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第一章 精密和超精密加工技术概述 管文编著

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超精密加工与超高速加工技术

超精密加工与超高速加工技术

超精密加工与超高速加工技术第一篇：超精密加工与超高速加工技术超精密加工与超高速加工技术一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。

目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150-1000m/min，纤维增强塑料为2000-9000m/min。

各种切削工艺的切速范围为：车削700-7000m/min，铣削300-6000m/min，钻削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。

超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。

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0.025μ m，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。

超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。

二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。

在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。

在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。

目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。

精密超精密加工技术

精密超精密加工技术

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。

超精密加工技术论文

超精密加工技术论文

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。

第一章 精密和超精密加工技术概述 管文编著

第一章 精密和超精密加工技术概述 管文编著

1.3 精密和超精密加工技术发展趋势
一、超精密加工技术基础理论和实验还需进一步发展
所谓超精密加工技术基础理论，是指在了解并掌握超精密 加工过程的基本规律和现象的描述后才能驾驭这一过程，取得 预期结果。例如上世纪 90 年代初，日本学者用金刚石车刀在 LLNL的DTM3上加工出最薄的连续切屑的照片，当时认为达到 了1nm的切削厚度，已成为世界最高水平，并至今无人突破 （见图1-4）。那么超精密切削极限尺度是多少、材料此时是 如何去除的，此外超精密加工工艺系统在力、热、电、磁、气 等多物理量/场复杂耦合下的作用机理是什么、此时系统的动态 特性、动态精度及稳定性如何保证等都需要得到新理论的支持。
1.2 精密超精密加工技术的作用
发动机喷嘴零件（如旋流槽、微小孔等特征）的精密 加工与检测技术、发动机叶片型面及进排气边的精密加工 与检测技术、整体叶盘的精密加工与检测技术等发展为航 空发动机零部件的加工与检测提供了可靠保证，促进了航 空发动机性能的提升。图1-3为发动机零部件专用五轴非 接触扫描精密测量机。
1.3 精密超精密加工技术发展趋势
三、微纳结构功能表面的超精密加工技术
微结构功能表面具有特定的拓扑形状，结构尺寸一般为 10~100μm ，面形精度小于 0.1μm，其表面微结构具有纹 理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，如凹槽阵列、 微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构使得元件 具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等， 如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性，或者具备特定的光 学性能等。在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构， 形成的功能性表面不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻，减小 摩擦，还可以避免结冰层形成，提高空气动力学和热力学功 能，从而达到增速、增程、降噪等目的，同时表面特定的微 结构特征还能起到隐身功能，增强突防能力。

精密和超精密加工技术

精密和超精密加工技术
ELID磨削的应用
电子材料，磁性材料的镜面磨削：大尺寸硅片；铁金氧磁头 光学材料的镜面磨削：记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前 陶瓷材料的镜面磨削 高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金
4、脆性材料精密磨削
尖锐压头下的材料变形过程
(a) 初始加载: 接触区产生—永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 (b) 临界区: 载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(M edian Crack)。 (c) 裂纹增长区: 载荷增加, 中介裂纹也随之增长。 (d) 初始卸载阶段: 中介裂纹开始闭合，但不愈合。 (e) 侧向裂纹产生: 进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧 边扩展的横向裂纹(L ateral Crack)。 (f) 完全卸载: 侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则 形成破坏的碎屑。
精密、超精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕
1、精密和超精密磨削加工基础
精密和超精密磨削分类
将磨料或微粉与结合剂粘合在一起， 形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂 轮、砂条、油石、砂带等磨具。
精密和超精 密磨料加工 固结磨 料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。
3、在线电解磨削技术
ELID磨削的特点
磨削过程具有良好的稳定性； ELID修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；
采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的 残留裂纹。
3、在线电解磨削技术
1、精密和超精密磨削加工基础
切削和磨削的比较

