国内外精密加工技术最新进展
袁哲俊
哈尔滨工业大学
摘 要:介绍了精密和超精密加工技术各主要领域国内外的最新进展。提出应重视精密加工的研究和加大投入,加速提高我国的精密和超精密加工技术水平。
关键词:精密和超精密加工技术, 超精密切削, 超精密机床, 精密镜面磨削, 精密研磨, 微机械制造
Latest Developments of Precision Manufacturing Technology at Home and Abroad
Yuan Z hejun
Abstr act:The latest developments in main areas of precision and ultra 2precisi on manufacturing technolog y at ho me and abroad were introduced.It was proposed that w e must pay great attention to the research o f p recision manufacturing technolo gy and increase investments in this field to make our co un try .s precision manufacturin g technology have a g reat impro vement.
Keywor ds:precision and ultra 2precision manufacturing technology, ultra 2precision cu tting, ultra 2precision machine tool,precision mirro r surface g rinding, precision lapping, micro 2machine manufacturing
1 概述
精密和超精密加工技术的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展。世界各国在这方面都极为重视,投入很大力量进行开发研究,同时技术保密,
控制出口。由于航空航天、尖端技术、多种高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光技术的迅速发展和多领域的广泛应用,各种复杂高精度零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工,成为迫切任务。国外发展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技术、精密测量技术。
我国现在已是一个制造大国,仅次于美国、日本,最近又超过了德国,已处于世界第三位。中国的出口最近也接近德国,而成为世界第二出口大国。中国的出口统计中,机电产品已占多数,但中国制造业大而不强,是制造大国而不是制造强国,出口的机电产品多数是技术含量较低、价格亦较低的产品,而进口的则是技术水平高、价格昂贵的产品。由于人民币升值和实行新劳动法后,工人工资显著提高,我国廉价劳动力的优势正在迅速丧失。迫切需要提高我国制造工业的技术水平,研发和生产先进的高水平精密产品,只有这样才可能将我国从一个/制造大国0转变成一个真正的/制造强国0。
我国的机床制造业最近几年虽发展很快,年产量和出口量都明显增加,成为世界机床最大消费国和第一大进口国。近年在精密加工技术和精密机床设备制造方面,取得不小进展,但仍和国外有较大差
距。从表1中我国机床生产、消费和进口情况的数
字可看出,我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本形势。
表1 我国机床进出口情况
(亿美元)
年度产值出口进口消费200021197219918190371882003231803180411606710020066410011190721401311102007
11119
1615
7017
166110
由于一些重要的高精度机床设备和仪器,国外
对我们封锁禁运,而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的,因此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,将我国的精密和超精密加工技术水平尽快提高到世界前列,这样我国的国防和科技发展才不会受制于外国,我们才能出口世界一流的高技术机电产品。下面将介绍国内外精密和超精密加工技术最近发展的情况。
图1 端士DIXI 的卧式精密高速镗床
图2 瑞士MIKR ON 高速精密五轴加工中心
2 精密机床技术的发展
精密机床是精密加工的基础。现在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效率,同时采用数控使其自动化。瑞士DIXI 公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,现在该厂生产的高精度镗床D HP40(图1)已加上多轴数控系统成为加工中心,同时为使用高速切削,已将主轴最高转速提高到24000r/min 。图2所示是瑞士M IK RO M 公司的高速精密五轴加工中心,它的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达到5L m,已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能看,现在精密机床、加工中心和高速切削机床已不再有严格的界限区分。
3 金刚石刀具超精密切削
311 超精密切削技术的进展
金刚石刀具超精密切削是超精密加工中的很重要部份,不少国防尖端产品零件,如陀螺仪、各种平面曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等,需要用超精密切削来加工。
超精密切削使用单晶金刚石刀具,在超精密机床上可以加工出镜面。超精密切削的切削厚度可以极小,最小切削厚度可以到1nm(如图3所示)。超精密切削使用的单晶金刚石刀具是重要关键,要求刃口磨得极为锋锐,刃口半径在015~0101L m 。因刃口半径甚小,过去测量极为困难,现在可以用原子力显微镜(A FM)进行测量,测量就比较方便。图4中是用AFM
测量金刚石刀具刃口半径得到的测量结果。
