Ultraprecisionmachining3.2超精密加工技術

3.2.1概述

3.2.2超精密切削與金剛石刀具

3.2.3超精密磨料加工

3.2.4超精密加工設備

3.2.5納米加工技術

8/4/2023Ultraprecisionmachining3.21參考材料：1、張建華主編《精密與特種加工技術》2、於貽琛《精密機床》3、袁哲俊、王先逵主編

《精密和超精密加工技術》機械工業出版社8/4/2023參考材料：8/3/202321精密和超精密加工的技術內涵2

超精密加工技術的國內外發展現狀3精密和超精密加工的需求4

超精密加工技術的發展趨勢3.2.1概述8/4/20231精密和超精密加工的技術內涵3.2.1概述8/3/23精密和超精密加工的加工范疇

精密和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。

精密加工：加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之間的加工方法稱為精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01μm之間的加工方法稱為超精密加工（微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等

）。1精密和超精密加工的技術內涵8/4/2023精密和超精密加工的加工范疇精密和超精密加工代表了加工精度發41精密和超精密加工的技術內涵精密和超精密加工方法分類（1）

分類加工機理加工方法去除加工化學分解（氣體、液體、固體）電解（液體）蒸發（真空、氣體）擴散（固體）熔化（液體）濺射（真空）刻蝕（曝光），化學拋光，軟質粒子機械化學拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴散去除加工熔化去除加工粒子束濺射去除加工，等離子體加工結合加工化學附著化學結合電化學附著電化學結合熱附著擴散結合熔化結合物理附著注入化學鍍，氣相鍍氧化，氮化電鍍、電鑄陽極氧化蒸鍍（真空蒸鍍），晶體生長，分子束外延燒結，摻雜，滲碳浸鍍，熔化鍍濺射沉淀，離子沉淀（離子鍍）離子濺射注入加工變形加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動熱流動加工（高頻電流、熱射流、電子束、激光）液體、氣體流動加工（壓鑄、擠壓、噴射、澆鑄）微粒子流動加工8/4/20231精密和超精密加工的技術內涵精密和超精密加工方法分類（1）52.結合加工

利用物理和化學方法，將不同材料結合(Bonding)在一起。按結合的機理、方法、強弱等，結合加工又分為附著(Deposition)、注入(Injection)和連接(Jointed)三種。

附著加工：稱為沉積加工，是指在工件表面上覆蓋一層物質。這是一種弱結合，其典型的加工方法是鍍。

注入加工又稱為滲入加工，是指在工件表面上注入某些元素，使之與基體材料產生物理化學反應。這是一種具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結合，用以改變工件表層材料的力學機械性質，如滲碳、滲氮等。

連接是指將兩種相同或不同材料通過物化方法連接在一起，如焊接、粘接等。

8/4/20232.結合加工8/3/202363.變形加工變形加工又稱為流動加工，它利用力、熱、分子運動等手段使工件產生變形，改變其尺寸、形狀和性能。多年來，傳統加工的概念一直局限于去除加工和表面結合加工。近年來，人們提出了電鑄、晶體生長、分子束外延和快速成型等加工方法，突破了傳統加工的概念。例如：鎂合金，鈦合金的變形。

8/4/20233.變形加工8/3/20237分類加工方法可加工材料應用切削加工等離子體切削微細切削微細鉆削各種材料有色金屬及其合金低碳鋼、銅、鋁熔斷鉬、鎢等高熔點材料，硬質合金球，磁盤，反射鏡，多面棱鏡油泵油嘴，化學噴絲頭，印刷電路板磨料加工微細磨削研磨拋光彈性發射加工噴射加工黑色金屬、硬脆材料金屬、半導體、玻璃金屬、半導體、玻璃金屬、非金屬金屬、玻璃、水晶集成電路基片的外圓、平面磨削平面、空、外圓加工，硅片基片平面、空、外圓加工，硅片基片硅片基片刻槽，切斷，圖案成形，破碎特種加工電火花成形加工電火花切割加工電解加工超聲波加工微波加工電子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工導電金屬，非金屬導電金屬金屬，非金屬硬脆金屬，非金屬絕緣金屬，半導體各種材料各種材料各種材料金屬，非金屬，半導體孔，溝槽，狹縫，方孔，型腔切斷，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、紅寶石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蝕打孔，切斷，劃線劃線，圖形成形復合加工電解磨削電解拋光化學拋光各種材料金屬，半導體金屬，半導體刃磨，成形，平面，內圓平面，外圓，型面，細金屬絲，槽平面精密和超精密加工方法分類（2）

