《精密加工技术》研究型课程精密和超精密加工概述精密切削精密磨削和超精密磨削精密和超精密加工的机床设备精密加工的测量技术在线检测与误差补偿技术精密和超精密加工的外部支撑环境精密研磨与抛光微细加工技术/纳米加工技术思考&讨论结合课程学习、认识实习、生产实习，谈谈精密与超精密加工技术是一门什么样的技术？一、精密加工技术的内涵(1)加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺一般加工：精度值1-10μm左右，Ra0.1～0.8μm精密加工：精度值0.1-1μm左右，Ra0.1μm以下超精密加工：精度值0.1μm以下，Ra0.02μm以下纳米加工：精度值低于0.001μm，Ra小于0.005μm微细加工：微小尺寸、微小去除量的精密加工不同时期，“精密”有不同的界定对于不同的零件，用不同的指标描述“精密”一、精密加工技术的内涵(1)加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺零件表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μm0.01～0.05μm多面镜平面度误差0.04μm＜0.02μm磁头平面度误差0.04μm＜0.02μm磁盘波度0.01～0.02μm＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μm＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μm＜0.002μm天体望远镜形状误差＜0.03μm＜0.01μm典型精密零件的加工精度一、精密加工技术的内涵(2)目前标志性的精密加工技术加工精度0.01μm的圆度加工技术0.01μm级的加工尺寸精度技术0.01～0.001μm级的精密位移技术0.01μm级的主轴回转精度技术0.1μm/1m的直线μm级的切削加工技术一、精密加工技术的内涵(3)一个国家制造业水平重要标志美国哈勃望远镜形状精度0.01μm超大规模集成电路最小线μm日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm先进制造技术基础和关键飞机发动转子叶片加工误差从60μm降至12μm表面粗糙度由0.5μm减小到0.2μm发电机压缩效率从89%提高到94%齿形误差从3-4μm减小1μm半岛彩票，单位重量齿轮箱扭矩可提高1倍一、精密加工技术的内涵(3)一个国家制造业水平重要标志一、精密加工技术的内涵(3)一个国家制造业水平重要标志一、精密加工技术的内涵(4)适应现代高技术需要的一项先进制造技术综合应用了机械技术、现代电子、传感技术、光学和计算机等高新技术的最新成果高科技领域的基础技术，在国防科技现代化和国民经济建设中发挥着至关重要的作用作为现代高科技的基础和重要组成部分，半岛彩票推动半导体技术、光电技术、材料科学等多门技术的发展已成为国防工业研制现代化武器装备的关键技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志一、精密加工技术的内涵(5)直接式进化加工利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件适用于单件、小批生产间接式进化加工借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件适用于批量生产二、通过高科技战争审视精密加工技术(1)世界各国普遍认可高科技对战争进程和结果的影响20世纪90年代以来的几次局部战争第一次海湾战争(1992年)科索沃战争(1996年)阿富汗战争(1999年)第二次海湾战争(2003年)二、通过高科技战争审视精密加工技术(1)第一次海湾战争二、通过高科技战争审视精密加工技术(1)科索沃战争二、通过高科技战争审视精密加工技术(1)二、通过高科技战争审视精密加工技术(2)高技术、智能化武器具有高能效、高精度的特点武器装备的高精度要求其零部件的高精度，只有高精度的制造技术才能满足设计要求美国大力发展包括超精密加工技术在内的先进制造技术，突破了关键技术，具备生产精确制导、夜视设备等高技术武器的能力二、通过高科技战争审视精密加工技术(3)精确制导武器在高科技战争中的应用比例第一次海湾战争：6.8％科索沃战争：34％阿富汗战争：66％第二次海湾战争：接近100％精确制导武器的制导方式惯性制导(INS)激光制导数字景像匹配末端制导全球卫星定位系统(GPS)制导精确制导武器中的超精密加工技术激光制导的激光元件（激光反射镜、激光陀螺腔体、非球面透镜）要求非常高的精度和表面质量激光反射镜用的高精度高反射率平面、数字景像匹配末端制导用的高表面质量平面，只能通过超精密研磨进行高质量、批量生产非球面反射镜和透镜主要应用CNC超精密车削、磨削、抛光加工机载雷达用微波器件波导管的品质因素与其表面粗糙度、精度密切相关，超精密车削技术精确制导武器中的超精密加工技术激光反射镜夜视设备中的超精密加工技术夜战是未来战争空袭的主要手段，可以使许多不受电子干扰而使用光学瞄准系统的常规武器失效夜战利用前视红外探测器、激光测距器、微光夜视、光栅电视等识别地面目标，红外成像是关键技术碲镉汞晶体要求很高的表面质量(低粗糙度、无划痕、无变质层)，需要应用超精密研磨(如非接触研磨、机械化学研磨)加工夜视设备用非球面曲面光学元部件，超精密车削、磨削、抛光加工夜视设备中的超精密加工技术红外成像元件电子对抗中的超精密加工技术电子干扰和反辐射导弹可用于压制敌方的通讯与雷达，使敌方失去指挥、预警等能力利用砷化镓半导体制成的大规模集成电路，具有速度快、工作可靠、抗辐射能力强等特点砷化镓半导体器件的制造需要整套超精密磨削、研磨、抛光工艺、刻划等外延设备电子对抗中的超精密加工技术大规模集成电路军用卫星系统的超精密加工技术现代战争已经不能离开各种卫星，如侦查用间谍卫星、GPS用的卫星网各类卫星装备先进的光学望远系统、高分辨率电视摄像系统、高灵敏度红外成像系统卫星的姿态控制，必须有超精密的真空无润滑轴承，其孔轴几何精度为毫微米级，表面粗糙度为纳米级，必须用超精密磨削与研磨才能加工高精度非球面透镜、高分辨率电视的光栅、红外成像的碲镉汞半导体元件等都必须用超精密加工技术才能加工军用卫星系统的超精密加工技术卫星用无润滑轴承三、精密加工技术的发展阶段(1)阶段I：技术开创期（20世纪50年代至80年代）50年代末，面向航天、国防等尖端技术美国开发了单点金刚石切削(Singlepointdiamondturning，SPDT)技术，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹、载人飞船用球面、非球面大型零件超精密金刚石车床的应用限于少数大公司，以国防用途或科学研究用途的产品为主金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件局限于轴对称形状的工件三、精密加工技术的发展阶段(2)阶段II：工业应用初期（80年代至90年代）民用公司开始超精密加工设备的商品化，设备开始面向一般民用工业光学组件商品的制造使用高刚性机构，以极小切深对脆性材料进行延性研磨，半岛彩票可使硬质金属和脆性材料获得纳米级表面粗糙度美国LLL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床(Large