四、超精密磨削、研磨和拋光(Grindingandpolishing)超精密磨削超精密研磨超精密拋光五、超精密加工機床設(shè)備(Machinetool)超精密機床開展典型超精密機床簡介超精密機床主軸、導(dǎo)軌、進給驅(qū)動系統(tǒng)超精密加工的概念超精密加工精密加工普通加工

20世紀50年代前精密加工精度5

m以上超精密加工精度1

m以上20世紀50年代后精密加工精度3-5

m超精密加工精度1

m20世紀70年代精密加工精度1

m超精密加工精度0.1

m目前精密加工精度

0.1

m超精密加工精度0.01-0.001

m不同時期的精密和超精密加工精度

各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍

加工精度范圍機械產(chǎn)品電子產(chǎn)品光學(xué)產(chǎn)品普通加工200

m一般機械零件，家用電器，汽車零件，通用齒輪通用電器機具，電子零件外殼，小型電機，半導(dǎo)體照相機外殼

精密加工5

m手表零件，精密齒輪，絲杠，高速軸承，滾動軸承繼電器，IC硅片，錄像頭，記憶磁盤等透鏡，棱鏡等0.5

m空氣軸承，導(dǎo)軌，精密模具，液壓伺服閥等磁頭，IC元件，磁控管等精密透鏡，X射線反射鏡，激光反射鏡超精密加工0.05

m塊規(guī)，金剛石壓頭，超精密導(dǎo)軌等IC存儲器，硬磁盤，大規(guī)模集成電路等光學(xué)平晶，衍射光柵，光盤等0.005

m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大規(guī)模集成電路超精密衍射光柵1nm以下超精密零件的表面粗糙度

超精密加工的材料及其應(yīng)用超精密加工的材料金屬材料高硬度、高強度耐熱合金應(yīng)用：軍工業(yè)、航空航天、原子能工業(yè)、激光金屬、光學(xué)、電子工業(yè)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料無機硬脆材料應(yīng)用：光學(xué)、化學(xué)、電子應(yīng)用：航天、能源工業(yè)應(yīng)用：電子、原子能、能源

分類名稱單元芯片上的單元邏輯門電路數(shù)單元芯片上的電子元件數(shù)最小線條寬度

m小規(guī)模集成電路<10～12<100≤8中規(guī)模集成電路12～100100～1000≤6大規(guī)模集成電路≥100～1041000～1063～6超大規(guī)模集成電路≥104≥1050.1～2.5提高制造精度提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能提高產(chǎn)品可靠性促進產(chǎn)品小型化增強零件互換性超精密加工的意義超精密加工方法-超精密加工方法分類

超精密加工

高精度加工高尺寸精度高形位精度低粗糙度金剛石切削超精密磨削超精密研磨與拋光

微尺寸加工細

物理加工電火花加工激光加工超聲波加工微波加工噴射加工

化學(xué)加工化學(xué)能加工光刻加工精密電鑄電解加工

工件材料與加工方法材料超精密加工方法無機硬脆材料半導(dǎo)體材料陶瓷玻璃石英藍寶石金剛石超精密磨削超精密研磨超精密拋光軟質(zhì)金屬塑料超精密金剛石切削耐熱合金復(fù)合材料超精密磨削超精密研磨超精密拋光

各種產(chǎn)品所適用的超精密加工方法加工方法超精密研磨、拋光超精密切削超精密磨削材料金屬材料非金屬材料金屬材料非金屬材料金屬材料非金屬材料被加工產(chǎn)品塊規(guī)平尺金屬平板機床導(dǎo)軌鋼球螺紋齒輪寶石硅片透鏡磁頭棱鏡石英反射鏡鼓簡光學(xué)體紅外零件塑料零件滾動軸承軋輥空氣軸承錄像機軸壓縮機陶瓷光學(xué)玻璃超精密加工對刀具材料的要求：極高等硬度、極高得耐磨性能、極高的彈性模量極鋒利的刀刃、刃口半徑值極小、能實現(xiàn)超薄切削刀刃無缺陷、切削時將刃形復(fù)印到加工外表上，能得到超光滑的鏡面與工件的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低、能得到極好的加工外表完整性超精密加工刀具傳統(tǒng)切削加工超精密切削加工超精密切削加工超精密切削加工金剛石刀具的特點：硬度自然界最高，耐磨性能極好能磨出極其鋒利的刀刃導(dǎo)熱性能好和有色金屬摩擦系數(shù)低金剛石晶體具有強烈的各向異性，不同晶面和不同方向的摩擦系數(shù)和耐磨性能不同。