8/4/2023分類加工方法可加工材料應8工具等加工裝置材料用途、零件等鏡面切削金剛石刀具刃口鋒利化利用CBN刀具切削鋼金剛石刀具得結晶方位選擇金剛石刀具刃口評價改進型SEM

采用空氣軸承、流體軸承及空氣道軌等的高精度化高剛度化冷卻、空調、防振采用高速運算裝置控制高剛度化的新方案：Tetraform結構球殼結構Al、Cu、塑料等軟質材料無電解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盤基板各種模具各種發射鏡紅外用光學元件激光核聚變用光學元件X射線天體望遠鏡用元件鏡面磨削樹脂結合劑金剛石砂輪添加Mo2S2、WS2、C等鑄鐵基金剛石砂輪采用電解腐蝕修整ELID磨削鐵氧體精細陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁頭紅外用光學元件非球面玻璃透鏡各種模具鏡面研磨瀝青拋光盤、石蠟拋光盤、合成樹脂拋光盤微細磨料、軟質磨料、易微細化的磨料軟質工具的采用：氟化樹脂發泡體跑關盤、液體工具－EEM及浮動拋光基于理論分析的平面研磨機大口徑光學元件用研磨機液中研磨機、EEM裝置、浮法拋光張之、P－MAC拋光裝置NC化CAM化水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精細陶瓷CVDSiC膜玻璃壓電濾波器基片SAW元件基片半導體基片各種模具SOR用X射線光學元件激光核聚變用各種光學元件投影透鏡精密切削、磨削、研磨實例8/4/2023工具等加工裝置材料用途、零件等鏡面切削金剛石刀具刃9國內外現狀(1)美國是開展研究最早的國家。(2)日本是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。(3)我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。2超精密加工國內外發展現狀20世紀50年代末，由于航天等尖端技術發展的需要，美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技術”(1微英寸＝0.025μm)，并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面及非球面大型零件等。8/4/2023國內外現狀(1)美國是開展研究最早的國家。2超精密加工國內108/4/20238/3/2023112超精密加工國內外發展現狀超精密加工是國家制造工業水平的重要標志之一

超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術水平的重要標志之一。舉例1：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關鍵技術參數，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數量級；舉例2：金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。8/4/20232超精密加工國內外發展現狀超精密加工是國家制造工業水平的重12

4)在超精密加工技術領域，英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所(簡稱CUPE)享有較高聲譽，它是當今世界精密工程的研究中心之一，是英國超精密加工技術水平的獨特代表。實例：CUPE生產的Nanocentre(納米加工中心)既可進行超精密車削又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。8/4/20234)在超精密加工技術領域，英國克蘭菲爾德技術學院所屬的13我國的超精密加工技術現狀：1.在20世紀70年代末有了長足進步，2.80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等。3.在2000年北京第七屆國際機床展覽會上，北京機床研究所展出一臺納米超精密車床，采用氣浮主軸軸承和納米級光柵全閉環控制，光柵最小分辨率為5nm，加工表面粗糙度可達0.008μm，主軸回轉精度為0.05μm。

8/4/2023我國的超精密加工技術現狀：8/3/202314精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵

例如計算機工業的發展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強的能力，當前，我國集成電路的制造水平約束了計算機工業的發展。美國制造工程研究者提出的汽車制造業的“兩毫米工程”使汽車質量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實實在在的制造技術。（安全氣囊安全標準）

2超精密加工國內外發展現狀8/4/2023精密和超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵2超精密加工國153精密和超精密加工的需求國防工業上的需求超精密加工技術在尖端產品和現代化武器制造中占有非常重要的地位。例如：導彈的命中精度是由慣性儀表的精度決定的，而慣性儀表的關鍵部件是陀螺儀，如果1kg重的陀螺轉子，其質量中心偏離對稱軸0.5nm，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。美國民兵Ⅲ型洲際導彈系統陀螺儀的精度為0.03°～0.05°，其命中精度的概率誤差為500m；而MX戰略導彈(可裝載10個核彈頭)制導系統陀螺儀精度比民兵Ⅲ型導彈高出一個數量級，從而保證命小精度的概率誤差只有50～150m。/thread-3789-1-1.htm

