《精密和超精密加工技术(第3版)》第7章精密研磨与抛光

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。

研磨与抛光的区别
很早以前看过这样一个报道，说是德国、日本等几个国家的科学家耗时5年时间，花了近千万元打造了一个高纯度的硅-28材料制成的圆球，这个1kg纯硅球要求超精密加工研磨抛光，精密测量（球面度，粗糙度，质量..），可谓是世界上最圆的球了。

关于这个圆球的故事
我们明天会具体的介绍一下
今天我们主要是想通过这个视频
来介绍一下超精密抛光工艺
我们经常把研磨和抛光放在一起讲，因为零件经过这两个工序的粗糙度已经十分小了。

首先咱们了解一下它们的区别。

研磨与抛光的区别
研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工。

研磨可用于加工各种金属和非金属材料，加工的表面形状有平面，内、外圆柱面和圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿面及其他型面。

加工精度可达IT5～IT1，表面粗糙度可达Ra0.63～0.01微米。

抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。

两者的主要区别在于：抛光达到的表面光洁度要比研磨更高，并且可以采用化学或者电化学的方法，而研磨基本只采用机械的方法，所使用的磨料粒度要比抛光用的更粗，即粒度大。

现代电子工业，超精密抛光是灵魂
超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命，不仅仅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多层材料，使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管。

第一章精密和超精密加工技术及其发展展望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。

什么叫精密加工？加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。

什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。

以下哪些是精密和超精密加工的分类？A.去除加工；B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工；F.特种加工；G.复合加工；影响精密与超精密加工的因素有哪些？加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境等。

我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。

第二章超精密切削与金刚石刀具举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。

超精密切削速度是如何选择的？超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。

金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。

第二章超精密切削与金刚石刀具•举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。

第5章模具的研磨与抛光模具的研磨与抛光是以降低零件外表粗糙度，提高外表形状精度和增加外表光泽为主要目的，属光整加工，可归为磨削工艺大类。

他们研磨与抛光在工作成形理论上很相似，一般用于产品、零件的最终加工。

现代模具成形外表的精度和外表粗糙度要求越来越高，特别是高精度、高寿命的模具要求到μm级的精度。

一般的磨削外表不可防止要留下磨痕、微裂纹等缺陷，这些缺陷对一些模具的精度影响很大，其成形外表一部分可采用超精密磨削加工到达设计要求，但大多数异型和高精度外表大都要进行研磨与抛光加工。

对冲压模具来讲，模具经研磨与抛光后，改善了模具的外表粗糙度，利于板料的流动，减小流动阻力，极大地提高了成形零件的外表质量，特别是对于汽车外覆盖件尤为明显。

经研磨刃口后的冲裁模具，可消除模具刃口的磨削伤痕，使冲裁件毛刺高度减少。

塑料模具型腔研磨、抛光后，极大地提高型腔外表质量，提高成形性能，满足塑件成型质量的要求、塑件易于脱模。

浇注系统经研磨、抛光后，可降低注射时塑料的流动阻力。

另外研磨与抛光可提高模具接合面精度，防止树脂渗漏，防止出现沾粘等。

电火花成型的模具外表会有一层薄薄的变质层，变质层上许多缺陷需要用研磨与抛光去处。

另外研磨与抛光还可改善模具外表的力学性能，减少应力集中，增加型面的疲劳强度。

研磨的基本原理与分类研磨是一种微量加工的工艺方法，研磨借助于研具与研磨剂〔一种游离的磨料〕，在工件的被加工外表和研具之间上产生相对运动，并施以一定的压力，从工件上去除微小的外表凸起层, 以获得很低的外表粗糙度和很高的尺寸精度、几何形状精度等，在模具制造中，特别是产品外观质量要求较高的精密压铸模、塑料模、汽车覆盖件模具应用广泛。

1.研磨的基本原理1〕物理作用研磨时，研具的研磨面上均匀地涂有研磨剂，假设研具材料的硬度低于工件，当研具和工件在压力作用下做相对运动时，研磨剂中具有尖锐棱角和高硬度的微粒，有些会被压嵌入研具外表上产生切削作用〔塑性变形〕，有些则在研具和工件外表间滚动或滑动产生滑擦〔弹性变形〕。

精密和超精密加工技术的复习题一、名词解释1.金刚石晶体的解理现象：金刚石晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于（111）平面平整地劈开的现象，称为解理现象。

2.精密磨削：是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度达到Ra0.2~0.025μm的磨削方法，又称为小粗糙度磨削。

3.超精密磨削：是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度小于R a0.025μm的一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展。

4.在线检测：工件在加工过程中的同时进行检测，称之为在线检测。

5.空气洁净度：是指空气中含尘埃量多少的程度。

6.恒温精度：是指相对于平均温度所允许的偏差值。

7.恒温基数：是指空气的平均温度。

二、填空题1.精密和超精密加工包含三个领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。

2.金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，再就是金刚石刀具的研磨质量——切削刃钝圆半径r。

n3.隧道扫描显微镜是目前世界上精度最高的测量仪，可用于测量金属和半导体零件表面的原子分布的外貌。

4.最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标——原子级精密加工。

5.超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。

6.超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等都直接有关。

7.金刚石刀具的磨损，主要属机械磨损，其磨损本质是微观解理的积累。

8.对金刚石刀具来说，切削刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，故切削刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。

