半岛彩票半岛彩票半岛彩票半岛彩票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半岛彩票， 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 1 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。 ②、 CBN磨具的磨削性能十分优异，不仅能够胜任难磨材料的加 工，提高生产效率，而且有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还 能有效提高磨削质量， 显著提高磨削后工具的表面完整性， 因而提高 了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性。 ③、 CBN磨具磨损少，使用周期长，磨削比较高，使用合理可获 得良好的经济效果。 ④、 CBN磨具使用时，形状和尺寸变化极为缓慢，更适用于 CBN 数控加工中心高精度零件。 ⑤、能长时间保持锋利的切削力，故磨削力较小，有利于零件的 精度和光洁度的提高，还可以减少机床的动力消耗。 ⑥、磨削温度较低，可以大大提高工件的表面质量，避免零件出 现裂纹、烧伤、组织变化等弊病，改善加工表面应力状况，有利于零 件使用寿命的延长。 ⑦、普通磨料砂带在人工使用过程中产生大量粉尘， 对人体健康 有害，长期使用会引发矽肺病。 2、精密切削 也称金刚石刀具切削（ SPDT），是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 一般加工精密要高 12 个等级。例如用精密车削加工的液压马达转 子柱塞孔圆柱度为 0.5 ～1 μm，红外反光镜的表面粗糙度 Ra0.01～ 0.02 μm，还具有较好的光学性质 [1] 。从成本上看，用精密切削加工 的光学反射镜， 与过去用镀铬经磨削加工的产品相比， 成本大约是后 者的一半或几分之一。 但许多因素对精密切削的效果有影响， 所以要 2 达到预期的效果很不容易。 同时，金刚石刀具切削较硬的材料时磨损 较快，如切削黑色时磨损速度比切削铜 104 倍，而且加工出的工件的 表面粗糙度和几何形状精度均不理想。 3、超精密磨削 用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工， 金属的 去除量可在亚微米级甚至更小， 可以达到很高的尺寸精度、 形位精度 和很低的表面粗糙度值。尺寸精度 0.1 —0.3 μm,表面粗糙度 Ra0.2— 0.05 μm,效率高，应用范围广泛，从软金属到淬火钢、不锈钢、高速 钢等难切削材料，及半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，几乎所 有的材料都可以利用磨削进行加工。 但磨削加工后， 被加工的表面在 磨削力及磨削热的作用下金相组织要发生变化， 易产生加工硬化、 淬 火硬化、热应力层、残余应力层和磨削裂纹等缺陷，需要合理管控。 超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。 超精密磨 削不仅要提供镜面级的表面粗糙度， 还要保证获得精确的几何形状和 尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以 及高阻尼特征的基准部件， 消除各种动态误差的影响， 并采取高精度 检测手段和补偿手段。 目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、 陶瓷等硬脆材料， 磨削 加工的目标是范成 3—5nm 的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需 抛光即可达到要求的表面粗糙度。 作为纳米级磨削加工， 要求机床具 有 高 精 度 及 高 刚 度 ， 脆 性 材 料 可 进 行 可 延 性 磨 削 (Ductile Grinding) 。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳 强度材料 ( 如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料 ) 的加工，是重要而 有效的加工技术。 此外，砂轮的修整技术也相当关键。 尽管磨削比研磨更能有效地 去除物质， 但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面， 主要是由于砂轮粒 度太细时， 砂轮表面容易被切屑堵塞。 日本理化学研究所学者大森整 博士发明的电解在线修整 (ELID) 铸铁纤维结合剂 (CIFB) 砂轮技术可 以很好地解决这个问题。 当前的超精密磨削技术能加工出 0．0 1 μm 圆度， O ． 1 μm尺 3 寸精度和 Ra0．005 μm粗糙度的圆柱形零件， 平面超精密磨削能加工 出 0．03 μm／100mm的平面。 4、珩磨 珩磨是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，加工后表面粗糙度可达 Ra0.4—0.1 μm，最好可到 Ra0.025 μm， 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。 珩磨是磨削加工的特殊形式， 它的实质是低速磨削， 也是一种高 效率的光整加工方法。 珩磨头外周镶有 1～18 根长度约为孔长 1/3 ～ 3/4 的珩磨条，在珩孔时既旋转运动又往返运动，同时通过珩磨头中 的弹簧或液压控制而均匀外涨， 所以与孔表面的接触面积较大， 加工 效率较高。它具有以下加工特点： （1）珩磨的表面质量好，珩磨后表面粗糙度可达 Ra0.8—0.2 （2）交叉网纹有利于贮油润滑，实现平顶珩磨，去除网纹的顶 尖，可获得较好的相对运动摩擦，获得较理想的表面质量。 （3）加工精度高，圆度、圆柱度可达 0.5 μm；轴线、精密研磨 精密研磨是与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液， 工件 及研具作相互机械磨擦， 使工件达到要求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≤0.025 μm,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。但精密研磨的效率低，如干研速度 一般为 1030m/min ，湿研速度为 20120 m/min 。对加工环境要 求严格，防止有大磨料或异物混入时， 将使表面产生很难去除的划伤。 6、抛光 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 4 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。 ①、手工或机械抛光是用涂有磨膏的抛光器，在一定的压力下， 与工件表面做相对运动， 以实现对工件表面的光整加工。 加工后工件 表面粗糙度 Ra≤0.05 μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛 光加工。手工抛光的加工效果与操作者的熟练程度有关。 ②、超声波抛光是利用工具端面做超声振动， 通过磨料悬浮液对 硬脆材料进行光整加工，加工精度 0.01~0.02 μm，表面粗糙度 Ra0.1 μm。超声抛光 设备简单， 操作、维修方便精密加工，工具可用较软的材 料制作，而且不需作复杂的运动， 主要用来加工硬脆材料， 如不导电 的非金属材料，当加工导电的硬质金属材料时，生产率较低。 ③、化学抛光是通过硝酸和磷酸等氧化剂， 在一定的条件下， 使 被加工的金属表面氧化， 使表面平整化和光泽化。 化学抛光设备简单， 可以加工各种形状的工件，效率较高，加工的表面粗糙度一般为 Ra ≤0.2 μm，但腐蚀液对人体和设备有损伤，污染环境，需妥善处理。 主要用来对不锈钢、铜、铝及其合金的光亮修饰加工。 ④、电化学抛光是利用电化学反应去除切削加工所残留的微观不 平度， 以提高零件表面光亮度的方法。 它比机械抛光具有较高的生产 率 和 小 的 表 面 粗 糙 度 ： 一 般 可 达 Ra0.2 μm， 若 原 始 表 面 为 Ra0.4~0.2 μm，则 抛光后可提高到 Ra0.1~0.08 μm，加工后工件具有 较好的物理机械性能， 使用寿命长， 但电化学抛光只能加工导电的材 料。 随着电化学加工技术的发展，还产生了多种新型的复合加工方 法，例如超精密电解磨削、 电化学机械复合光整加工、电化学超精加 工等。其主要以降低工件表面粗糙度值为目的，加工去除量一般在 0.01~0.1mm，对于表面粗糙度达到 Ra0.8~1.6 μm的外圆，平面、内孔 及自由曲面均可一道工序加工到镜面，表面粗糙度 Ra0.05 μm，甚至 更低。 电化学机械加工属于一种加工单位极小的精密加工方法， 从原 理上讲加工精度可以达到原子级， 具有大的潜力， 但由于左右其加工 精度的因素目前还不是很清楚， 所以在实际应用中， 其加工表现出一 定的不稳定性，这在很大程度上限制了它在工业生产中的应用。 5 二、 精密加工技术的发展现状 精密铸造成形、 精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在 工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。 70 年代美 国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工 艺实现现代化，更多地使用 CAD／CAM，使新锻件的制造周期减少 75%。 1992 年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等 压成型工艺、 数控计算机控制旋压、 塑变和剪切成形机械、 超塑成型、 扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。 国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的 “大型模锻件 的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂 结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进 材料 ( 如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等 ) 成形工艺”等。我国的 超塑成形技术在航天航空及机械行业也有应用， 如航天工业中的卫星 部件、导弹和火箭气瓶等， 采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回 收舱。与此同时，还基本上掌握了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工 艺，最小成形厚度可达 0．3mm，形状也较复杂。 此外， 国外已广泛应用精密模压成形技术制造武器。 常用的精密 模压成形技术， 如闭塞式锻造、 采用分流原理的精密成形及等温成形 等国外已用于军工生产。目前，精密模压技术在我国应用还较少，精 度也较差，国外精度为± 0.05 —0.10mm，我国为± 0.1 —0.25mm。 三、精密加工中的应用加床及加工精度 1、雕琢强度 雕琢强度指射到于资料外表激光的强度。关于特定的雕琢速度， 强度越大，切开或雕琢的深度就越大。 您可运用雕琢机面板调理强度， 也可运用计算机的打印驱动程序来调理。在 1%到 100%的范围内，调 整起伏是 1%。强度越大，相当于速度也越大，切开的深度也越深。 6 2、雕琢速度 首要来说数控雕琢机与激光雕琢机雕琢速度的不一样， 雕琢速度 指的是激光头移动的速度，一般用 in/s( 英寸/ 秒 ) 表明，高速度带来 高的出产功率。