8/4/20233精密和超精密加工的需求國防工業上的需求超精密加工技術在163精密和超精密加工的需求國防工業上的需求大型天體望遠鏡的透鏡、直徑達2.4m，形狀精度為0.01μm，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，表面粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導彈的引爆距離和命中率。

8/4/20233精密和超精密加工的需求國防工業上的需求大型天體17服役的哈勃望遠鏡獅子座螺旋星系宇宙深處的星體銀河系環形星群8/4/2023服役的哈勃望遠鏡獅子座螺旋星系宇宙深處的星體銀河系環形星群8183精密和超精密加工的需求信息產品中的需求

計算機磁盤的存儲量在很大程度上取決于磁頭與磁盤之間的距離(即所謂“飛行高度”)，早期磁頭在盤面上的飛行高度約0.1μm～0.5μm，現在的水平已經達到0.005μm～0.01μm，這只是人類頭發直徑的千分之一

。為了實現如此微小的“飛行高度”，要求加工出極其平坦、光滑的磁盤基片及涂層。計算機上的芯片、磁板基片、光盤基片等都需要超精密加工技術來制造。錄像機的磁鼓、復印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機的噴墨頭等都必須進行超精密加工，才能達到質量要求。8/4/20233精密和超精密加工的需求信息產品中的需求計算機磁193精密和超精密加工的需求民用產品中的需求

現代小型、超小型的成像設備，如攝相機、照相機等上的各種透鏡，特別是光學曲面透鏡，激光打印機、激光打標機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術來完成。超精密加工機床、設備和裝置當然更需要超精密加工技術才能制造。飛機發電機轉子葉片的加工精度由60μm提高到12μm，而加工表面粗糙度Ra由0.5μm減少到0.2μm，則發電機的壓縮效率將從89％提高到94％。傳動齒輪的齒形及齒距誤差若能從目前的3～6μm降低到1μm，則單位齒輪箱重量所能傳遞的扭矩提高近一倍。8/4/20233精密和超精密加工的需求民用產品中的需求現代小型、超小204超精密加工技術的發展趨勢精密和超精密加工的關鍵技術加工機理

在傳統加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統加工中，出現了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學加工等多種方法，特別是復合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機理上均有所創新。

8/4/20234超精密加工技術的發展趨勢精密和超精密加工的關鍵技術加工21精密和超精密加工的關鍵技術

被加工材料

精密和超精密加工的零件，其材料的化學成分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求：1）被加工材料質地均勻，性能穩定，無外部及內部微觀缺陷；2）化學成分的誤差應在10-2～10-3數量級，不能含有雜質；3）物理力學性能，如拉伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導率和膨脹系數等應達到10-5～10-6數量級；4）材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中，應嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學、力學等性能要求。

4超精密加工技術的發展趨勢8/4/2023精密和超精密加工的關鍵技術被加工材料精密和超精密加22精密和超精密加工的關鍵技術加工設備及其基礎元部件

(1)高精度。(2)高剛度。(3)高穩定性。(4)高自動化。加工設備的質量與基礎元部件，如主軸系統、導軌、直線運動單元和分度轉臺等密切相關，應注意這些元部件質量。此外，夾具、輔具等也要求有相應的高精度、高剛度和高穩定性。4超精密加工技術的發展趨勢8/4/2023精密和超精密加工的關鍵技術加工設備及其基礎元部件(1)高精23精密和超精密加工的關鍵技術

加工工具加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。金剛石刀具超精密切削的主要研究問題：1）金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應達到2～4nm，2）金剛石刀具刃口檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。磨具當前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。4超精密加工技術的發展趨勢8/4/2023精密和超精密加工的關鍵技術加工工具加工工具主要是指刀具、磨24精密和超精密加工的關鍵技術

超精密加工的檢測與誤差補償技術

尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準直儀和激光干涉儀來測量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進行接觸測量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進行非接觸測量；表面應力、表面變質層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。檢測可采取離線的、在位的和在線的三種方式。誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償技術是在誤差分離的基礎上，利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態和動態補償，以消除誤差本身的影響。靜態誤差補償是根據事先測出的誤差值，在加工時通過硬件或軟件進行補償；動態誤差補償是在在線檢測基礎上，在加工時進行實時補償。