9.金刚石晶体定向方法有：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。

10.精密磨削机理可归纳为：微刃的微切削作用；微刃的等高切削作用；微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。

11.超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。

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。

1-1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。

精密和超精密加工是国际竞争取得成功的关键技术。

许多现代技术产品需要高精度制造。

发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备。

1-2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精密加工：加工精度0.1～1um表面粗糙度Ra在0.02～0.1um超精密加工：加工精度高于0.1um表面粗糙度Ra小于0.01um1-3精密和超精密加工现在包括那些领域。

1）超精密切削（各种镜面）2）精密和超精密磨削研磨（集成电路基片和高精度磁盘）3）精密特种加工（电子束、离子束加工使美国超大规模集成电路线宽达到0.1um）1-4试展望精密和超精密加工技术的发展。

对精密和超精密加工技术给予足够的重视，投入较多的人力物力进行研究和发展，在生产中稳定纳米加工，扩大应用亚微米加工技术，并开始纳米级加工的试验研究，则在10～15年内有希望达到美国等先进国家的水平。

可先在某些单项技术上取得突破，逐步使我国的精密和超精密加工技术达到国际先进水平。

1-5我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何与发达国家相比，仍有不少的差距。

不少精密机电产品尚靠进口。

有些靠老工人手艺，且报废高。

某些精密机电产品我国虽已能生产，但其中的核心关键部件仍需依靠进口，我国每年需进口大量尚不能生产的精密数控机床设备。

1-6我国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?1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿4）超精密加工的环境条件；5）超精密加工的材料2-1金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围?用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。

用于加工陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜2-2金刚石刀具超精密切削的切削速度如何选择？根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。

《精密和超精密加工技术》学习总结11机械1班 2011411011070. 引言精密和超精密加工技术不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还影响着国家的机械制造业的国际竞争力，因此，全球各国对此十分重视！本文就从超精密切削、精密和超精密磨削、精密研磨与抛光、精密加工的机床设备和外部支撑环境、微纳加工技术等相关的超精密加工技术进行研究与总结。

1. 超精密切削超精密切削是国防和尖端技术中的重要部分，受到了各国的重视和发展。

一、超精密切削的切削速度选择超精密切削所使用的刀具是天然单晶金刚石刀具，它是目前自然界硬度最高的物质，具有耐磨性好、热传导系数高和有色金属间摩擦系数小。

因此，在加工有色金属时，切削温度低，刀具寿命很高，亦可使用1000-2000m/min的高速切削。

而这一点（切削速度并不受刀具寿命的制约）是和普通切削规律不同的。

超精密切削的速度选择是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性所决定的，即选择振动最小的转速。

换而言之，要高效地切削出高质量的加工表面，就应该选择动特性好，振动小条件下最高转速的超精密机床。

例如沈阳第一机厂圣工场的SI-255液体静压主轴的超精密车床在700-800r/min时振动最大，故要避开该转速范围，选择低于或者高于该速度范围进行切削，则可得到较好的加工表面。

二、超精密切削时刀具的磨损和寿命天然单晶金刚石刀具超精密切削应用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料，比如激光反射镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘等。

判断金刚石刀具是否破损或磨损而不能继续使用的标准是根据工件加工的表面粗糙度有无超过规定值。

而金刚石刀具的切削路程的长度则是其寿命长短的标志。

倘若切削条件正常，刀具的耐用度可达数百千米。

但是在实际使用中，金刚石刀具常是达不到这个耐用度，因为加工过程中切削刃会产生微小崩刃而不能继续使用，而这主要是由于切削时的振动或切削刃的碰撞引起的。

因此，金刚石刀具只能使用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，而刀具的维护对机床的要求亦是如此。

精密与超精密磨削技术一、精密与超精密磨削技术国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削研究，以获得亚微米级尺寸精度。

微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削树脂结合剂砂轮金刚石磨粒平均直径可小至4μm。

日本用激光研磨过人造单晶金刚石上切出大量等高性一致微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。

超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025μm。

日本开发了电解线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料高精度、高效率超精密磨削。

作平面研磨运动双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可获得很高平面度,工具模具制造，磨削保证产品精度质量最后一道工序。

技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性作用。

磨削脆性材料时，由于材料本身物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后表面比较粗糙。

某些应用场合如光学元件，这样粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。

为了解决这一矛盾，80年代末日本欧美众多公司研究机构相继推回了两种新磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）镜面磨削（Mirror Grinding）。

1.塑性磨削它主要针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。

所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shere Mode Grindins）。

由此磨削后表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时元规则凹凸不平，表面呈有规则纹理。

塑性磨削机理至今不十分清楚切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性磨粒几何形状有关。

一般来说，临界切削深度100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。