第四章4 新一代制造技术-精密与超精密加工技术.ppt

主要内容 精密与超精密加工概念 精密、超精密加工设备 加工工具和被加工材料 主要加工方法 精密、超精密加工环境 超精密加工发展趋势 1. 概念 按加工精度，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工。 精密加工：加工精度（包括尺寸精度和形位精度）在0.1～1μm，表面粗糙度Ra小于0.1μm的加工技术； 超精密加工：加工精度小于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。 超精密加工是以高精度为目标的技术，必须综合应用各种新技术、且在各方面要求精益求精。实现超精加工的主要条件包括以下各方面高新技术： （1）超精密加工机床与装、夹具； （2）超精密切削刀具、刀具材料、刀具刃磨技术； （3）超精密加工工艺； （4）超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等） （5）超精密加工的测控技术。 2. 超精密加工的发展、应用 超精密加工技术是在20世纪50年代初美国用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。 1977年日本精机学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的要求，对机床的加工精度标准提出补充IT－1和IT－2两个等级（见下表），比原来最高精度等级IT－0提高了很多。 近年来，超精密加工精度从0.1μm提高到0.01μm。随着大规模集成电路的发展及微机械的要求，人们期望达到甚至突破0.01μm的加工精度，使超精密加工技术从亚微米级向纳米级发展。 1980年，美国国防部空军兵器研究所和LLNL实验室提出了POMA精度提高计划：将直径800mm的大型非球面反射镜的形状精度由1.5μm提高到0.1μm数量级以上。 当前已经有了纳米级加工记录，但还只是一种实验阶段的实验数据，用机械去除法加工还不能超越0.01μm的界限。 近年来，超精密加工技术的应用呈每年翻一番的增长率，这标志着精密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体。图1为精密与超精密加工的应用。 3. 超精密加工方法机理 根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。 4 精密、超精密加工设备 加工机床是实现精密、超精密加工的首要条件。要实现超微量切削，必须配有微量移动工作台的微进给驱动装置和满足刀具角度微调的微量进给机构，并能实现数字控制。 （1）主轴及其驱动装置：主轴是超精密机床的圆度基准，要求极高的回转精度，范围为0.02～0.1μm；还要有相应的刚度以抵抗受力变形。主轴广泛采用空气静压轴承，主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动的系统。 （2）导轨及其驱动装置：导轨是超精密机床的直线性基准，精度要求达到0.02～0.2μm。有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨、空气静压导轨，用的最多的是液体静压导轨、空气静压导轨。利用静压支撑的摩擦驱动。 （3）微量进给装置：用于刀具微量调整，保证零件尺寸精度。有机械式、弹性变形式、热变形式、电致伸缩式、微致伸缩、流体膜变形微量进给装置。 5 加工工具和被加工材料 加工工具主要是刀具、磨具及其刃磨、修整装置： （1）切削加工： 刀具材料：金刚石、立方氮化硼、陶瓷等 （2）磨削加工： 主要磨具：金刚石、立方氮化硼（CBN）等粉末砂轮 其修整比较困难 （3）研磨和抛光： 为获得高精度和低表面粗糙度，采用铸铁、聚酯、呢毡等材料作为研具或抛光器，采用金刚石、CBN、铬刚玉、氧化铝等磨料。 被加工材料 工件材料的化学成分、物理性能、熔炼、塑性加工、热处理等工艺都有严格要求； 金属材料各金属元素必须混合均匀，通过正确的热处理控制晶粒细化； 材料必须无气泡，加工后残余应力小，能长期保持尺寸精度稳定性。 6. 超精密加工的主要加工方法 要求如下： （1）高精度：包括高的静精度和动精度，主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。 （2）高刚度：包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，同时应考虑工件、车床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。 （3）高稳定性：机床在使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作，应具有良好的耐磨性、抗振性等。 （4）高自动化：为保证加工质量，减小人为因素影响，加工设备多用数控系统实现自动化。 超精密切削 主要借助于锋利的金刚石刀具对工件进行车削和铣削，用于加工要求高表面质量和高形状精度的有色金属和非金属零件。 超精密车削可达Ra0.05μm粗糙度和0.1μm非球面形状精度。 镜面加工大直径光学镜头； 双立柱立式车床结构； 六角刀盘驱动； 分辨力：0.7nm； 定位误差：0.0025μm; 低热膨胀材料组合技术，恒温液体冷却，液体温度控制在20±0.0005℃ 美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究，下图