4超精密加工技術的發展趨勢8/4/2023精密和超精密加工的關鍵技術超精密加工的檢測與誤差補償技術25精密和超精密加工的關鍵技術

工作環境

環境溫度可根據加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至達到±0.0005℃。在恒溫室內，一般濕度應保持在55%～60%，防止機器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點漂移等。潔凈度要求1000～100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個，依此類推。

4超精密加工技術的發展趨勢8/4/2023精密和超精密加工的關鍵技術工作環境環境溫度可根據加工26OAGM2500LODTM8/4/2023OAGM2500LODTM8/3/202327你認為我國要發展精密和超精密加工技術，應重點發展哪些方面內容？課后思考題8/4/2023你認為我國要發展精密和超精密加工技課后思考題8/3/2023283.2.2超精密切削與金剛石刀具

超精密切削是使用精密的單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005μm，加工精度<0.01μm)。加工應用：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導管內腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也是金屬切削的一種，當然也服從金屬切削的普遍規律。金剛石刀具的超精密加工技術主要應用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產中的中小型超精密零件加工。8/4/20233.2.2超精密切削與金剛石刀具超精密切削是使用精291）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現超薄切削厚度。3）刀刃無缺陷，切削時刃形將復制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。4）與工件材料的抗粘性好、化學親和性小、摩擦系數低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石。一、超精密切削對刀具的要求8/4/2023一、超精密切削對刀具的要求8/3/202330精密和超精密磨削概述精密磨削超精密研磨拋光的主要新技術3.2.3超精密磨料加工8/4/2023精密和超精密磨削概述3.2.3超精密磨31

金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進行超精密切削，對于黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，則主要是應用精密和超精密磨料加工。精密和超精密磨料加工，就是利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。3.2.3超精密磨料加工8/4/2023金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進行超精密切削，3.32一、精密和超精密加工分類精密和超精密磨料加工固結磨料加工游離磨料加工精密研磨精密拋光固結磨具涂覆磨具精密砂輪磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂帶磨削砂帶研磨3.2.3超精密磨料加工8/4/2023一、精密和超精密加工分類精密和超精固結磨游離磨精密研磨精密拋33一、精密和超精密加工分類固結磨料加工將磨料或微粉與結合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強度，再采用燒結、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。精密和超精密砂輪磨削精密砂輪磨削：砂輪的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂輪磨削：砂輪的粒度W40～W50，得加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂帶磨削精密砂帶磨削：砂帶粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂帶磨削：砂帶粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。3.2.3超精密磨料加工8/4/2023一、精密和超精密加工分類固結磨料加工將磨料或微粉與結合劑粘合34精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分類游離磨料加工磨料或微粉不是固結在一起，而是成游離狀態。傳統方法：研磨和拋光新方法：磁性研磨、彈性發射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。8/4/2023精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分35精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料及其選擇普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅剛玉系超硬磨料金剛石天然人造立方氮化硼8/4/2023精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨36精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料粒度及其選擇多選用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各種粒度的微粉。結合劑及其選擇將磨料粘合在一起，形成一定的形狀，并有一定的強度。樹脂結合劑、陶瓷結合劑和金屬結合劑組織和濃度及其選擇普通磨具中磨料的含量用組織表示，超硬磨具中磨料的含量用濃度表示。成形磨削、溝槽磨削、寬接觸面平面磨削選用高質量濃度；半精磨、精磨選用細粒度、中質量濃度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削選用細粒度、低質量濃度。8/4/2023精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂輪磨37精密磨削一、精密磨削機理微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑擠、摩擦、拋光作用8/4/2023精密磨削一、精密磨削機理微刃的微切削作用838精密磨削四、精密磨床

精密磨削要在精密磨床上進行。精密磨床應滿足的要求：1、高幾何精度：主要有砂輪主軸回轉精度和導軌平直度，以保證工件的幾何形狀精度要求，主軸軸承一般采用動壓和動靜壓組合軸承。2、低速進給運動的穩定性：要求無爬行和沖擊現象，能平穩工作。特殊設計液壓系統，采取排除空氣、低流量節流閥、工作臺導軌壓力潤滑。3、減少振動1）電動機的轉子應進行動平衡，電動機與砂輪架之間進行隔振；2）砂輪要進行動平衡；3）精密磨床最好安裝在防振地基上。8/4/2023精密磨削四、精密磨床精密磨削要在精39精密磨削五、磨削用量砂輪速度一般在15～30m/s一般在6～12m/min工作速度工件縱向進給量一般為50～100mm/min或0.06～0.5mm/r橫向進給量（吃刀量）一般取0.6～2.5μm/單行程橫向進給次數一般約2～3次（單行程）光磨（無火花磨削）粗粒度砂輪精細修整后，光磨次數采用5～8次細粒度砂輪精細修整后，光磨次數采用10～25次。8/4/2023精密磨削五、磨削用量砂輪速度一般在15～340超精密研磨拋光的主要新技術液中研磨