optics diamond turning machine， LODTM)成为超精密加工史上的经典之作 最大加工直径1.625m，定位精度28 nm，可实现长 度超过1m、直线nm的加工 美国通过对超精密金刚石切削机床的开发，实现了大 型零件的微英寸超精密加工 三、精密加工技术的发展阶段(2) 阶段II：工业应用初期（80年代至90年代） 三、精密加工技术的发展阶段(2) 阶段II：工业应用初期（80年代至90年代） 三、精密加工技术的发展阶段(3) 阶段III：工业应用成熟期（20世纪90年代至今） 工业界的应用包括：非球面光学镜片、Fresnel镜片 、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板加工、半 导体晶片 超精密加工设备的相关技术逐渐成熟：控制器、激光 干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴 承导轨、摩擦驱动进给轴 设备精度逐渐接近纳米级水平，加工行程更大，加工 应用不断扩展 除金刚石车床和超精密研磨外，出现超精密五轴铣削 和飞切技术，可以加工非轴对称非球面的光学镜片 三、精密加工技术的发展阶段(3) 阶段III：工业应用成熟期（20世纪90年代至今） 欧美侧重于：大型紫外线、X射线探测望远镜的大口 径反射镜的超精密加工 美国太空署(NASA)推动的太空开发计划，以制作1 m以上反射镜为目标，目的是探测X射线nm 由于X射线能量密度高，必须使反射镜表面粗糙度达 到埃级来提高反射率 反射镜材料为碳化硅精密加工，质量轻且热传导性良好，但硬 度很高，须使用超精密研磨加工等方法 三、精密加工技术的发展阶段(3) 阶段III：工业应用成熟期（20世纪90年代至今） 日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括 办公自动化设备、视像设备半岛彩票、精密测量仪器、医疗器 械和人造器官 日本超精密加工最初从铝、铜轮毂的金刚石切削开始 ，而后集中于计算机硬盘磁片的大批量生产，随后是 用于激光打印机等设备的多面镜的快速金刚石切削， 之后是非球面透镜等光学元件的超精密切削 三、精密加工技术的发展阶段(4) 精密加工与超精密加工的发展 普通加工 精密加工 超精密加工 超高精密磨床 超精密研磨机 离子束加工 分子对位加工 车床,铣床 卡尺 加工设备 测量仪器 精密车床 磨床 百分尺 比较仪 坐标镗床 坐标磨床 气动测微仪 光学比较仪 金刚石车床 精密磨床 光学磁尺 电子比较仪 超精密磨床 精密研磨机 激光测长仪 圆度仪轮廓仪 激光高精度 扫描电镜电子线 2000 年份 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品高质量的追求 为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，就必须 获得粗糙度更低的表面 下一代计算机硬盘的磁头要求表面粗糙度Ra0.2 nm，磁盘要求表面划痕深度hl nm，表面粗糙度 Ra0.1nm 为使电子元件的功能正常发挥，要求加工后的表面不 能残留加工变质层 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品高质量的追求 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品小型化的追求 电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高 电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度 零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加 ，工件的表面质量及其完整性越来越重要 四、半岛彩票牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品小型化的追求 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品高可靠性的追求 电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高 电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度 零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加 ，工件的表面质量及其完整性越来越重要 对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低 表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定 性、延长使用寿命 高速高精密轴承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度 要求达到数纳米 加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，从提高零件 耐腐蚀能力的角度出发，要求变质层尽量小 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品高性能的追求 电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高 电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度 机构运动精度的提高，有利于减缓力学性能的波动、 降低振动和噪声 对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度 可减少泄露而降低损失 航空航天工业要求部分零件在高温环境下工作，因而 采用钛合金、陶瓷等难加工材料，为超精密加工提出 了新的课题 四、牵引精密加工技术发展的主要因素 对产品高性能的追求 思考&讨论 超精密加工技术与传统加工技术的主要区别和继承 关系 应用对象 精度水平 工艺方法 支撑技术

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