图3 超精密切削的切削厚度(
Ikawa)
图4 使用AFM 检测金刚石刀具刃口半径
312 超精密切削机理的研究
超精密切削机理的研究近年来亦有不少进展。
例如超精密切削脆性材料时,加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而得到镜面,这涉及极薄切削时的脆性材料塑性切除的脆塑转换问题,最近提出不少新见解。图5中所示,是超精密切削玻璃时的实验结果,可见到开始时切削厚度甚小,切除为塑性去除,加工表面无脆性破损痕迹。随切削厚度增加,塑性切除逐渐转化成脆性破裂去除,加工表面可看到明
显的脆性破损痕迹。
图5
超精密切削玻璃时的脆塑转变
图6 超精密切削表
面形貌的仿真
图7 超精密切削的分子动力学模拟
对于超精密切削的过程机理研究,现在使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法,获得很好的效果,它一方面可以加深对极薄层材料切削去除机理的认识,同时可对切削效果作预报。图6中所示是超精密
切削时所形成的加工表面的计算机仿真模拟预测。图7中所示,是对超精密切削过程的计算机仿真分
子动力学模拟,采用该方法可看到切削极薄层材料时的动态切除过程,能对切除过程作动画演示。超精密切削单晶材料时,由于单晶材料的各向异性、晶向不同,将明显影响加工表面质量和切削力。图8中所示,是超精密车削单晶LiNbO 3端面,可明显看到由于晶向不同而使表面粗糙度有差别。图9所示,是超精密车削单晶铜的不同晶面时实测所得切削力,可看到晶向不同时切削力有较大差别。计算机仿真预测超精密切削单晶铜的不同晶面时的切削力,
得到类似的结果。
图8 超精密车削单晶LiNbO 3(110)晶
面时的表面粗糙度
(a)(110)晶面 (b)(100)晶面 (c)(111)晶面
图9 超精密切削单晶铜时不同晶面的切削力
313 金刚石刀具晶体的新定向方法
单晶金刚石刀具由于金刚石硬度极高,且晶体各向异性,刃磨极为不易。制造金刚石刀具和刃磨都需要晶体定向,过去使用X 光晶体定向仪来定向,需要很贵重的仪器并且定向很费事。哈尔滨工业大学研制成功激光晶体定向新方法,设备较简单,且操作方便,使金刚石晶体的定向大大简化。图10是金刚石激光晶体定向原理图,图11中是金刚石不同晶面的代表符号(上)、不同晶面的激光定向图像(中)和显示晶体结构的各晶面的扫描电子显微镜(S EM )图像(下)
。
图10 金刚
石激光晶体定向原理
图11 金刚石不同晶面激光定向图像
4 超精密机床的进展
411 国外超精密机床发展情况
发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内
容。各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床的发展方向:进一步提高超精密机床的精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。
美国、英国、德国等在上个世纪70年代、日本在80年代,即开始生产超精密机床产品,可以批量供应。大型超精密机床方面,美国于1986年由L L L 国家实验室研制成功加工直径211m 的卧式D T M-3金刚石车床和加工直径1165m 的L OD T M 立式大型光学金刚石车床等两台大型超精金刚石车床,其中L OD TM 立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制了大型6轴数控精密研磨机,用于加工大型光学反射镜。
英国Cranfield 精加工中心于1991年研制成O A G M -2500(工作台面积2500mm @2500mm)多功能三坐标联动数控磨床,可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面,并且用此机床采用加工件拼合方法,加工成天文望远镜中的直径715m 的大型反射镜。
日本的多功能和高效专用超精密机床发展较好,促进了日本微电子和家电工业的发展。
现在国外生产的中型超精密机床产品的精度已明显提高,美国M oore 公司2000年生产的五轴联动500FG 超精密机床(见图12),可作为典型代表,该机床不仅可加工精密回转体非球曲面,并可加工精密自由曲面。机床空气轴承主轴转速20~2000r/min,主轴回转误差[01025L m 。液体静压导轨由无刷直线电机驱动,直线度误差[013L m/300mm,定位精度
013L m
。
图12 美国Moore 的500FG 五轴超精密机床
乌克兰某研究所研制成新工作原理超精密机床,如图13a 所示,工作原理如图13b 所示。工作时金刚石车刀围绕刀具转轴O -O 2旋转,刀尖的运动轨迹为通过工件中心点的一个圆,工件旋转而形成加工的球面。调整刀具转轴箱轴心O O 2,以得到不同的转角H ,可以加工出不同曲率半径的球面。H 为正值时,加工出的工件表面为凹球面;H =0时,可切出工件的平端面;H 为负值时,加工出的工件表面为凸球面。加工非球曲面时,先将机床调整到接近的球面,加工时金刚石车刀再作补充进给f ,即可加工出要求的非球曲面。这机床的主要优点是加工球面和平面时,完全不需导轨的直线运动(直线导轨很难加工到如此高的精度),故加工精度和表面质量都很高,
此外这种机床结构比较简单和紧凑。
(a)
机床外观
(b)工作原理
图13 乌克兰新工作原理超精密机床
412 我国超精密机床发展情况
过去相当长时期,由于受到禁运限制,我们难以进口国外的超精密机床。但在1998年我国数控超精密机床研制成功后,国外马上对我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。
我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位,现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。图14a 所示是北京机床研究所制成的加工直径800mm 的超精密车床,图14b 所示是
哈尔滨工业大学研制的超精密车床,这两台机床有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统,可加工非球回转曲面。图14c 所示是哈尔滨工业大学研制的加工KD P 晶体大平面的超精密铣床。KD P 晶体可用于激光倍频,是大功率激光系统中的重要元件。在超精密机床技术方面,必须承认我们和国外相比还有相当大的差距,国产超精密机床的质量