第四章 精密和超精密加工机床 管文 编著

第四章 精密和超精密加工机床 管文 编著
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DHP40 （图4-2）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 24000 r/min。图4-3所示是瑞士MIKROM公司的高速精密五轴 加工中心，它的主轴最高转速为42000 r/min，定位精度达 5μm，已达到过去坐标镗床的精度。
Nanosys-1000机床系统的特点是： （1）床身本体设计成整体类龙门框架结构，具有高刚性、高稳 定性及安装、维修、工件装卸、加工运行易操作性特点。 （2）机身整体坐落在4主动式隔振气垫上，形成动力学 3 支撑， 可随着加工中重心改变自动调水平；隔振气垫下的机床地基设 计成具有横向隔离的重力型减振形式；机床重心及工件刀具加 工点设计在接近支持平面的位置，以最小化床身姿态变化扰动 影响。 （3）机床主轴、导轨均采用液浮静压轴承，并根据工作状态， 主轴采用低阻尼，导轨采用高阻尼油；Z垂直导轨托板设计成无 干涉气浮重力平衡机构。 （4）机床坐标测量采用衍射光栅测量系统；机床采用 PC与多 轴运动控制器构成的开放式数控系统。 （5）机床本体、主轴采用了无脉动重力型水冷恒温；液压源采 用恒温、恒压、脉动滤波技术和装置。
（1）NAM-800型纳米数控车床是1998年北京机床研究所制成， 见图4-9。其主要性能指标见表4-5。
图4-9 NAM-800型CNC超精密金刚石车 床 表4-5 NAM-800型纳米数控车床主要技术性能
（2）航空航天工业303所研制的非球面曲面超精密加工机 床车削加工样件的面形精度 PV= 0.228μm，表面粗糙度 Ra=0.0078μm。303所研制的JCS-031超精密金刚石铣床的 技术指标如表4-6。
表4-2 几种典型的超精密机床技术性能指标

精密和超精密加工技术

特种加工
本章内容
I. 特种加工技术概述 II. 电火花加工 III.电解加工 IV. 高能束加工
特种加工技术概述
➢ 非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切 削与磨削加工方法的总称。
➢非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统 机械加工方法难于解决：
1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、 高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使 新材料不断涌现。
电火花加工工作要素
➢脉冲宽度与间隔——影响加工速度、表面粗糙 度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持 续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗 糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间 在2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J （电流为400A时）之间。
电火花加工类型
➢电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 ➢电火花线切割
➢ 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。
➢ 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。
➢ 优化工艺参数，完善现有的加工工艺。
➢ 向微型化、精密化发展。 ➢ 采用数控、自适应控 2084 制、CAD/CAM、专家系统
等 技 术 ， 提 高 加 工 过 程1104
70年代 80年代 90年代
自动化、柔性化程度。
232
424 244 142
441 321 214
353 252 316
激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 EI 收录文章数比较
几种代表性特种加 工方法
电火花加工的原理示意 图
电火花加工
原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电， 产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝 缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之 产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化 的材料就从工件的表面迅速被除去

精密和超精密加工技术

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。

精密与超精密加工技术课件

珩磨效果影响因素
珩磨效果受到多种因素的影响 ，如磨石的粒度、粘结剂的类 型、珩磨头的转速和压力等。
电解加工工艺
电解加工工艺概述
电解加工是一种利用电化学反应去除 工件材料的加工方法，具有加工精度 高、表面质量好等特点。
电解加工工艺流程
电解加工工艺通常包括工件表面处理 、电解液的选择和调整、电解加工设 备的设置以及加工参数的控制等步骤 。
、汽车和航空领域。
陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和 耐高温等特点，常用于制造刀具、 磨具和高温部件。
复合材料
复合材料由两种或多种材料组成， 具有优异的综合性能，如碳纤维复 合材料具有高强度和轻质的特点。
复合材料
玻璃纤维复合材料
玻璃纤维复合材料具有高 强度、高刚性和耐腐蚀等 特点，广泛应用于建筑、 船舶和汽车领域。
抛光效果受到抛光轮的材料、转速、抛光膏或抛光液的成分以及抛光 压力等因素的影响。
珩磨工艺
珩磨工艺概述
珩磨是一种利用珩磨头上的磨 石与工件表面进行摩擦，以去 除表面微小凸起和划痕的加工
方法。
珩磨材料
珩磨头上的磨石由硬质颗粒和 粘结剂组成，具有较高的硬度 和耐磨性。
珩磨工艺流程
珩磨工艺通常包括工件表面处 理、涂敷润滑剂、珩磨头的旋 转运动以及工件的往复运动等 步骤。
碳纤维复合材料
碳纤维复合材料具有高强 度、轻质和耐高温等特点 ，常用于制造航空器和体 育用品。
金属基复合材料
金属基复合材料以金属为 基体，加入增强纤维或颗 粒，以提高材料的强度、 刚度和耐磨性。
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精密与超精密加工工艺
研磨工艺
研磨工艺概述
研磨材料
研磨是一种通过研磨剂去除工件表面微小 凸起和划痕的加工方法，以达到平滑表面 的效果。