將超精密拋光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨劑中進行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游離的微細磨粒進行研磨加工，并對磨粒作用部分所產生的熱還有極好的冷卻效果，對研磨時的微小沖擊也有緩沖效果。8/4/2023超精密研磨拋光的主要新技術液中研磨將超41機械化學研磨

機械化學研磨加工是利用化學反應進行機械研磨，有濕式和干式兩種。濕式條件下的機械化學研磨，用于硅片的最終精加工，研磨劑含有0.01μm大小的SiO2磨粒的弱堿性膠狀水溶液，而與它相配合的研具是表層由微細結構的軟質發泡聚氨基申酸涂敷的人造革。干式條件下的機械化學研磨，是利用工件與磨粒之間生成化學反應的研磨方法。干式條件下的微小范圍的化學反應有利于加工的進行，由于0.01～0.02粒徑的SiO2磨粒有較強的化學活性，研磨量較大。8/4/2023機械化學研磨機械化學研磨加工是利用化學反應進行機械研磨，42磁流體精密研磨

磁性流體為強磁粉末在液相中分散為膠態尺寸（<0.015μm）的膠態溶液，由磁感應可產生流動性，特性是：每一個粒子的磁力矩較大，不會因重力而沉降，磁化強度隨磁場增加而增加。當將非磁性材料的磨料混入磁流體，置于磁場中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉的工件而進行研磨。8/4/2023磁流體精密研磨磁性流體為強磁粉末在液相中分散為膠態尺寸43磁流體精密研磨

磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加工、磨料控制式加工及磁流體封閉式加工。

磨粒懸浮式加工是利用懸浮在液體中的磨粒進行可控制的精密研磨加工。研磨裝置由研磨加工部分、驅動部分和電磁部分組成。磨粒控制式加工是在研磨具的孔洞內預先放磨粒，通過磁流體的作用，將磨料逐漸輸送到研磨盤上。磁流體封閉式加工是通過橡膠板將磨粒與磁流體分隔放置進行加工。8/4/2023磁流體精密研磨磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加工、磨料控44磁力研磨

利用磁場作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的研磨劑，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對運動下，實現對工件表面的研磨作用。這種加工方法不僅能對圓周表面、平面和棱邊等進行研磨，而且還可以對凸凹不平的復雜曲面進行研磨。8/4/2023磁力研磨利用磁場作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的45軟質磨粒機械拋光（彈性發射加工）

最小切除可以達到原子級，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質極純的表面。加工原理實質是磨粒原子的擴散作用和加速的微小粒子彈性射擊的機械作用的綜合效果。真空中帶靜電的粉末粒子加速法、空氣流或水流來加速。8/4/2023軟質磨粒機械拋光（彈性發射加工）最小切除可以達到原子級46化學機械拋光

化學機械拋光是一種利用研磨液的腐蝕作用和磨粒的機械作用雙重作用的研磨方法。腐蝕研磨液如氧化鐵和硫酸或鹽酸的水溶液，Mn－Zn鐵氧體磨粒和鹽酸水溶液等。8/4/2023化學機械拋光化學機械拋光是一種利用研磨液的腐蝕作用和磨粒47水合拋光

是一種利用在工件界面上生成水合化學反應的研磨方法，其主要特點是不使用磨粒和加工液，而加工裝置又與當前使用的研磨盤或拋光機相似，只是在水蒸氣環境中進行加工。機制：在拋光過程中，兩個物體產生相對摩擦，在接觸區產生高溫高壓，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或過熱的水作用其界面，使之在界面上形成水合化學反應層，然后借助過熱水蒸汽或在一個大氣壓的水蒸汽環境條件下利用外來的摩擦力，從工件表面上將這層水合層分離、去除，從而實現鏡面加工。8/4/2023水合拋光是一種利用在工件界面上生成水合化學反應的研磨方法481精密和超精密機床發展概況及典型機床簡介2精密主軸部件3床身和精密導軌部件4進給驅動系統5機床運動部件位移的激光在線檢測系統6機床的穩定性和減振隔振7減少變形和恒溫控制3.2.4超精密加工設備8/4/20231精密和超精密機床發展概況及典型機床簡介3.2.4超49第1節精密和超精密機床發展概況