尚待继续提高。
(a)超精密数控车床(北京机床所
)
(b)超精密数控车床(哈工大
)
(c)加工KDP 超精密铣床(哈工大)
图14 国产金刚石超精密机床
美国、英国、俄罗斯等三国都自己研制并拥有大型超精密机床。我国过去没有大型超精密机床,因
而无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件,这些大型超精密零件国外不卖给我们,因而对发展国防尖端技术受到很大限制。现在我国正在研制加工直径1m 以上的立式超精密机床。
目前我国在多功能和高效专用超精密机床方面基本还是空白。
5 精密磨削和研磨技术的发展
511 精密镜面磨削技术的发展
精密磨削和精密研磨技术国外这几年也有不少进展。日本国家理化学研究所的大森整教授研制成功在线修整砂轮的E LID 镜面磨削新工艺,可以对多种不同材料零件(如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅片等)的平面、外圆和内孔进行磨削,达到镜面。图15a 是EL ID 镜面磨削的原理图。使用专制的铁基结合剂的细粒度金刚石(或CB N)砂轮,在磨削时在线电解修整砂轮,电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削液,要求电解液不腐蚀机床。图15b 中是用E LID 镜面磨削新工艺磨出的不同试件:光学玻璃平面、硅片平面和陶瓷内孔,磨削表面粗糙度可以达到镜面R a =0102~01005L m 。这是一项极有生产应用前景的精密磨削新工艺,我国哈尔滨工业大学等单位研究并已掌握了这项E LID
精密镜面磨削新工艺。
(a)ELID
镜面磨削新工艺的原理
(b)ELID 镜面磨削新工艺磨出的样件
图15 ELID 镜面磨削新工艺的原理和磨出的样件
512 精密平面研磨技术的发展
精密研磨技术近年来亦有不少进展,特别是精研大直径硅基片(用于大规模集成电路)的技术有很大提高。硅基片要求极严,不仅要求表面粗糙度值
极小、没有划伤、平面度好,而且要求表面没有加工
变质层。我国现在己能生产8~10寸的硅基片,正研制加工12寸的硅基片,但都是采用国外引进的工艺,使用进口的设备。亟需自主研究开发10~12寸硅基片的制造工艺和生产设备。
6 非球曲面精密加工技术的进展
611 非球曲面磨削技术的发展
高精度非球曲面和自由曲面现在应用日广,相应的加工制造技术亦发展迅速。
高精度非球曲面和自由曲面可以用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础,结合EL ID 镜面磨削技术,发展了加工回转体非球曲面的EL ID 精密数控镜面磨床(见图16);后来又发展了三坐标联动数控EL ID 精密镜面磨床,可加工精密自由曲面,达到镜面。现在国外生产的超精密数控金刚石车床,一般都带有磨头,可以用磨头代替金刚石车刀来磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种多坐标数控磨床,可用于磨制各种精密自由曲面。
612 精密自由曲面抛光技术的发展(1)精密自由曲面抛光技术的发展
高精度自由曲面现在多数最后使用抛光工艺。国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床,图17所示是日本Canon 公司的一台用于最后抛光曲面光学镜片的精密曲面抛光机床,它具有三坐标数控系统,使用在线测量。加工曲面时,可根据实测的镜片曲面的误差,控制抛光头的抛光时间和压力,使曲面抛光工艺达到半自动化。
图16 ELID 非球曲面镜面磨床
美国过去研制了大型6轴数控精密研磨机,已用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡里罗那州又研制成直径814m 的大型光学反射镜,如图18所示。制造此大型光学反射镜,没有制造大型研磨抛光机床,采用现场光学玻璃熔化铸造,在现场用多路激光对型面进行在线精度检测,根据测得的几何形状误差,用带研磨头的小设备进行局部研磨
抛光,用蚂蚁啃骨头的方法研制成大型高精度光学反射镜。
国外最近发展了几种曲面的精密研磨抛光新加工方法:磁流体抛光、
气囊抛光和应力盘抛光。
图17 精密曲面抛光机(Canon 公司
)
图18 美国新研制的814m 大反射镜
(2)精密曲面磁流体抛光技术
磁流体抛光的原理是用永久磁铁或电磁铁工具,将混有磨料的磁流体吸附在工具端部,对工件表面进行抛光。图19a 所示为磁流体抛光用的电磁铁工具,通电后磁流体可吸附在这工具的端部,进行抛光加工。图19b 为另一种形式的磁流体抛光加工系统,原理都是类似的。由于磁流体外形可以随工件外形而自动变化,因此对磁铁工具外形要求不严格,较容易加工制造。可以用平面或球面工具吸附磁流体进行抛光。也可用杆状工具,一端吸附磁流体,代替立铣刀在多轴联动数控机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光可使加工表面达到很高的质量。
(3)精密曲面气囊抛光技术
气囊抛光新工艺方法是不久前英国Zeeko 公司研制成功的,这是一种加工精密曲面的新工艺方法。图20a 所示是Z eeko 气囊抛光曲面方法的工作原理。抛光工具工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊,抛光工具结构如图20b 所示。抛光工作时,工
具气囊旋转形成抛光运动,工件对气囊抛光工具作
相对的进给运动,(一般是工件作三轴联动的进给运动),使工件的全部表面都被能抛光加工到。抛光工作时,工具气囊还需同时作摆动(摆动中心为汽
囊曲面的曲率中心),使磨料薄膜层的磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性,可以自动适应工件的曲面形状,故同一工具可用于抛光外形曲率不同(但相近)的曲面。这新的曲面抛光方法可以加工非球回转曲面,也可加工自由曲面,加工出的抛光表面可达很高的表面质量。
(a)磁流体抛光的电磁铁工具
(b)磁流体抛光系统设备
图19 磁流体抛光
(a)抛光原理 (b)气囊抛光工具结构
图20 Zeeko 气囊抛光原理
(4)精密曲面应力盘抛光