設(shè)計制造金剛石刀具時，必須首先進行晶體定向。金剛石刀具一般帶修光刃，有直線修光刃和圓弧修光刃。天然金剛石刀具(單晶金剛石)是超精密加工的唯一理想的刀具。l

金剛石的物理力學(xué)性能硬度6000～10000(隨晶體方向和溫度而有所差別)WC：2400Al2O3：2200TiC:3200SiC:3500CBN：6000～8500抗彎強度210～490MPa抗壓強度1500～2500MPa彈性模量(9～10.5)×1011N/m2導(dǎo)熱系數(shù)(2～4)×418.68W/(m.K)和鋁合金和黃銅之間的摩擦系數(shù)0.06～0.13開始氧化溫度900～1000K超精密加工金剛石刀具金剛石刀具的應(yīng)用可用于加工鋁合金、黃銅等有色金屬和某些非金屬材料，不能用于金屬材料的加工。可以得到超光滑外表，m，精度到達0.01m以上可以加工許多零件，如：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(dǎo)管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復(fù)印機的硒鼓等。l

金剛石刀具的應(yīng)用使用極鋒銳的金剛石刀具在機床最正確條件下，金剛石刀具可以實現(xiàn)切削厚度為納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削，極限最小切削厚度可到達1nm。超精密切削時能到達的極限最小切削厚度和金剛石刀具刀刃鋒銳度和被切材料的物理力學(xué)性能有關(guān)。l

超精密磨削(包括研磨和拋光)精密和超精密磨削加工方法分類

精密和超精密磨料加工

固結(jié)磨料加工

固結(jié)磨具精密砂輪磨削油石研磨精密珩磨涂覆磨具砂帶磨削砂帶研拋游離磨料加工精密研磨

精密拋光

超精密磨削鏡面磨削：一般指加工外表粗糙度到達Ra0.02～0.01m，外表光澤如鏡的磨削方法，只強調(diào)外表粗糙度。超精密磨削的特點：(1)超精密磨床是關(guān)鍵(高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、微量進給裝置、計算機數(shù)控等)。(2)是超微量切除加工或超薄切削，一般采用金剛石砂輪。

超精密磨削砂帶磨削的特點：

(1)彈性磨削(彈性、柔性、減振、跑合與拋光)。(2)冷態(tài)磨削(散熱時間長、切屑不易堵塞)(3)高效磨削(效率為銑削的10倍，為磨削的5倍)

砂帶磨削

超精密研磨和拋光超精密研磨和拋光影響研磨和拋光的主要工藝因素有：研磨方法(單面、雙面、旋轉(zhuǎn)、往復(fù))；研具(鑄鐵、軟布、樹脂、橡膠、塑料)；磨粒(種類、粗細)；環(huán)境(溫度)；壓力；速度等

超精密拋光的陶瓷外表

超精密拋光的纖維增強材料外表

超精密加工機床設(shè)備

超精密加工機床設(shè)備的開展超精密機床是實現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴格約束的相對運動，對材料進行微切削，而獲得極高等尺寸精度和極小的外表粗糙度最早的超精密加工機床是19世紀投入使用的各種天文望遠鏡和光學(xué)儀器的加工機床.