精密機床是實現精密加工的首要基礎條件。1）美國：50年代首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。2）英國：1991研制成功大型超精密機OAGM2500。3）日本：現在在中小型超精密機床生產上已經具有一定的優勢，甚至超過了美國。4）中國：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

一、發展概況8/4/2023第1節精密和超精密機床發展概況精密機床是實現精密加工的50OAGM2500LODTM8/4/2023OAGM2500LODTM8/3/202351二、典型機床簡介Moore車床由Moore3型坐標測量機改造而成。采用臥式主軸，三坐標精密數控，消振和防振措施，加強恒溫控制等。M-18AG型超精密非球面車床，采用空氣靜壓軸承主軸、氣浮導軌、雙坐標雙頻激光測量系統、優質鑄鐵床身，有恒溫油澆淋機和空氣隔振墊支承。8/4/2023二、典型機床簡介Moore車床由Moore3型坐標測量機52二、典型機床簡介Pneumo公司的MSG-325超精密車床

采用T形布局，機床空氣主軸的徑向圓跳動和軸向跳動均小于等于0.05μm。床身溜板用花崗巖制造，導軌為氣浮導軌；機床用滾珠絲杠和分辨率為0.01μm的雙坐標精密數控系統驅動，用HP5501A雙頻激光干涉儀精密檢測位移。8/4/2023二、典型機床簡介Pneumo公司的MSG-325超精密車床53二、典型機床簡介大型光學金剛石車床LODTM

機床采用立式結構，采用止推軸承，7路高分辨力雙頻激光測量系統，4路激光檢測橫梁上溜板的運動，3路激光檢測刀架上下運動位置，使用在線測量和誤差補償，各發熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。8/4/2023二、典型機床簡介大型光學金剛石車床LODTM機床采用立式54二、典型機床簡介OAGM2500大型超精密機床機床的x和y向導軌采用液體靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結構，用精密數控驅動，雙頻激光測量系統檢測運動位置。8/4/2023二、典型機床簡介OAGM2500大型超精密機床機床的x和y55二、典型機床簡介AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調整的刀架及作B軸轉動的高精度轉臺，借助三軸精密數控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承，刀架、設計滑板結構，直線移動分辨力0.01μm，激光測量反饋，定位精度全行程0.03μm。加工模具形狀精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm8/4/2023二、典型機床簡介AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床有一56第2節精密主軸部件一、液體靜壓軸承主軸主軸回轉精度回轉精度——在主軸空載手動或機動低速旋轉情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。影響回轉精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。關鍵在于精密軸承。8/4/2023第2節精密主軸部件一、液體靜壓軸承主軸主軸回轉精度回57（一）滑動軸承的分類按滑動軸承工作時軸瓦和軸頸表面間呈現的摩擦狀態，滑動軸承可分為:液體摩擦軸承非液體摩擦軸承液體動壓潤滑軸承液體靜壓潤滑軸承按滑動軸承承受載荷的方向可分為:徑向滑動軸承（向心）推力滑動軸承（止推）8/4/2023（一）滑動軸承的分類按滑動軸承工作時軸瓦和軸頸表面間呈現的摩58根據潤滑膜的形成原理不同分為：動壓潤滑軸承利用相對運動副表面的相對運動和幾何形狀，借助流體粘性，把潤滑劑帶進摩擦面之間，依靠自然建立的流體壓力膜，將運動副表面分開的潤滑方法為流體動壓潤滑。靜壓潤滑軸承在滑動軸承與軸頸表面之間輸入高壓潤滑劑以承受外載荷，使運動副表面分離的潤滑方法成為流體靜壓潤滑。8/4/2023根據潤滑膜的形成原理不同分為：動壓潤滑軸承利用相對運動副59徑向軸承（向心軸承）徑向軸承的受力Fr與軸的中心線垂直止推軸承（推力軸承）止推軸承受力Fa與軸的中心線平行FrFa軸承座徑向軸瓦止推軸瓦8/4/2023徑向軸承（向心軸承）徑向軸承的受力Fr止推軸承（推力軸承）止60第2節精密主軸部件雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉精度。8/4/2023第2節精密主軸部件雙半球空氣軸承主軸前后軸承均采用半球狀，61第2節精密主軸部件前部用球形后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸8/4/2023第2節精密主軸部件前部用球形8/3/202362第2節精密主軸部件立式空氣軸承8/4/2023第2節精密主軸部件立式空氣軸承8/3/202363三、超精密機床主軸和軸承的材料第2節精密主軸部件1）不易磨損。用多孔石墨作空氣軸承套。2）不易生銹腐蝕。3）熱膨脹系數小，且主軸和軸套的熱膨脹系數要接近。4）材料的穩定性好。38CrMoAl氮化鋼，經表面氮化和低溫穩定處理，不銹鋼和多孔石墨和軸承鋼。此外：銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷。8/4/2023三、超精密機床主軸和軸承的材料第2節精密主軸部件1）不易磨64四、主軸的驅動方式第2節精密主軸部件1）電動機通過帶傳動驅動2）電動機通過柔性聯軸器驅動3）采用內裝式同軸電動機驅動轉速高，目前最高可達200000r/min。其缺點是電機運轉產生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內裝式電機主軸的關鍵問題

