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精密超精密加工技术的发展及应用

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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。

箱晶 轿位

J

J ] 1 1 1

l(T* 10° 101 102 1G3 Iff4

加工肌位A/pm 图1不同加工单位的变形破损

超精密加工技术的发展经历如下三个阶段：

1） 20世纪50年代至80年代，美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的 超精密加工技术，用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球 面大型零件的加工。

2） 20世纪80年代至90年代，进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、

普瑞泰克公司，日本的东芝和日立，以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持 下，将超精密加工设备的商品化，开始用于民用精密光学镜头的制造。 单超精密 加工设备依然稀少而昂贵，主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加 工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床，但其加工效率无法和金 刚石车床相比。

3） 20世纪90年代后，民用超精密加工技术逐渐成熟。在汽车、能源、医 疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下，超精密加工技术广泛应用于非球面 光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。 随着超精密加工设备的相关技术，例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微 量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟，超精密加工设 备成为工业界常见的生产设备。此外，设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工 工件的尺寸范围也变得更大，应用越来越广泛。随着数控技术的发展，还出现了 超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。

目前，超精密机床以及超精密切削、超精密磨削和精密抛光等技术已日趋完

善。

1）超精密机床。超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件

型号（生产厂家） M-18AG

（莫尔特殊机床，美国） Ultraprecision CNC machine

（东芝,日本） Ultraprecision Lathe

（IPT，德国）

1

主

轴 径向跳动（口） <0.075 <0.05（500r/min） <0.048

轴向跳动（口） <0.05 <0.05（500r/min） -

径向刚度（N/呵） - 100 -

轴向刚度（N/呵） - 200 -

导

轨 Z向（主轴）直线度 < 0.5 卩 m/230mm - 0.044 ；m/80mm

X向（刀架）直线度 < 0.5 卩 m/410mm - 0.044 ；m/80mm

X、Z向垂直度（"） 1 - -

重复定位精度（E） 1（全程）

0.5（25.4mm） - -

加

工

工

件

精

度 形面精度（E） 平面度：0.3 v 0.1（P-V 值） 0.1

表面粗糙度（E） 0.0075（P-V 值） Ra0.002 0.002 〜0.005RMS

位置反馈系统分辨率

（m） 25 2.5 10

温控精度「C ） ±）.006 ±）.1 -

隔振系统固有频率（Hz） 2 - - 加工范围(mm) 356 650X250 -

图2国外典型的超精密机床性能指标

目前国际上主要生产超精密机床的厂家主要有： 美国摩尔公司、普瑞泰克公

司、泰勒霍普森公司，这几家公司占据了绝大部分的市场份额。日本的东芝机械、 不二越公司、丰田工机、发那科公司等。德国先代士劳尔公司、奥普特公司是生 产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家。

目前美国超精密机床的水平最高，不仅有不少工厂生产中小型超精密机床， 而且由于国防和尖端技术的需要， 研发了大型超精密机床， 其代表是LL国家

实验室于1983〜1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超精密车床， 这两台机床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床。

英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一。 英国克兰菲尔德公司以其 精加工技术闻名于世，曾生产 HATC 300等超精密车床。1991年克兰菲尔德公］ 司研制成功用于加工X射线天体望远镜用反光镜的2.5 mix 2.5 m大型超精密机 床，可用于精密磨削和坐标测量。这是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构。

2)超精密切削技术。采用微量切削可以获得光滑而加工变质层较少的表面。 最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径， 切削刃钝圆半径越小，贝U最

小切削厚度越小。因此，具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造 是实现超精密切削的关键技术之一。超精密切削用刀具材料目前均采用天然单晶 金刚石。国外金刚石刀具制造厂商主要有英国的康图公司、 日本的大阪钻石工业