这方法用大尺寸弹性盘为工具基盘,在周边可变应力的作用下,盘的面形可以实时地变形成所需要的面形,与非球面工件的局部面形相吻合,进行研磨抛光加工。应力盘抛光技术具有优先去除表面最高点或部位的特别点,具有平滑中高频差的趋势,因此不仅加工表面质量好,并且有较高的加工效率。图21a 中是这种应力盘抛光设备,图21b 是应力盘实现方法的原理结构图。
图21 应力盘抛光设备及应力盘实现方法
613 精密自由曲面的检测
精密自由曲面的检测技术是一个技术难题,近年有较大进展。现在常用非接触式激光干涉形貌测量法,如Wyko N t8000型非接触式激光干涉形貌测量仪,测量分辨率011nm,测高量程8mm,在低分辨率测量挡时,测量范围更大。用精密形貌测量仪测出表面廓形上各点的坐标尺寸,再将测量结果转化为三维立体彩色图形。图22所示,就是将激光干涉形貌测量结果进行计算机图形处理,得到三维立体
彩色图形的过程。
(a)测得的干涉条纹图 (b)高度的平面彩色图(c)高度的立体坐标图 (d)立体彩色外观图
图22 激光干涉形貌测量结果的计算机图形处理
自由曲面测量结果的评定,将因自由曲面性质不同而异。自由曲面可分为已知设计模型(CAD 模型)和未知设计模型两类,这是一项较难的技术,需将实际测得的工件廓形和理论正确的廓形对比,而得出工件廓形的误差,这需要进行极为复杂的数学计算。但由于近年来计算技术的迅速发展,现在已有多种软件可进行测量结果的评定。
激光干涉形貌测量仪的测量分辨率很高,测出的自由曲面的表面轮廓图形是包含了表面形貌和表面粗糙度(微观形貌)的综合图形,因此不能像测平面那样直接根据被测表面的微观廓形作其表面粗糙度的评定,而需要将该表面的基准自由曲面进行分离,然后才能得到能作表面粗糙度评定的表面微观廓形。图23所示为测量自由曲面时粗糙度评定的实例,其中图23a 所示为用激光干涉形貌测量仪测得的原始测量面,图23b 所示为该自由曲面的理论基准曲面,图23c 所示为经理论基准曲面分离后的
可进行粗糙度评定的微观廓形表面。
(a)原始测量面 (b)基准形貌曲面 (c)经分离后的粗糙度表面
图23 自由曲面测量面的粗糙度评定
7 超大规模集成电路制造技术的进展
过去30年集成电路技术获得飞跃的发展,现以全球最大的芯片制造商英特尔公司(Intel)的计算机芯片为例说明集成电路的发展。
英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来,已更新换代十多次。芯片的性能和集成度,在这一次次的更新换代中得到大幅度提高。1971年英特尔公司的4004芯片,时钟速度仅为108kHz,内含晶体管2300个,最小线宽为10L m;1999年英特公司的Pentium III 芯片(奔腾III 芯片),时钟速度已经高达1G Hz,在面积为217mm 2的芯片内,有晶体管2800万个,最小线宽为0118L m 。2001年3月英特尔公司推出的Pentium 4电脑的时钟速度达117G Hz,最小线宽为0113L m,在面积为116mm2的芯片内,晶体管数超过4200万个。计划到2011年,时钟速度达到10G Hz,30年来计算机芯片速度和集
成度提高了13000倍,线宽从1971年的10L m 缩小到0113~011L m 。最近新的芯片时钟速度已高达218~312G Hz 。
现在制造集成电路的光刻技术使用的光波是紫外光(光波长为0124L m),已达到的最小线宽为0113~011L m 。从理论分析该光刻加工技术的极限线宽为0108L m 。光刻中最小的光刻线宽和光波的波长有关,光刻时的光斑直径等于半波长。国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻的线宽,这需要使用更短波长的超紫外光曝光光源。使用超紫外光的光刻方法,将有可能使光刻的线宽达到70nm 以下。但是超紫外光会被空气吸收,因此,光刻需在真空中进行,这对大规模工业生产将增添困难。国外现在制造超大规模集成电路使用12d 晶片,制造时用数字控制柔性生产线加工,因此,新设计的集成电路块能很快试制出来,并且能接受生产批量不很大的集成电路,价格也不很贵。
我国微电子工业近年获得飞跃发展,已能生产多种较复杂的大规模集成电路芯片,但使用的设备和生产工艺基本都是从国外引进,一些最新技术和加工设备,国外还对我们封锁保密。我国现在制造大规模集成电路的水平是:已能用10d 硅晶片生产制
造大规模集成电路,光刻能达到的最小线宽为0118~0113L m 。我们正在努力自主研究开发12d 晶片和线宽0113~011L m 的超大规模集成电路的制造技术,希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先进水平。
8 微型零件、微型机械和微机电系统的精密制造技术新进展
随着纳米技术的迅速发展和扩大应用,微型机械和微机电系统技术亦迅速发展并应用日广,相应
的精密微细加工和微型零件及微机械的精密制造技术亦获得迅速的发展。为了制造微型零件和微机械,精微机械加工发展迅速,现己达较高水平。精微电火花加工、精微超声振动加工、精微准分子激光加工、精微塑性成型加工等,均已用于加工精密微米级尺度的微小机构零件。此外还发展了不少专用的新工艺:例如立体光刻技术、LIG A 技术、牺牲层工艺等。并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机械制造厂等。这里只介绍精密微细机械加工技术的最新进展。
811 用SPM 的探针直接对试件进行雕刻加工原子力显微镜(AFM )的探针尖一般是使用高硬度材料制造,例如用金刚石或Si 3N 4材料制成。因此可以用探针尖对试件表面直接进行刻划加工。令针尖按微结构的要求形状尺寸进行扫描,准确控制针尖的作用力来控制刻划深度,即可获得要求的精确形状的微小图形结构。AFM 还可以进行精确的在线测量,以保证刻划加工件的精度,用AFM 探针可以刻划出极微小精密的三维立体图形结构。图25中所示,是哈工大纳米技术中心用AF M 探针尖雕刻加工出的三个不同的微图形结构。其中图25a 是/HI T 0图形结构,从它的截形可看到,用这种方法可以雕刻出较窄而深的沟槽,沟槽侧壁陡峭,表面光滑。图25b 是一个圆形凹坑结构,这圆形凹坑直径约20L m,深度约350nm 。图25c 是雕刻出的另一微结构,微结构中有4个4L m @4L m 方形凹槽。从上面的实例可看到用AFM 针尖可以在试
件表面直接雕刻出有较高精度的不同图形微结构。