精密与超精密加工技术PPT课件

茶色金刚石：韧性差，硬度最高，一般用于难切削材料的镜面加 工中。 2）热传导率
金刚石的热传导率是矿物中最大的，切削加工中发热量非常小。
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精密与超精密加工技术
天然金刚石的加工多采用研磨加工方法，通常采用空气轴承 研磨机，由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径。
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ห้องสมุดไป่ตู้
精密与超精密加工技术
1）刀尖的磨损 在切削距离到达100km以前，后刀面磨损急剧上升，以后磨损逐渐减
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精密与超精密加工技术
（1）超精密磨削表面的形成机制
超精密磨削获得的极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精细修整得到的大量的、 等高性很好的微刃来实现微量切削作用。
(1) 对产品高质量的追求 (2) 对产品小型化的追求 (3) 对产品高可靠性的追求 (4) 对产品高性能的追求
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精密与超精密加工技术
国际知名超精密加工研究单位与企业主要有： 美国LLNL实验室和Moore公司 英国Granfield大学和Tayler公司 德国Zeiss（蔡司）公司和Kugler公司 日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等
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精密与超精密加工技术
世界发达国家均予以高度重视。最近启动的研究 计划包括 ：
美国的NNI(National nanotechnologyinitiative)纳米计划 英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote-chnology)， 日本的纳米技术支撑计划
精密与超精密加工技术
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内容
1、超精密加工技术概述 2、超精密加工技术的发展历程 3、超精密加工的范畴 4、超精密加工的主要研究领域 5、超精密加工的主要方法 6、超精密加工的发展趋势
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1.1 精密和超精密加工技术的发展与现状
国内真正系统地提出超精密加工技术的概念是从 20 世纪 80 年代~90 年代初，由于航空、航天等军工行业的发展对零 部件的加工精度和表面质量都提出了更高的要求，这些军工 行业投入了资金支持行业内的研究所和高校开始进行超精密 加工技术基础研究。由于当时超精密加工技术属于军用技术， 无论从设备还是工艺等方面，国外都实施了技术封锁，所以 国内超精密加工技术的开展基本都是从超精密加工设备的研 究开始。由于组成超精密加工设备的基础是超精密元部件， 包括空气静压主轴及导轨、液体静压主轴及导轨等，所以各 单位也正是以超精密基础元部件及超精密切削加工用的天然 金刚石刀具等为突破口，并很快就取得了一些进展。
1.3 精密超精密加工技术发展趋势
三、微纳结构功能表面的超精密加工技术
微结构功能表面具有特定的拓扑形状，结构尺寸一般为 10~100μm ，面形精度小于 0.1μm，其表面微结构具有纹 理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，如凹槽阵列、 微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构使得元件 具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等， 如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性，或者具备特定的光 学性能等。在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构， 形成的功能性表面不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻，减小 摩擦，还可以避免结冰层形成，提高空气动力学和热力学功 能，从而达到增速、增程、降噪等目的，同时表面特定的微 结构特征还能起到隐身功能，增强突防能力。