8/4/2023四、主軸的驅動方式第2節精密主軸部件1）電動機通過帶傳動驅65車床用電主軸銑床用電主軸8/4/2023車床用電主軸銑床用電主軸8/3/202366第3節床身和精密導軌部件二、床身和導軌的材料

鑄鐵——成本低有良好減振性和耐磨性易于鑄造和切削加工導軌常用的鑄鐵——灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵灰鑄鐵應用最多的牌號是HT200常用的孕育鑄鐵牌號是HT300耐磨性高于灰鑄鐵，但較脆硬，不易刮研，且成本較高。常用于較精密的機床導軌耐磨鑄鐵中應用較多的是高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵及釩鈦鑄鐵與孕育鑄鐵相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本較高常用于精密機床導軌優質耐磨鑄鐵8/4/2023第3節床身和精密導軌部件二、床身和導軌的材料鑄鐵——成67第3節床身和精密導軌部件花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩定性好，熱膨脹系數低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并不會生銹。人造花崗巖由花崗巖碎粒用樹脂粘結而成，可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。8/4/2023第3節床身和精密導軌部件花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩定性好，熱膨68第3節床身和精密導軌部件五、液體靜壓導軌工作原理:具有一定壓力的潤滑油，經節流器輸入到導軌面上的油腔，即可形成承載油膜，使導軌面之間處于純液體摩擦狀態。優點:導軌運動速度的變化對油膜厚度的影響很小；載荷的變化對油膜厚度的影響很小；液體摩檫，摩檫系數僅為0.005左右，油膜抗振性好。缺點：導軌自身結構比較復雜；需要增加一套供油系統；對潤滑油的清潔程度要求很高。主要應用：精密機床的進給運動和低速運動導軌8/4/2023第3節床身和精密導軌部件五、液體靜壓導軌工作原理:具有一定69第3節床身和精密導軌部件六、氣浮導軌和空氣靜壓導軌氣浮導軌常用平導軌，運動導軌的底平面和兩側導軌有壓縮空氣，使滑板或工作臺浮起，工作臺的浮起是氣浮作用，但側面是氣體靜壓作用。美國Pneumo公司的MSG－325使用氣浮導軌。8/4/2023第3節床身和精密導軌部件六、氣浮導軌和空氣靜壓導軌氣浮導軌70第3節床身和精密導軌部件六、氣浮導軌和空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌運動件的導軌面，上下、左右均在靜壓空氣的約束下，比氣浮導軌的剛度和運動精度高。靜壓空氣的節流方式：多孔石墨節流、小孔節流、毛細管節流、狹縫節流、表面節流。靜壓空氣壓力4～6大氣壓。8/4/2023第3節床身和精密導軌部件六、氣浮導軌和空氣靜壓導軌空氣靜壓71第4節進給驅動系統一、數控系統的伺服系統伺服系統的組成