图25 用AFM 针尖雕刻出的微结构(哈工大)
812 精微机械加工
精微机械加工是微机械及微机电系统中制造微型器件的重要方法,其特点是能加工复杂微结构,并且加工效率高,加工精度和质量高。近年来国外新发展了多种精密微型机床,能够高精度高效率地制造微型零件。
现在已能用金刚石刀具车削直径10~20L m 的微针,使用精密磨削已加工出<8L m 钨针,使用微钻头能加工出直径30~50L m 的微孔。现在国外已生产主轴转速50000~100000r/min 的微型铣床和加工中心,能用微型立铣刀进行微结构的铣削。图26是用微型立铣刀加工精密微结构的示意图。图27是铣制的端部微细密齿件,由于端部的齿极细极密,精度要求严格,加工难度甚大。加工微结构的铣刀,现在常用金刚石磨成,图28中是现用的微细铣刀的不同结构,其中双刃形铣刀因磨制困难,很少使用;三角形截面铣刀现在用得较多,但因是负前角切削,使用效果不佳;半圆截形的单刃铣刀,磨制方便,使用效果最好。微细铣刀根据加工件要求,可以磨成圆柱形或圆锥形;加工曲面时,
端刃可磨成圆弧形。
图26
微型铣刀加工微结构
图27 铣制的
端部微细密齿件
图28 微细铣刀
现在国外(美国、日本等)还生产了能加工自由曲面的多坐标联动的加工中心。图29是日本Fanuc
公司生产的加工微型零件的RO BOnano Ui 五轴联动
加工中心。主轴用空气轴承,回转精度0105L m,转速50000~100000r/min 。直线运动的X 、Y 、Z 方向的数控系统的分辨率1nm 。工作台上回转台的B 轴和铣削主轴倾斜的C 轴均可转动360b ,分辨率0100001b 。
图30是用这加工中心加工出的不同截形的微槽,其中图30a 中的V 形槽,齿距25L m,V 形角77b ,材料为含P 的镍;图30b 中的V 形槽,齿距100L m,V 形角50b ,材料为无氧铜;图30c 中是平行的窄深槽,齿距35L m,槽深100L m,材料为黄铜,侧面倾斜115b ,加工件的齿距误差80nm,深度误差914L m 。从图中可看到用精微机械加工可以加工出表面光洁、精度很高、尖角很尖锐的微V
形槽和窄深槽。
图29
加工微型零件的五轴加工中心结构运动示意图
(a)V 形槽 (b)V 形槽 (c)窄深槽
图30 在加工中心用微型铣刀加工出的微沟槽
用这台ROBO nano Ui 五轴联动加工中心,使用微型单晶金刚石立铣刀,在多轴联动条件下,在1m m 直径的表面上加工出人面浮雕像,如图31a 所示。用这台五轴联动加工中心,还在1116mm @1116m m 硅表面上,加工出4@4阵列的凸面镜,如图31b 所示。凸面镜直径236L m,高度16L m,镜面曲率半径448L m,加工表面光洁。用五轴联动加工中心还可加工出任意自由曲面微型工件,如图31d 所示。从以上加工实例可知,现在加工微型复杂精密工件的
微型机床和加工技术已经达到很高的水平。
813 精微特种加工
现在多种特种加工都发展了加工微型工件的精微加工技术,例如:立体光刻,牺牲层工艺,LI GA 技术,电火花加工,电火花线切割加工,电火花线磨削加工,电解加工,超声振动加工,激光加工,电子束和离子束加工等,这些精微加工方法现在都已是加工精密微型工件的重要基本方法。此外,现在已有在五轴联动精密机床上使用激光加工、超声加工和离子束加工,这样,脆性和高硬度材料的复杂形状精密零件,
也已能够很顺利地加工出来。
(a)微型人面浮雕 (b)微型凸面镜4@4
阵列
(c)微型凸面镜(放大) (d)自由曲面
图31 用5坐标联动加工中心加工出的自由曲面微型工件
参考文献
1 袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术(第2版).北京:机械工业出版社,2007
2 袁哲俊.纳米科学与技术,哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005
3 李荣彬,杜雪,张志辉.自由曲面光学设计与先进制造技术.香港:香港理工大学先进光学制造中心,2005
4 秦树国.2007年的中国机床市场.数控机床市场,2007(2):44~47
作者:袁哲俊,教授,博士生导师,哈尔滨工业大学,150001哈尔滨市
A utho r:Y uan Zhejun,Pro fesso r,Harbin Institute of Technolo 2gy,Harbin,150001,China
浅谈特种加工技术及其发展和应用 学生姓名：汪恒 学生学号： 090105045 院（系）：工学院机械系 年级专业： 09机电一班
浅谈特种加工技术及其发展和应用 院系：工学院机械系 专业名称：机械设计制造及其自动化 班级：09机电一班 学生学号：090105045 学生姓名：汪恒 摘要：现阶段，先进制造技术不断发展，作为先进制造技术中的重要的一部分，特种加工对制造业的作用日益突显。对于工业上的要求在不断的改变中，而特种加工技术的发展给工业上的要求提供了极大的帮助。特种加工应用范围广，能够为一些加工提供很大的帮助。对什么是特种加工、特种加工的特点、种类以及发展趋势等作了描述。阐述了特种加工在现代社会发展过程中的重要地位，大力发展特种加工的必要性。 关键词：特种加工技术、特点、变革、发展趋势激光加工数控电火花线切割 前言 传统的机械加工技术对推动人类的进步和社会的发展起到了重大的作用。随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，
工件的复杂程度以及加工精度的要求越来越高，对机械制造工艺技术提出了更高的要求。由于受刀具材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的切削加工方法很难完成对高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温和磁性等新材料，以及精密复杂、微细构件或难以处理的形状的加工。为了解决这些加工的难题，人们不断开发研究并成功采用“传统的切削加工以外的新的加工方法——特种加工方法”解决了很多工艺问题，在生产上发挥了很大的作用，引起了机械制造工艺技术领域的许多变革。特种加工是相对于传统的切削加工而言的，实质上是直接或复合利用电能、电化学能、化学能、光能、声能、热能、磁能、物质动能、甚至爆炸能等对工件进行加工的工艺方法的总称。 正文 一、数控加工和特种加工机床的种类 数控加工机床分类有两种方法： 1.按控制系统分类有点位控制、直线控制、连续控制三种， 2.按伺服系统分类有开环、半闭环、闭环控制系统。 传统的切削加工方法主要依靠机械能来切除金属材料或非金属材料。随着工业生产和科学技术的发展，产生了多种利用其他能量形式进行加工的特种加工方法，主要是指直接利用电能、化学能、声能和光能等来进行加工的方法。在此，机械能以外的能量形式的应用是特种加工区别于传统加工的一个显著标志。 新的能量形式直接作用于材料，使得加工产生了诸多特点，例如，加