株式会社。目前国外高精度圆弧刃金刚石刀具的刃磨水平最高已达到数纳米。

德国夫琅和费生产技术学院用微小单晶金刚石刀具加工出表面特征结构尺 寸小于100卩山的金字塔微棱镜阵列和壁厚1.5卩m高200卩m的微薄壁结构, 采用快速伺服刀架还加工出具有微反光面阵列的集成镜片 ⑷(图3)。

图3具有微反光面阵列的集成镜片

3)超精密磨削技术。随着科学技术的不断发展，在机械、电子、通信、空 间、光学等尖端技术和国防工业领域中， 硬脆材料高精度，高表面质量的零件获

得了广泛的应用，如单晶硅片、工程陶瓷、光学玻璃、光学晶体、蓝宝石基片等， 超精密磨削技术就是为适应这些材料的高精度高表面质量的加工需要而发展起 来的，硬脆材料超精密磨削可获得高度的镜面，具有很大的发展潜力。

在线电解修整(Electrolytic in-process dressing, ELID)磨削技术是日本 物理化学研究所OHMOR等于1987年提出的磨削新工艺，它利用在线的电解作 用对金属基砂轮进行修整，使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工， 从而

达到超精密镜面磨削。ELID磨削工艺很好地解决了金属砂轮的钝化和修整难题， 保持了砂轮的锋利性。

2.2国内发展

我国1965年研制出镜面外圆磨床，加工圆度优于 0.3卩m表面粗糙度 RaO.01卩m以下。1968年研制成功单晶金刚石镜面车床，可使黄铜件的表面粗 糙度达Ra0.025卩m以下。20世纪70年代后期制成了高精度磁盘车床，主轴 回转精度值优于0.2卩m在20世纪90年代后期多家单位相继研制成功了非 球面超精密加工设备，这标志了我国超精密加工设备的水平上到了一个新的台 阶。

哈尔滨工业大学是国内最早从事超精密加工技术研究的单位之一， 于1996

年研制出了亚微米级的超精密机床， 并在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损 破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作， 2006

年研制成的大平面超精密铣床，已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体 的超精密加工。长春光机所的二元光学元件激光直接写入设备可实现极坐标和直 角坐标写入,写入最大口径！400mm,位移灵敏度0.03卩m回转速度60〜 600r/min ,回转轴系径向跳动0.023卩m［5］。国防科技大学研制的非球面加工机床 可加工最大口径650mm的光学玻璃，其加工零件表面粗糙度为 2〜5门卅。

我国超精密机床虽然近几年有了很大发展，但和发达国家相比还有很大差 距，主要表现在超精密非球面车床还不能生产； 机床的精度一般比国外要低一个

等级；机床精度的保持时间大大低于国外；精密空气主轴、微位移机构、精密CNC 伺服系统，机床热变形和精密恒温控制、结构稳定性和防振隔振技术都亟待深入 研究，因此对精度要求高的精密和超精密机床，还不得不从国外进口。

3、精密超精密加工技术的应用

现代机械加工总体朝着高精度、高效率和专用的方向发展，高精度是以不断提 高产品制造精度和降低表面粗糙度为目标。

3.1超精密加工在微光学元件中的应用

微光学是一门属于多门前沿学科交叉领域的新兴科学 ［7］。微光学元件（MOC， 指面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学 元件。自由光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面、 渐开面等），和

没有任何对称轴的非回转非球面。微结构是指具有特定功能的微小表面拓扑形 状，如凹槽、微透镜阵列等，如图4所示的微金字塔结构表面。这些结构决定］ 了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量， 缩小体积。

图4微金字塔结构

由于受应用需求的驱动，对微光学元件加工技术的研究也在不断深入， 出现 了多种现代加工技术，如电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、 LIGA技术，复制技术和镀膜技术等。另一种方法就是超精密机械加工方法，超 精密机械加

