《精密和超精密加工技术》
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。
精密超精密加工技术
精密超精密加工技术精密及超精密加工对尖端技术的发展起着十分重要的作用。
当今各主要工业化国家都投入了巨大的人力物力,来发展精密及超精密加工技术,它已经成为现代制造技术的重要发展方向之一。
本节将对精密、超精密加工和细微加工的概念、基本方法、特点和应用作一般性介绍。
一、精密加工和超精密加工的界定精密和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。
这种划分是相对的，随着生产技术的不断发展，其划分界限也将逐渐向前推移。
1．一般加工一般加工是指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为R a0.2µm~0.8µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。
适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。
2．精密加工精密加工是指精度在10µm~0.1µm（IT5或IT5以上）、表面粗糙度值小于R a0.1µm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。
用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件，如精密丝杠、精密齿轮、精密导轨、微型精密轴承、宝石等的加工。
3．超精密加工超精密加工一般指工件尺寸公差为0.1µm~0.01µm数量级、表面粗糙度R a 为0.001µm数量级的加工方法。
如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等，用于精密组件、大规模和超大规模集成电路及计量标准组件制造等方面。
二、实现精密和超精密加工的条件精密和超精密加工技术是一项内容极为广泛的制造技术系统工程，它涉及到超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、设备系统、工具条件、工件状况、计量技术、工况检测及质量控制等。
其中的任一因素对精密和超精密加工的加工精度和表面质量，都将产生直接或间接的不同程度的影响。
1．加工环境精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。
因为加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。
精密和超精密加工的机床设备技术(PPT 88页)
精密和超精密加工技术
第4章 精密和超精密加工的机床设备
2019/12/12
3.1 精密和超精密机床发展概况及典型机床 简介
3.2 精密主轴部件 3.3 床身和精密导轨部件 3.4 进给驱动系统 3.5 微量进给装置 3.6 机床运动部件位移的激光在线检测系 3.7 机床的稳定性和减振隔振 3.8 减少变形和恒温控制
2019/12/12
2019/12/12
第1节 精密和超精密机床发展概况 及典型机床简介
二、典型机床简介
Union Carbide 公司 的半球机床
能加工直径100mm的半球，达到尺寸精
度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。
精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成 轴衬，径向空气轴承的外套可以调整 自动定心，可提高前后轴承的同心度， 以提高主轴的回转精度。
第2节 精密主轴部件
一、主轴轴承 主轴回转精度
回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下， 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动的大小。
影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。
关键在于精密轴承。
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类型：普通（各种精密超精密车、铣等）、专 用（磁盘超精密车床） 按工艺方法：超精密车床、超精密铣床、超精 密磨床、超精密研磨机、超精密抛光机床、超 精密特种加工机床、精密和超精密加工中心等
精度指标：目前，主轴回转精度为0.025um， 导轨直线度为1000000:0.025，定位精度为 0.013um/1000um，进给分辨率为0.005um，加
《精密和超精密加工技术(第3版)》第3章精密磨削和超精密磨削
2018/3/11
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
磨料及其选择
超硬磨料制作的磨具在以下几方面能够满足精密加工和超精密加工 的要求,因此使用广泛。
1)磨具在形状和尺寸上易于保持,使用寿命高,磨削精度高。
2)磨料本身磨损少,可较长时间保持切削性,修整次数少,易于保持精度。
3)磨削时,一般工件温度较低,因此可以减小内应力、裂纹和烧伤等缺
磨具的形状和尺寸及其基体材料
根据机床规格和加工情况选择磨具的 形状和尺寸。 基体材料与结合剂有关。
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第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨具分类
根据涂覆磨具的形状、基底材料和工作条件与用途等,分类见下表
涂 覆 磨 具
工 作 条 件
基 底 材 料
形 状
耐 水 (N)
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精密砂带磨削：砂带粒度F230～F320，加
工精度1μm，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精 度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。
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第1节 概述
一、精密和超精密加工分类
游离磨料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。
第3章 精密磨削和超精密磨削 3.1 概述
3.2 精密磨削 3.3 超硬磨料砂轮磨削
3.4 超精密磨削
3.5 精密和超精密砂带磨削
2018/3/11
第1节 概述
精密和超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒和 微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工,得到高 加工精度和低表面粗糙度值。对于铜、铝及其 合金等软金属,用金刚石刀具进行超精密车削是 十分有效的,而对于黑色金属、硬脆材料等,用 精密和超精密磨料加工在当前是最主要的精密 加工手段。
精密和超精密加工技术的发展
精密和超精密加工技术的发展我国目前已是一个“制造大国”,制造业规模名列世界第四位,仅次于美国、日本和德国,近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。