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
1.材料加工： 金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。 2.适用范围： 钢、铝、铜、钛等及其合金。 3.主要加工方法： (1) 轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。 举例：汽车车身板、烟箔等； 其它：多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。 (2) 挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。
定义：金属材料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多的有色金属管、棒、型材及线坯。 正挤压——坯料流动方向与凸模运动方向一致。 反挤压——坯料流动方向与凸模运动方向相反。 正挤反挤 举例：管、棒、型； 其它：异型截面。 卧式挤压机 特点： ①具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形量。 可加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。 ②可生产断面极其复杂的，变断面的管材和型材。
③ 灵活性很大，只需更换模具，即可生产出很多产品。 ④ 产品尺寸精确，表面质量好。 (3) 锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 ? 定义 ：借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。垂直方向（Z 向）受力，水平方向（X 、Y 向）自由变形。 A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工 B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲 击力或压力而产生塑性变形的加工。 举例：飞机大梁，火箭捆挷环等。 我国自行研制的万吨级水压机 万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环
精密和超精密加工论文 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。 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Ra0.4~0.1?;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。 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≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，
特种加工技术的应用及发展趋势 摘要：现阶段，先进制造技术不断发展，作为先进制造技术中的重要的一部分，特种加工对制造业的作用日益突显。对什么是特种加工、特种加工的方法、种类以及发展趋势等作了描述。阐述了特种加工在现代社会发展过程中的重要地位，大力发展特种加工的必要性。 一、概述 传统的机械加工技术对推动人类的进步和社会的发展起到了重大的作用随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，工件的复杂程度以及加工精度的要求越来越高，对机械制造工艺技术提出了更高的要求。 二、特种加工技术的特点 加工范围上不受材料强度"硬度等限制，特种加工技术主要不依靠机械力和机械能去除材料，而是主要用其他能量（如电"化学"光"声"热等）去除金属和非金属材料，完成工件的加工*故可以加工各种超强硬材料"高脆性及热敏材料以及特殊的金属和非金属 材料 以柔克刚。特种加工不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，加工 过程中工具和工件间不存在明显的强大机械切削力，所以加工时不受工件的强度和硬度的制约，在加工超硬脆材料和精密微细零件"薄壁元件"弹性元件时，工具硬度可以低于被加工材料的硬度。 加工方法日新月异，向精密加工方向发展，当前已出现了精密特种加工，许多特种加工方法同时又是精密加工方法"微细加工方法，如电子束加工"离子束加工"激光束加工等就是精密特种加工；精密电火花加工加工精密度可达微米级，表面粗糙度可达镜面。 容易获得良好的表面质量，由于在加工过程中不产生宏观切屑，工件表面不会产生强烈的弹"塑性变形，故可以获得良好的表面粗糙度*残余应力"热应力"冷作硬化"热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小，尺寸稳定性好，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变。 三、特种加工技术的主要应用领域 特种加工技术主要应用以下几个方面. ()l难加工材料的加工,如:金刚石、硬质合金等高硬度材料;陶瓷、玻璃、石英、玛瑙等高脆性材料的加工。 (2)各种模具的制造.冲模、挤压模、粉末冶金模等。 (3)可用于表面加工、装饰、尺寸加工,超精、光整加工、镜面加工等。 (4)以激光等高能量束流实现打孔、切割、焊接、热处理、刻蚀加工。 四、特种加工技术的种类 特种加工技术所包含的范围非常广，随着科学技术的发展，特种加工技术的内容也不断丰富 一般按能量来源"作用形式和加工原理可分为电火花加工"电化学加工"激光加工"电子束加工"等离子弧加工"超声加工"化学加工"快速成型等。 电火花加工 电火花加工又称作电蚀加工或放电加工，是将工具电极和工件置于绝缘的工作液中，工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极，加上电压，利用工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料毛坯进行加工，火花放电时，在放电区域能量高度集中，瞬时温度高达 1000度左右，足以使陶瓷材料局部融化而被蚀除，加工时工具与工件不接触，作用力极小因而可用于加工型腔模（锻模"压铸模"注塑模等）和型腔零件；加工冲模"粉末冶金模"挤压模"型孔零件"小异型孔"小深孔等。 电化学加工
