超精密切削加工技术的历史

第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。

高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。

例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。

高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。

60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。

高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。

为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。

但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。

高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。

汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。

新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。

所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。

图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。

国外超精密数控机床概述20世纪50年代后期，美国首先开始进行超精密加工机床方面的研究，当时因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，急需反射镜的超精密加工技术和超精密加工机床。

人们通过使用当时精度较高的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面切削，以此为起点，超精密加工作为一种崭新的机械加工工艺得到了迅速发展。

1962年，Union Carbide公司首先开发出的利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到士0.6 um，表面粗糙度为Ra0.025um，从而迈出了亚微米加工的第一步。

但是，金刚石超精密车削比较适合一些较软的金属材料，而在航空航天、天文、军事等应用领域的卫星摄像头方面，最为常用的却是如玻璃、陶瓷等脆性材料的非金属器件。

用金刚石刀具对这些材料进行切削加工，则会使己加工表面产生裂纹。

而超精密磨削则更有利于脆性材料的加工。

Union Carbide公司的另一代表性产品是其在1972年研制成功的R-0方式的非球面创成加工机床。

这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角0和半径R，实现非球面的镜面加工。

加工直径达380mm，工件的形状精度为士0.63um，表面粗糙度为Ra0.025 um。

摩尔公司(Mood Special Tool)于1968年研制出带空气主轴的Moori型超精密镜面车床，但为了实现脆性材料的超精密加工，该公司又于1980年在世界上首次开发出三坐标控制的M-18AG型超精密非球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床。

该机床采用空气主轴，回转精度径向为0.075pm；采用Allen-Braley 7320数控系统；X，Z 轴行程分别为410mm和230mm，其导轨的平直度在全长行程范围内均在0.5um以内，B轴的定位精度在3600范围内是0.38um；采用金刚石砂轮可加工最大直径为356mm的各种非球面的金属反射镜。

超精密切削加工技术介绍
超精密加工技术是适应现代高科技的需要而发展起来的先进制造技术, 是高科技尖端产品开发中不可或缺的关键技术, 是一个国家制造业水平重要标志, 是先进制造技术基础和关键, 也是装备现代化不可缺少的关键技术之一, 在军用和民用工业中有着十分广阔的应用前景。

金刚石超精密切削技术, 是超精密加工技术发展最早的、应用最为广泛的技术之一。

超精密切削加工技术
1、超精密切削的历史
60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等，各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。

为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。

2、超精密切削加工的应用
（1）平面镜的切削
平面度
金刚石刀具
1、金刚石刀具特点
金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。

金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。

超精切削刀具材料有天然金刚石，人造单晶金刚石。

金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。

机械磨损——机械摩擦、非常微小；破损。

超精密加工技术的理论和应用研究超精密加工技术是指在微米和纳米级别下进行的精密加工过程。

随着现代科技的不断发展，超精密加工技术越来越受到重视，并广泛应用于电子、光学、航空航天和生物医疗等领域。

1. 超精密加工技术的发展历程超精密加工技术的发展历程可以追溯到20世纪50年代末期，当时主要应用于金属和陶瓷的球面加工和制造。

随着微电子技术的不断进步，超精密加工技术被广泛运用于微电子制造和微机电系统（MEMS）中，如晶体管、光学元件、压电陶瓷和生物芯片等。

在后来的发展中，超精密加工技术逐渐扩展到玻璃、塑料和石英等非金属材料的加工上。

同时，超精密加工技术还被应用于卫星、航天器和精密仪器的制造和维修中。

2. 超精密加工技术的理论基础超精密加工技术的理论基础主要涉及到两个方面：加工力学和加工控制。

加工力学研究表明，超精密加工过程中的切削作用受到材料本身的特性、切削工具的形状和刃口尺寸、切削速度和切削深度的影响。

因此，了解加工物料的相关特性并选择适当的切削参数，对加工质量和加工效率的提高具有重要意义。

加工控制方面的研究主要涉及到加工路径规划、加工速度和切削深度的控制以及加工设备的精度检测等。

3. 超精密加工技术在电子制造领域中的应用在电子制造领域中，超精密加工技术被广泛应用于半导体器件的制造和加工。

例如，通过超精密加工技术制作的半导体器件可以达到微米甚至纳米级别的精度，从而大大提高了器件的性能和稳定性。

此外，超精密加工技术还可以用于电子元器件的制造，如阻值、电容器和电感器等。

通过超精密加工技术制作的电子元器件具有更好的性能和精度，可以提高电路的稳定性和可靠性。

4. 超精密加工技术在航空航天领域中的应用在航空航天领域中，超精密加工技术主要应用于航空发动机部件的制造和维修。

例如，通过超精密加工技术制造的涡轮叶片具有更好的气动性能和材料特性，可以提高发动机的性能和效率。

同时，超精密加工技术还可以用于航空航天器件的制造和加工，如导航系统和通信设备等。

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。

精密加工的发展史及趋势
精密加工是指采用特殊的设备和技术，以非常高的精度对金属或非金
属物品进行加工的一种工艺。

它具有精度高、研磨精度高、重复精度高、
速度快、质量好、节约材料等优点，被广泛应用于航空航天、机械、能源、电子信息、医疗器械等领域，是现代高精尖的技术之一
精密加工的发展史可以追溯到20世纪50年代，1954年，美国宾夕
法尼亚州钢铁公司开发出一种全新的切削工艺，即精密冲剪。

这种冲剪工
艺能够制造出非常精确的金属零件，为当时的工业发展奠定了坚实的基础。

几年后，美国又开发出了精密切削机床，使得精密加工的范围进一步得以
扩大。

随着近代科学技术的发展，精密加工也不断得到进步提升。

20世纪
70年代，中国研制出精密数控车床，使精密加工可以以更快的速度、更
高的精度完成对金属零件的研磨、车削等操作。

此外，20世纪80年代，
激光雕刻技术也开始被应用到精密加工中，使得加工精度进一步得到提高。

随着近年来现代技术的高速发展，精密加工的范围也大大扩展，技术
水平也不断提高。

现如今，人们开发出的精密加工设备可以实现高精度、
高速度、高精确度的加工。

此外，新兴技术如3D打印、电火花等也被用
于精密加工，并显示出极大的潜力。

精密超精密加工技术的发展及应用1、概述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⑴。

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。

"］我国是制造业大国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造上也小有成就。

但是和发达国家制造强国相比，我国目前仍有差距。

我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。

2、国内外精密超精密加工技术发展通常按照加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。

目前，精密加工是指精密加工精度为1-0.1 m表面粗糙度为］RaO.1-O.O1 口的加工技术。

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。

」20世纪60年代初期，随着航天、宇航的发展，精密超精密加工技术首先在美国被提出，并由于得到了政府和军方的财政支持而迅速发展。

到了20世纪70年代，日本也成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划，将该技术列入高新技术产业，经过多年的发展，使得日本在民用光学、电子及信息产品等产业处于世界领先地位［2］。

2.1国外发展超精密加工发展到今天，已经取得了重大进展，超精密加工以不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。

超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。

其加工机理随着加工单位（加工应力作用的范围）和工件材料的不均质程度（材料缺陷或因加工产生缺陷）不同而异，如图1所示⑻。