但我国还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大差距。
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。
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和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。
下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。
精密机床技术的发展精密机床是精密加工的基础。
当今精密机床技术的发展方向是:在继续提高精度的基础上,采用高速切削以提高加工效率,同时采用先进数控技术提高其自动化水平。
瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统,成为一台加工中心;同时为实现高速切削,已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。
瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达5μm,已达到过去坐标镗床的精度。
从这两台机床的性能可以看出,现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。
使用金刚石刀具的超精密切削技术超精密切削技术的进展金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份,不少国防尖端产品零件:如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等:都需要利用金刚石超精密切削来加工。
使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。
超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm。
超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在0.5,0.01μm。
因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为困难,现在已可用原子力显微镜:AFM:方便地进行测量。
精密和超精密加工技术第1章精密和超精密加工技术及其发展展望
在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激
光束等高能加工、微波加工、超声加工、刻蚀、电 火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工， 如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等 ，在加工机理上均有所创新。
2018/6/30
1.2 超精密加工技术的现状
2 被加工材料
用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成 分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。 例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外 部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在 10-2 ～ 10-3数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉 伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀 系数等应达到 10-5～ 10-6数量级；材料在冶炼、铸造 、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过 滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀 称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要 求。
金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水
平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率 低的问题。
2018/6/30
1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
2 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键
计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬
件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，我国 集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。
和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。
金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切
削的一个关键技术参数，日本声称已达到 2nm ，而我国尚处 于亚微米水平，相差一个数量级(国际上公认0.1nm~100nm为 纳米尺度空间，100nm~1000nm为亚微米体系，小于1个纳米 为原子团簇 )；
大型天体望远镜的透镜、直径达 2.4m ，形状精度为 0.01μm
《现代制造技术》ppt 第3章 精密加工和超精密加工
度、高外表质量、高寿命的一种高效加工方法。 可有效地提高尺寸精度、形状精度和减小Ra值， 但不能提高孔与其他外表的位置精度。
② 可加工铸铁件、淬硬和不淬硬钢件及青铜 件等，但不宜加工韧性大的有色金属件。
③ 珩磨主要用于孔加工。在孔珩磨加工中， 是以原加工孔中心来进行导向。加工孔径 范围为φ5～ φ500，深径比可达10。
3.1.3 工艺特点
1．精密加工和超精密加工都是以精密元件为 加工对象，与精密元件密切结合而开展起 来的。
2．精密加工和超精密加工不仅要保证很高的 精度和外表质量，同时要求有很高的稳定 性或保持性，不受外界条件变化的干扰， 因此，要注意以下几个方面：
〔1〕工件材料本身的均匀性和性能的一致性，不允 许存在内部或外部的微观缺陷，甚至对材料组织 的纤维化有一定要求，如精密磁盘的铝合金盘基 就不允许有组织纤维化，精密金属球也是一样。
精密切削加工
3.2.1 精密切削加工
精密、超精密切削加工主要是利用立方氮 化硼〔CBN〕、人造〔聚晶〕金刚石和单晶 金刚石刀具进行的切削加工。
3.2.2 精密、超精密切削加工应用实例
尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工， 如：