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。
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
特种加工技术特点与发展应用 摘要：进入二十世纪以来，制造技术，特别是先进制造技术不断发展，特种加工成为传统加工工艺方法的重要补充和发展，在模具制造业中不可缺少的一种加工方法。同时，作为先进制造技术中的重要的一部分，特种加工在我国的许多关键的制造业中发挥着重要的、不可替代的作用。本文概要描述了特种加工技术的工艺特点以及该技术在各个领域上的发展应用和发展趋势。 关键词：先进制造技术；特种加工；特点；发展 引言：20 世纪以来,航空科学技术迅速发展。为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性,在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件。鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成, 难于达到经济性要求,各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生。目前,特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支, 在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。特种加工技术采用电磁声光等无形的能量，是科技进步的最大表现，在未来的科技发展过程中，我们要不断认识特种加工的优缺，更好的利用好特种加工技术，为未来的生产发展做出更大的贡献。 特种加工技术概况 特种加工技术的发展 特种加工是第二次世界大战后发展起来的一类有区别于传统切削和磨削的加工方法。特别是自20世纪50年代以来，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换
代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。对此，人们冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。特种加工可以实现传统加工方法难以实现的加工，如高强度、高硬度、高脆性、高韧性、工程陶瓷、磁性材料和耐高温材料等难以加工的材料以及高紧密，特殊复杂表面和外形等零件的加工等。对于精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子原件等制造中得到越来越广泛的应用。 特种加工的特点 1.不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 2.非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，
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
特种加工技术的发展 和展望
《特种加工》课程论文 题目：特种加工技术的发展和展望 姓名：郭健朗 学号： 1 3 4 1 1 0 1 0 8 6 院系：机械与能源工程系 专业：机械设计制造及其自动化 指导老师：雷先明
特种加工技术的发展和展望 摘要: 全面介绍了特种加工技术的类型及发展现状, 指出了其优势和存在的问题; 阐述了电火花加工、电解加工、电子束加工、超声波加工、激光加工、化学机械复合加工、水喷射加工等加工方法; 探讨了各种加工方法的工作要素、加工特点及应用; 最后, 指出了特种加工的发展趋势。 Abstract: the author introduces the types and current situation of the development of special processing technology, points out its advantages and problems; describes the electrical discharge machining, electrochemical machining, electron beam machining, ultrasonic machining, laser processing, chemical mechanical processing, water jet machining processing method; discusses the processing characteristics and application of work elements, all kinds of processing methods; finally, points out the development trend of special machining 关键词: 特种加工;电火花加工;电解加工;电子束加工;超声波加工 Key words: special machining; EDM; electrochemical machining; electron beam machining; ultrasonic machining 1.引言 特种加工(又称非传统加工)是二次世界大战后发展起来的一类有别于传统切削与磨削加工方法的总称。特种加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上,从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等;特种
