气环境

为了保证精密和超精密加工产品的质量，必须对周围的空气环境进行净化处理，减少空气中尘埃的含量，提高空气的洁净度。

2、恒定的温度环境

精密加工和超精密加工所处的温度环境与加工精度有着密切的关系，当环境温度发生变化时会影响机床的几何精度和工件的加工精度。

恒温环境有两个重要指标：一是恒温基数，即空气的平均温度，我国规定的

恒温基数为20；二是恒温精度，指对于平均温度所允许的偏差值。

随着现代化工业技术的发展与超精密加工工艺的不断提高，对恒温精度的要求也越来越高。

3、较好的抗振动干扰环境

1）、防振消除工艺系统内部自身产生的振动干扰。

2）、隔振采取各种隔离振动干扰的措施，阻止外部振动传播到工艺系统中。

七、超精密加工的运用领域

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，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。

八、超精密加工的现状及未来发展

1、超精密加工的现状

超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于领先地位的国家。英国的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，是当今世界上精密工程的研究中心之一。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚，但它是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、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，甚至超过了美国。我国在80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说，与国外产品比还有相当大的差距。

2、超精密加工的发展前景

超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。

1）、高精度、高效率随着科学技术的不断进步，对精度、效率、质量的要求愈来愈高,高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题。超精密切削、磨削技术能有效提高加工效率，CMP技术能够保证加工精度，而半固着磨粒加工方法及电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工的趋势。

2）、大型化、微型化由于航天航空等技术的发展，大型光电子器件要求大型超精密加工设备，如美国研制的加工直径为2.4～4m的大型光学器件超精密加工机床。同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展，超精密加工技术向微型化发展，如微型传感器，微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工设备。

3）、智能化以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。

4）、工艺整合化当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、光整)的趋势越来越明显。

5）、在线加工检测一体化由于超精密加工的精度很高，必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率。同时由于加工设备本身的精度有时很难满足要求，采用在线检测、工况监控和误差补偿的方法可以提高精度，保证加工质量的要求。

6）、绿色化磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国，大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及我国的台湾地区均对

半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制，绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时，提高了自身的生命力。

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。

总结：

爱因斯坦说：“所谓教育，是要将学校学到的知识忘掉后剩下的本领”。或许多年以后我已不记得曾学习过什么先进制造技术，但我在先进制造技术的课堂上所学到的脚踏实地、力求完美、注重细节的做事态度将陪伴我的一生。这才是我最大的收获！

参考文献：

1 王隆太主编.先进制造技术.北京：机械工业出版社，2003

2 袁哲俊，王先逵主编.精密超精密加工技术.北京：机械工业出版

社，1999