图1-4 单点金刚石超精密切削加工
1.3精密超精密加工技术发展趋势
二、被加工材料和工艺方法也在不断扩展
钛合金是航空最常用的材料之一，氢作为有害杂质元素对 钛合金的使用性能有极其不利的影响，如会引起钛合金氢脆、 应力腐蚀及延迟断裂等，但是近年来研究表明通过合理有效地 控制渗氢、相变及除氢等过程，获得钛合金组织结构的变化， 从而可以改善其加工性能，提高加工表面质量和效率。同样通 常认为黑色金属是无法利用天然金刚石进行超精密切削加工的， 多年来也一直在进行各种工艺研究，如利用低温流体（液氮或 二氧化碳）冷却切削区进行低温冷却车削、采用超声振动切削 黑色金属、采用金刚石涂层刀具等，采用离子渗氮和气体渗氮 工艺对模具钢进行处理，但上述方法到目前为止还无法工程化 应用。近年来通过离子注入辅助方式改变被加工材料表层的可 加工性能，实现硅等硬脆材料复杂形状的高效超精密切削。
1.1 精密和超精密加工技术的发展与现状
超精密加工技术的发展随着时代的进步其加工精度 也不断提高，目前已经进入到纳米制造阶段。纳米级制 造技术是目前超精密加工技术的巅峰，其研究需要具有 雄厚的技术基础和物质基础条件，美国、日本及欧洲一 些国家以及我国都在进行一些研究项目，包括聚焦电子 束曝光、原子力显微镜纳米加工技术等，这些加工工艺 可以实现分子或原子级的移动，从而可以在硅、砷化镓 等电子材料以及石英、陶瓷、金属、非金属材料上加工 出纳米级的线条和图形，最终形成所需的纳米级结构， 为微电子和微机电系统的发展提供技术支持。
1.1 精密和超精密加工技术的发展与现状
2019/7/6
图1-1 国内第一台大型（φ1000mm）光学元 件金刚石超精密切削加工设备（LODTM）
1.2 精密和超精密加工技术的作用
一、精密和超精密加工技术可促进现代基础科学 和应用基础科学的发展
量子力学和相对论是近代物理学和其他基础科学的 核心，20 世纪30 年代已经建立，但是其中一些理论还 未得到实验验证，例如爱因斯坦的广义相对论中的2个预 言，即重力场弯曲效应和惯性系拖曳效应，这些理论在 天文学、空间探测等方面有着重要的指导意义。例如航 天器围绕地球旋转，在牛顿的宇宙模型中指针会指向同 一方向，而在爱因斯坦的模型中，由于地球对周围时空 的扭曲和拖拽，陀螺仪指针会倾斜一个非常小的角度， 这就是所谓的重力场弯曲效应和惯性系拖曳效应，这两 种现象十分微弱，通过实验室验证是不可想象的。
1.3精密超精密加工技术发展趋势
二、被加工材料和工艺方法也在不断扩展
抗疲劳制造技术的发展为超精密加工技术提出了新的发展 方向，超硬材料的精密加工工艺要求控制表层及亚表层的损伤 及组织结构、应力状态等参数，如航空发动机轴承材料 M50NiL，其表面处理后硬度超过了HRC70。随着单晶涡轮 叶盘和单晶涡轮叶片在航空发动机上的应用，要求被加工材料 没有重融层和变质层，从而对精密加工工艺提出了新要求。随 着导弹马赫数的增加，要求头罩材料的抗耐磨性提高，已从红 外材料向蓝宝石材料头罩乃至金刚石材料发展，形状也从球形 向非球面乃至自由曲面发展，对超精密加工设备、工艺及检测 技术提出了新的要求。
2019/7/6
1.2 精密超精密加工技术的作用
二、精密和超精密加工技术是现代高新技术产业 发展的基础
国家目前非常重视交通、能源、信息、生物医药等高 新技术产业的发展，但是目前这些产业的核心技术国内还 没有掌握，关键设备或零部件仍然依赖进口。如高性能轴 承是飞机发动机、高铁、风电等产品的关键，但由于目前 国内材料、工艺等方面的原因，其使用寿命远远不能满足 要求，其他一些承受高频载荷的部件同样面临这些问题。 近年国内开始研究的抗疲劳制造技术则是以被加工件的抗 疲劳强度及疲劳寿命为判据，其中的核心技术之一是精密 超精密加工工艺，可提高表面质量、改善表面应力状态， 从而提高零件的疲劳寿命，这不仅要求具有超精密加工设 备及工艺，而且还需研制材料及零部件的疲劳寿命精密测 试设备。（见图1-2）
1.2 精密超精密加工技术的作用
超精密加工技术的发展对飞机、导弹等惯性器件的发展做 出了突出贡献。美国1962年就研制成功了激光陀螺，但因未 突破硬脆材料的陀螺腔体和反射镜的超精密加工技术，使激光 陀螺在飞机上的应用整整延迟了20年，超精密车削、磨削、研 磨以及离子束抛光等工艺的相继突破才使激光陀螺投入了批量 生产，并将陀螺性能指标提高了2个数量级。半球谐振陀螺仪 中半球谐振子采用超精密振动切削工艺达到了精度和性能指标。 激光加工和离子刻蚀等超精密加工技术是制造硅微型惯性传感 器的重要工艺，这将对飞机和导弹惯性系统的小型化起重要作 用。采用超精密铣削工艺及超精密研抛工艺提高了惯性传感器 中挠性件的精度和尺寸稳定性。此外，飞控系统中的液压零件 采用超精密磨削及研磨抛光、超精密清洗工艺，对提高飞机的 可靠性、可维修性和寿命起到了至关重要的作用。