特种加工技术的现状发展及其应用 一、特种加工技术的现状发展 特种加工是各种利用物理的、化学的能量去除或添加材料以达到零件设计要求的加工方法的总称。由于这些加工方法的加工机理以溶解、熔化、气化、剥离为主，且多数为非接触加工，因此对于高硬度、高韧性材料和复杂形面、低刚度零件是无法替代的加工方法，也是对传统机械加工方法的有力补充和延伸，并已成为机械制造领域中不可缺少的技术内容。目前，这一技术正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展，在已有的工艺不断完善和定型的同时，新的特种加工技术不断涌现，如快速原形制造技术、等离子体熔射成形工艺技术、在线电解修整砂轮镜面磨削技术、实变场控制电化学机械加工技术、三维型腔简单电极数控电火花仿铣技术、电火花混粉大面积镜面加工技术、磁力研磨技术和电铸技术等。新的特种加工技术是在传统的特种加工技术的基础上，紧密结合材料、控制和微电子技术而发展起来的，并随着产品应快速响应市场需求，正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。 1、特种加工技术的构成 近二三十年来，特种加工技术发展迅速，其内涵已十分广泛而丰富。包括：.溶解加工、熔化加工、复合加工、综合加工、特种机械加工等多种加工形式。 2、人工智能技术为特种加工工艺规律建模奠定了基础 特种加工的微观物理过程非常复杂，往往涉及电磁场、热力学、流体力学、电化学等诸多领域，其加工机理的理论研究极其困难,通常很难用简单的解析式来表达。近年来，虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究，并取得了卓越的理论成就，但离定量的实际应用尚有一定的距离。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面质量与加工条件参数间都有其规律。 因此，目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方法来了解特种加工的工艺规律，以便实际应用，但还缺乏系统性。受其限制，目前特种加工的工艺参数只能凭经验选取，还难以实现最优化和自动化，例如，电火花成形电极的沉入式加工工艺，它在占电火花成形机床总数95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。 虽然已有学者对其cad、capp和cam原理开展了一些研究，并取得了一些成果，但由于工艺数据的缺乏，仍未有成熟的商品化的cad/cam系统问世。通常只能采用手工的方法或部分借助于cad造型、部分生成复杂电极的三维型面数据。随着模糊数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的成熟发展，人们开始尝试利用这一技术来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型，并得到了初步的成果。因此，通过实验建模，将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来，建立描述特种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟。并为进一步开展特种加工加工工艺过程的计算机模拟，应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定基础。 3、智能控制将成为特种加工领域主要的控制策略 加工过程和加工设备的稳定、可靠、高效地运行是特种加工工艺技术适应快速制造体系的必不可少的条件。但由于多数特种加工方法采用“以柔克刚”的非接触式加工机制，加工是伴随着物理、化学过程进行的，其加工的微观过程非常复杂，迄今为止仍不能用一个确定的数学模型来描述。而且随着加工过程的进行，加工条件有时还会发生较大的变化，引起加工特性随时间而变化。因此在控制理论中属于典型的模型不确定非线性时变系统，很难用经典的控制理论和现代控制理论的方法获得理想的控制效果。多年来人们尝试过很多种自适应控制策略，取得了很大进展。但在加工条件大幅度变化的情况下仍难以达到满意的性能。
特种加工摘要随着我国机械制造业的快速发展，电火花加工技术在民用和国防工业中的应用越来越多，特别是数控电火花成形加工机床和数控电火花线切割加工机床不仅在模具制造业中广泛应用，而且在一般机械加工企业中逐渐普及.电火花加工技术是实践性与理论性都很强的一门技术，用户既要掌握电火花工艺方面的知识，又要充分熟悉电火花机床的功能与编程知识。目前，我国的电火花机床操作者中，大多只经过短期培训，缺乏系统的理论知识，只能进行简单加工的程序编制，严重影响了加工设备的高效使用。为适应现代化加工技术的要求，电火花机床操作者，要全面掌握所需的专业知识；从事电火花加工的技术人员也需要提高自身的技术水平；企业也急需一批电火花加工方面懂工艺、会编程，能够熟练操作和维护机床的应用型技术人才。针对上述现状，作者对高职高专目前常见的电火花加工技术方面的教材进行了认真研究，并对国内数十家企业进行了调研，根据电火花加工技术人才知识结构的市场需求，从培养学生必备的基础知识和操作技能出发，汇集多年的教学和在企业的实践经验，编写了本书。本书由电火花加工技术基础，电火花成形加工机床、加工工艺及编程，电火花线切割加工机床、加工工艺及编程三部分组成。学生在学习本课程前，已学过“机械制造技术”和“数控原理及其应用”课程，并已进行过金工实习或生产实习，对机械加工工艺和数控机床已有初步了解。关键字：电火花加工技术 1.激光加工技术原理 1.1激光加工技术简介激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。 1.2激光技术分类激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为： 1）激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2）激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 3）激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。4）激光切割：汽车行业、计算机、
《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