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我对精密超精密加工技术的认识

我对精密超精密加工技术的认识

我对精密超精密加工技术的认识

目前，精密、超精密技术在我国的应用已不再局限于国防尖端和航空航天等少数部门，它已扩展到了国民经济的许多领域，应用规模也有较大增长。计算机、现代通信、影视传播等行业，现都需要精密、超精密加工设备，作为其迅速发展的支撑条件。计算机磁盘、录像机磁头、激光打印机的多面棱镜、复印机的感光筒等零部件的精密、超精密加工，采用的都是高效的大批量自动化生产方式。

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。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。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。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。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。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。

精密加工的发展史及趋势

精密加工的发展史及趋势

1 精密加工的发展史及趋势

往往大家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。

超精密加工的关键在于设备，这一点无可质疑，但由于超精密加工设备非常昂贵，因此用户购买时会面临很大的风险，因此，用户往往对它的要求也很高，希望它有更多的功能，能做更多的模具，这反过来也会促使它的价格更加昂贵。因此，我们在开发设备的初期，就采取了与其他厂家不同的思考方式，我们考虑的是如何尽量降低设备的成本，使超精密加工技术能容易地被用户接受并且普及开来，从使用的角度去开发更好用、更廉价的超精密设备。

目前，超精密加工设备主要用来加工一些超精密的光学零部件，例如光学镜头，各种非球面镜和球面镜（数码相机，手机中常常用到）等。根据加工对象的需要，将机床做得更小，以提高加工精度，是我们开发超精密加工设备的理念。

--FTC社长中川威雄先生

一、精密加工的发展史及趋势的机理

1、砂带研磨

砂带研磨是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具削加工的范畴，有生产率高、表面质量好，使用范围广等特点。国外在砂带材料及制作工艺上取得了很大的成就，有了适应于不同场合的砂带系列，生产出通用和专用的砂带磨床，而且自动化程度不断 2 提高（己有全自动和自适应控制的砂带磨床），但国内砂带品种少，质量也有待提高，对机床还处于改造阶段。

砂带研磨的特点及应用如以下：

①、CBN的硬度比普通磨料高很多。特别是适合加工硬度高，韧性大，高温，强度高，热导性率低的材料，其金属磨除率也是金刚石的10倍。

精密和超精密加工现状与发展趋势

精密和超精密加工现状与发展趋势

精密和超精密加工现状与发展趋势

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1~0.1µ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01µ;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Ra0.4~0.1µ;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。

金刚石线切割的原理、特点及其在精密超精密加工领域的应用

金刚石线切割的原理、特点及其在精密超精密加工领域的应用

1 金刚石线切割

20世纪90年代，国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成片。早期的线锯加工技术是采用裸露的金属线和游离的磨料，在加工过程中，将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用[1]。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间，以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工，人们将金刚石磨料以一定的方式固定到金属线上，从而产生了固定金刚石线锯。

3.1金刚石线切割的原理

图3.1金刚石线切割原理图

如图3.1高速往复运动的切割线带动砂浆到切割区，使砂浆中的研磨颗粒(SiC颗粒)与硅棒表面高速磨削，由于研磨颗粒有非常锐利的棱角，并且硬度远大于硅棒的硬度，所以硅棒与线锯接触的区域逐渐被砂浆磨削掉，进而达到切割的效果，同时砂浆也可以带走磨削中产生的大量热[2]。

在对金刚石线锯切割机理的认识过程中，许多研究者认为，金刚石磨粒的微观切削运动是一个滚动、嵌入过程，提出了“滚动 -嵌入”模型。Li 等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用， 发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，据此对磨料的选择进行优化。Kao 等人指出在 “滚动 - 嵌入” 模型中，磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦， 三者共同形成切削作用。Bhagavat等人则在这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境，用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数， 还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削[3]。

3.2 金刚石线切割的导线轮 根据切割材料直径不同和设备制造厂家的技术考虑导线轮有2轮、3轮、4轮不等，安装方法有2轮平行、等边三角形或梯形，如图3.2所示。