(1)导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性 仪是超精密加工产品，1Kg重的陀螺转子， 其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起 100m的射程误差和50m的轨道误差；
3.3.3 精密磨削加工实例
1〕圆柱形镜面磨削加工方法：磨削速度选 V=25~35m/s，粗磨时fr=0.02~0.07mm，精 磨时fr=3~10µm；当用油石研、抛时， V=10~50m/min，材料的去除速度为 0.1µm~1µm/min。超精磨削可到达0.01µm的 圆度和Ra 0.002µm的外表粗糙度。
现代制造技术第3章 精密加工和超精密加工
3.6 研磨
3.6.1 研磨 研磨是一种简便可靠的精密加工方法，研 磨后的表面的尺寸误差和几何形状误差， 在研具精度足够高的情况下可以小到0.1～ 0.3，表面粗糙度可达Ra0.04～0.01。在现 代工业中往往采用研磨作为加工最精密和 最光洁的零件的终加工方法。 3.6.2 超精密研磨 超精密研磨是一种加工精度达0.1以下，表 面粗糙度Ra在0.02以下的研磨方法。
3.4.3珩磨的用途 珩磨主要用于加工孔径为5～500毫米或更 大的各种圆柱孔，如缸筒、阀孔、连杆孔 和箱体孔等，孔深与孔径之比可达10，甚 至更大。在一定条件下，珩磨也能加工外 圆、平面、球面和齿面等。圆柱珩磨的表 面粗糙度一般可达Ra0.32～0.08微米，精 珩时可达Ra0.04微米以下,并能少量提高几 何精度,加工精度可达IT7～4。平面珩磨的 表面质量略差。
(2)哈脖望远镜重量达900Kg的大型反射镜的 加工 (3)精密雷达、精确制导、电子对抗、TMD、 NMD、间谍卫星等 (4)人造卫星仪表轴承 (5)红外导弹中红外线反射镜 (6)超小型计算机等
(7)海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美 国及其盟国武器系统中大部分与超精密加 工技术有关。如：精密雷达、精确制导、 电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫 星、红外制导等。 (8)美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可 以说是高技术战争、是高科技的胜利。没 有超精密加工技术，就没有真正的国防工 业。
3．超精密加工 超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为 0.001数量级，表面粗糙度Rz为0.001数量 级的加工方法，加工中所使用的设备，其 分辨率和重复精度应为0.01数量级。目前， 超精密加工的精度正从微米工艺向纳米工 艺提高。微米工艺是指精度为1～10－2的 微米、亚微米级工艺，而纳米工艺是指精 度为10-2～10-3的纳米级工艺（1＝ 103nm,nm称纳米）。
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精密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精密加工；加工精度在0.1 -1um，讲表面粗糙度在Ra 0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工超精密加工；加工精度高于0.1um，加工表面粗糙度小于Ra 0.01um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)二提高加工精度的原因提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高产品稳定性和可靠性；促进产品小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
三发展超精密加工的重要性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。
金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级(国际上公认0.1nm~100nm为纳米尺度空间，100nm~1000nm为亚微米体系，小于1个纳米为原子团簇)；金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。
2 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。
美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”（车身尺寸变动量控制在２ｍｍ以内）使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。
3 国防工业上的需求陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。
大型天体望远镜的透镜、直径达 2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体（六轴CNC研磨抛光机）（图）。
精密和超精密加工技术
4、脆性材料精密磨削
? 脆性材料划擦变形模型
磨粒作用下的脆性裂纹
4、脆性材料精密磨削
? 脆性材料精密磨削机理
? 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通 过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。
? 磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。
? 脆性材料精密磨削工艺条件
? 磁流变研磨抛光的特点
? 利用磁场达到快速及可靠的控制。 ? 易于实现数控。 ? 抛光板能准确符合复杂的形状，因此能确保非球面及复杂的表
面的精密抛光。
4、磁流变研磨抛光技术 (MRF)
? 磁流变研磨抛光技术的应用
? 长宽比例大的光学部件及基片 (通讯仪器、硬盘、晶片等 ) ； ? 光学玻璃镜片； ? 单结晶 (钙氟化物，矽 )； ? 陶瓷(矽碳化物，钨碳化物 )。
游离磨 料加工
固结磨具
涂覆磨具 精密研磨 精密抛光
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
精密砂轮磨削：砂轮的粒度60 ＃～80＃，加工精度1μm， Ra0.025μm； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度 W40～W50，加工精度0.1μm， Ra0.025～0.008μm。
精密砂带磨削：砂带粒度W63～ W28，加工精度1μm，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度 W28～W3，加工精度0.1μm， Ra0.025～0.008μm。
? 组成要素 ：铸铁基砂轮：“ +”极 ；石墨电极：“ –”极；两电极间隙： 0.1mm
3、在线电解磨削技术
? ELID磨削的特点
? 磨削过程具有良好的稳定性； ? ELID 修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； ? ELID 修整法使磨削过程具有良好的可控性； ? 采用 ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的 残留裂纹。