超精密加工機床設(shè)備典型的超精密加工機床早期超精密加工機床典型的超精密加工機床典型的超精密加工機床OAGM2500大型超精密機床用于精密磨削X射線天體望遠鏡的大型曲面反射鏡還可用于車削和坐標測量最大加工尺寸為：25002500610有2500的高精度回轉(zhuǎn)工作臺采用臥式結(jié)構(gòu)采用激光雙頻測量器，分辨力到達2.5nm磨頭和測量頭采用空氣軸承工作臺用人造花崗石用大量恒溫水冷卻超精密加工機床主軸系統(tǒng)主軸能高速旋轉(zhuǎn)高精度、高剛度、高穩(wěn)定性液體靜壓軸承空氣靜壓軸承主軸驅(qū)動方式電機通過帶傳遞驅(qū)動電機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動機床主軸采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸超精密加工機床導(dǎo)軌材料床身和導(dǎo)軌材料優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵花崗巖人造花崗巖

超精密加工機床進給系統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)能實現(xiàn)準確的微量位移和精確定位滾珠絲杠副驅(qū)動液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅(qū)動摩擦驅(qū)動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式V-平面雙V形滾動導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌空氣靜壓導(dǎo)軌超精密加工機床微位移機構(gòu)

誤差補償系統(tǒng)組成誤差信號檢測誤差信號處理誤差信號建模補償控制補償執(zhí)行機構(gòu)

測量精度比加工精度要高一個數(shù)量級檢測位移雙頻激光干預(yù)測量儀、X射線干預(yù)儀檢測加工外表激光測量、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡微細加工的實例中國科學(xué)家研制的微型步進電機的掃描電鏡照片

微細加工的產(chǎn)品微細加工的產(chǎn)品-超大規(guī)模集成電路的制備微細加工的產(chǎn)品-微電機系統(tǒng)(MEMS)的制備微細加工的產(chǎn)品-微電機系統(tǒng)(MEMS)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用微細加工的產(chǎn)品-微電機系統(tǒng)(MEMS)在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

微細加工的特點

微細加工的分類和根底微細加工的分類：別離加工(切削加工、磨料加工、特種加工、復(fù)合加工等)結(jié)合加工(附著加工、注入加工、接合加工等)變形加工(力和熱使材料產(chǎn)生變形的加工方法)微細加工的根底：電子束加工離子束加工激光束加工常用的微細加工方法原子、分子加工單位的微細加工方法特種加工方法

超精密特種加工特種加工方法能量形式去除加工附著，表面處理結(jié)合變形

物理加工

電

能電火花電火花加工弧光，噴涂電火花，焊接點爆成形線切割

電子束電子束加工電子束蒸鍍電子束焊接

電子束熱處理

離子離子束加工離子噴鍍離子濺射濺射離子噴鍍離子光刻反應(yīng)離子噴鍍反應(yīng)濺射蝕刻離子束蒸鍍

等離子等離子噴射加工等離子束噴涂等離子焊接

等離子弧加工等離子噴鍍

等離子光刻等離子滲碳電磁能

電磁固相結(jié)合電磁成形光能激光加工激光噴鍍

激光光刻激光熱處理聲能超聲波加工

水擊能流體噴射加工

化學(xué)加工

化學(xué)能化學(xué)研磨化學(xué)鍍層化學(xué)磨削非電解鍍層

化學(xué)蒸鍍

電化學(xué)能電解磨削電極沉積電子研磨電鍍電解加工電鑄

超精密加工的支撐環(huán)境支撐環(huán)境控制要求支撐環(huán)境控制要求空氣環(huán)境潔凈度、氣流速度、壓力、有害氣體聲音環(huán)境噪聲、頻率、聲壓熱環(huán)境溫度、濕度、表面輻射光環(huán)境照度、色彩、眩光振動環(huán)境頻率、加速度、位移、微振動靜電環(huán)境靜電量、電磁波、放射線

超精密加工的支撐環(huán)境空氣環(huán)境空氣中含塵量(潔凈度、空氣過濾)氣流速度(氣流組織)壓力熱環(huán)境溫度(一般20℃)濕度(相對濕度35%～45%)振動環(huán)境室內(nèi)振動室外振動自然界振動(微動和風(fēng)等)防振、隔振(防振墊層、隔振器)聲環(huán)境噪聲源隔聲吸聲消聲納米級加工納米級加工的含義納米級加工的含意是到達納米級精度，包含：納米級尺寸精度，納米級幾何形狀精度、納米級外表質(zhì)量。納米級加工的特點欲得到lnm的加工精度，加工的最小單位必然在亞納米級。由于原子間的距離為0.1-0.3nm，納米級加工實際上已到加工精度的極限納米級加工中試件外表的一個個原于