數控機床的伺服系統按其功能可分為：進給伺服系統和主軸伺服系統。主軸伺服系統用于控制機床主軸的轉動。

8/4/2023第4節進給驅動系統一、數控系統的伺服系統伺服系統的組成72

進給伺服系統是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統，通常由伺服驅動裝置、伺服電機、機械傳動機構及執行部件組成。進給伺服系統的作用：接受數控裝置發出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動裝置作一定的轉換和放大后，經伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進電機等）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺等執行部件實現工作進給或快速運動。第4節進給驅動系統進給伺服系統一、數控系統的伺服系統8/4/2023進給伺服系統是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作73第4節進給驅動系統位置控制模塊速度控制單元伺服電機

工作臺

位置檢測測量反饋伺服驅動裝置指令速度環位置環速度檢測一、數控系統的伺服系統閉環進給伺服系統結構8/4/2023第4節進給驅動系統位置控速度控伺服工作臺74第4節進給驅動系統一、數控系統的伺服系統伺服系統的基本要求1、位移精度高2、穩定性好3、快速響應4、調速范圍寬5、低速大扭矩8/4/2023第4節進給驅動系統一、數控系統的伺服系統伺服系統的基本要求75第4節進給驅動系統二、精密數控系統對超精密機床，刀具和工件的z向和x向運動以及加工非球曲面的精密回轉工作臺都是由精密數控系統進行控制的。精密數控系統通過直流伺服電機或交流伺服電機，雙頻激光測量系統檢測z向和x向的位移反饋給精密數控系統，形成閉環控制系統，達到要求的位移精度。8/4/2023第4節進給驅動系統二、精密數控系統對超精密機床，刀具和工件76第4節進給驅動系統三、滾珠絲杠副驅動進給的驅動元件，滾珠在絲杠和螺紋槽內滾動，摩擦力小，且滾珠在螺母內有再循環通道。滾珠絲杠副要求正轉和反轉沒有回程間隙，要求滾珠絲杠和螺母間有一定的預載過盈。精密級和高精密級滾珠絲杠的螺母常做成兩段組合。為減小滾珠絲杠的徑向圓跳動和軸向跳動對導軌直線運動的影響，采用螺母和工作臺柔性連接，即螺母裝在柔性的過渡連接塊上再和工作臺固定。8/4/2023第4節進給驅動系統三、滾珠絲杠副驅動進給的驅動元件，滾珠在77第4節進給驅動系統四、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅動提高進給運動的平穩性。液體靜壓軸承的間隙大，氣體靜壓軸承的間隙小。8/4/2023第4節進給驅動系統四、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅動提高進給78第5節機床運動部件位移的激光在線檢測系統一、激光在線檢測系統的工作原理

超精密機床的工件的形狀由機床的兩坐標（z向和x向）的精密數控系統來控制工件和刀具的相對位置。精密數控系統現在采用閉環控制，即機床的運動部件的位移用裝在機床內部的雙頻激光干涉測距系統隨機精確檢測，將數據反饋給精密數控系統，保證位移運動的高精度。8/4/2023第5節機床運動部件位移的一、激光在線檢測系統的工作原理79第5節機床運動部件位移的激光在線檢測系統三、三坐標測量機激光位移測量系統8/4/2023第5節機床運動部件位移的三、三坐標測量機激光位移測量系統880第5節機床運動部件位移的激光在線檢測系統二、MSG－325超精密機床的激光檢測系統美國HP公司生產的HP5501兩坐標雙頻激光干涉測量系統。主軸箱作z向運動，刀架作x向運動。激光測量系統的分辨率為0.01微米，大部分激光光路采用封閉。8/4/2023第5節機床運動部件位移的二、MSG－325超精密機床的激光81第5節機床運動部件位移的激光在線檢測系統四、LODTM大型光學金剛石車床激光測量系統8/4/2023第5節機床運動部件位移的四、LODTM大型光學金剛石車床激82第6節機床的穩定性和減振隔振一、機床的穩定性1、各部件的尺寸穩定性好1）采用尺寸穩定性好的材料制造機床部件；2）各部件經過消除應力；2、結構剛度高，變形小1）結構剛度高、變形量極小，基本不影響加工精度；2）各接觸面和聯接面的接觸良好，接觸剛度高，變形極小。8/4/2023第6節機床的穩定性和減振隔振一、機床的穩定性1、各部件的尺83第6節機床的穩定性和減振隔振問題