1.2 精密超精密加工技术的作用
发动机喷嘴零件（如旋流槽、微小孔等特征）的精密 加工与检测技术、发动机叶片型面及进排气边的精密加工 与检测技术、整体叶盘的精密加工与检测技术等发展为航 空发动机零部件的加工与检测提供了可靠保证，促进了航 空发动机性能的提升。图1-3为发动机零部件专用五轴非 接触扫描精密测量机。
但是到了近代才出现了真正意义上的精密加工，最典 型的例子就是精密镗床的发明。1769 年瓦特取得实用蒸 汽机专利后，汽缸加工精度的高低就成了蒸汽机能否提高 效率并得到实际应用的关键问题。1774 年英国人威尔金 森发明了炮筒镗床，可用于加工瓦特蒸汽机的汽缸体。 1776 年他又制造了一台更为精确的汽缸镗床，加工直径 为 75inch（1inch=2.54cm ）的汽缸，误差还不到一个 硬币的厚度。加工精度的提高促使了蒸汽机的大规模应用， 从而推动了第一次工业革命的发展。
1.2 精密超精密加工技术的作用
美国航空航天局（NASA）为了验证爱因斯坦 广义相对论的上述2 项预言从 1963 年开始计划， 但直到2004 年才发射了一个利用高精度陀螺仪的 测量装置——引力探测器，用于检测地球重力对周 围时空影响。其中陀螺仪的核心部件——石英转子 （φ38.1mm ）的真球度达到了7.6nm ，若将该 转子放大到地球的尺寸，要求地球表面波峰波谷误 差仅为2.4m ，如此高的加工精度可以说将超精密 加工技术发挥到了极限，最终陀螺精度达到了 0.001 角秒/年。
1.3 精密和超精密加工技术发展趋势
一、超精密加工技术基础理论和实验还需进一步发展
所谓超精密加工技术基础理论，是指在了解并掌握超精密 加工过程的基本规律和现象的描述后才能驾驭这一过程，取得 预期结果。例如上世纪 90 年代初，日本学者用金刚石车刀在 LLNL的DTM3上加工出最薄的连续切屑的照片，当时认为达到 了1nm的切削厚度，已成为世界最高水平，并至今无人突破 （见图1-4）。那么超精密切削极限尺度是多少、材料此时是 如何去除的，此外超精密加工工艺系统在力、热、电、磁、气 等多物理量/场复杂耦合下的作用机理是什么、此时系统的动态 特性、动态精度及稳定性如何保证等都需要得到新理论的支持。
1.2 精密超精密加工技术的作用
20世纪80年代以前，太赫兹（THz）波段（介于微波与 红外之间）的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹 产生源和灵敏探测器的限制。随着80年代一系列新技术、新材 料、新工艺的发展，使得太赫兹技术得以迅速发展。近年来由 于太赫兹的独特性能将给宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武 器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深 远的影响，太赫兹基础及应用基础技术已经逐渐成为研究热点。
1.2 精密超精密加工技术的作用
三、精密和超精密加工技术是现代高技术战争的重 要技术支撑
超精密加工技术对国防武器装备的发展具有重大影响， 掌握超精密加工技术并具备相应的生产能力是国防工业涉 入现代国防科技和武器装备尖端技术领域的必要手段，20 世纪90年代初，美国就将其列为 21项美国国防关键技术 之一。
图1-3 发动机零部件专用五轴非接触扫描精密测量机
四、精密和超精密加工技术是衡量一个国家制造水平 高低的重要标准
超精密加工及纳米制造技术体现了一个国家制造业的综合 实力。纳米机械加工由于具有效率高、可靠性好、成本低等特 点，被认为是最有发展潜力的纳米精度制造方法之一，但由于 材料去除是在纳米尺度，传统的加工理论不再完全适用，发展 受到了一定的限制。近年来我国科技工作者经过不断努力已经 在该领域取得了长足的进步。2013 年，世界制造领域的最高 学术组织—国际生产工程科学院（CIRP）公布了于2012 年 8 月开展的历时一年的国际精密制造技术对比结果，其微工程工 作委员会对通过初选的世界各地 11个研究小组提出了具体的对 比样件及指标，各研究小组完成指定的样件加工后隐去样件来 源信息，由德国物理技术研究院进行测量和评估，主要内容包 括加工精度、表面质量、微小尺度、复杂形状等，最终仅有 2 个研究小组加工试件满足全部 5 项评价指标，我国天津大学的 纳米制造技术研究小组是其中之一，这在一定程度上也反映了 我国近年来在这方面的进步。