速度也用于操控切开的深度，关于特定的激光强度， 速度越慢，切开或雕琢的深度就越大。 您可运用雕琢机面板调理速度， 也可运用计算机的打印驱动程序来调理。在 1%到 100%的范围内，调 整起伏是 1%。悍马机领先的运动操控系统可以使您在高速雕琢时， 依然得到超精密的雕琢质量 3. 光斑巨细 实际上数控雕琢机与激光雕琢机的光斑巨细也是不一样的， 激光 束光斑巨细可运用不一样焦距的透镜进行调理。 小光斑的透镜用于高 分辨率的雕琢。 大光斑的透镜用于较低分辨率的雕琢， 但关于矢量切 开，它是最佳的挑选。新设备的规范装备是 2.0 英寸的透镜。其光斑 巨细处于中心，适用于各种场合。 4、点阵雕琢 点阵刻活像高清晰度的点阵打印。 激光头左右摇摆， 每次雕琢出 一条由一系列点组成的一条线， 然后激光头一起上下移动雕琢出多条 线，最终构成整版的图象或文字。扫描的图形，文字及矢量化图文都 可运用点阵雕琢。 5、矢量切开 与点阵雕琢不一样， 矢量切开是在图文的外轮廓线上进行。 咱们 一般运用此形式在木材、亚克粒、纸张等资料上进行穿透切开，也可 在多种资料外表进行打标操作。 6、可雕琢资料 木制品、 有机玻璃、 金属板、 玻璃、石材、水晶、可丽耐、 纸张、 双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。 7 四、精密加工技术未来发展趋势 1、美国 美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近 年，美国执行了 微米和纳米级技术 国家关键技术计划，国防部陆、 海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。美国至少有 30 多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯 . 利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上 均久负盛名。美国最早研制了能加工硬脆材料的 6 轴数控超精密研磨 抛光机；联合碳化物公司开发了直径为 800mm的非球面光学零件的超 精密加工机床；劳伦斯 . 利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质 合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、 航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金 - 埃尔默等公司用超精密 加工技术加工各种军用红外零部件。 2、欧洲 欧洲等国也将超精密加工技术的发展放在重要位置， 60 年代起 英国开始研究超精密加工技术， 克兰菲尔德大学精密工程研究所相继 研制出能加工大型非球面反射镜的数控金刚石立式车床、 加工大型非 对称结构光学零件的数控超精密磨床、 研制了脆性材料的超精密磨削 工艺。现已成立了国家纳米技术战略委员会， 正在执行国家纳米技术 研究计划。德国和瑞士也有比较强的超精密加工能力。 1992 年后， 欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划， 加强和推动超精密加工技 术的发展。 3、日本 日本对超精密技术的发展也十分重视， 70 年代初，日本成立了 超精密加工技术委员会， 制定了技术发展规划， 成为此项技术发展速 度最快的国家。日本现有 20 多家超精密加工机床研制公司，重点开 发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化， 成批生产了多品种 商品化的超精密加工机床。 在超精密切削技术发展比较成熟后， 日本 8 已将黑色金属、 陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的 研究开发项目。 日本的研究创新意识强， 不是单纯地模仿国外的做法， 而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境， 走出了一条自 己的发展道路。 9 结语 超精密加工技术作为装备制造业中的关键技术， 长期以来一直是 世界各国进行先进制造技术研发和应用的重点。 超精密加工在中国的 研究与应用还处于起步阶段， 随着我国制造业的不断深化， 超精密加 工将彰显其巨大的发展空间，努力开发加工单位极小的精密加工方 法，必须在加工原理的本身就使其误差分散在 1nm以下的水平。 目前 加工单位比较小的加工方法主要有弹性破坏加工、 化工加工、 离子束 加工、等离子加工等。 目前的金刚石切削和金刚石砂轮精密磨削从其 加工原理上看，其加工单位就很大。 不论是加工装置还是测量装置， 都需要精密的机械机构， 包括导 轨、进给机构及轴承等，超精密空气静压导轨是目前最好的导轨，其 直线mm，通过补偿技术还可以进一步提高直 线度，但是它没有液压静压导轨的刚性大。同时，由于空气静压导轨 的气膜厚度只有 10 μm左右，所以在使用过程中，要注意防尘。另外， 在导轨的设计中， 还可以用多根导轨并联来均化气膜的误差。 用高弹 性合金、红宝石制造的滚动导轨，系统误差在 0.5 μm左右，随机误差 不超过 0.1 μm，确保产品的可靠性。 目前超精密加工所使用的磁悬浮轴承主轴精度低于空气静压轴 承主轴，空气静压轴承主轴的回转精度可达 0.5 μm，国外可达到 0.03 μm，但这仍然无法满足纳米加工对主轴的精度要求。 要想提高空 气静压轴承的回转精度就必须提高轴承的回转精度， 而空气静压轴承 精度是轴承部件圆度的 1/15 ～ 1/20 ，所以，要得到 10nm的回转精度， 轴和轴套的圆度要达到 0.15- 0.20 μm，同时为了气体流出的均匀性， 对于纳米的主轴，多采用此类加工方法。 在目前的超精密加工领域中，对加工精度的测量主要有两种方 法；激光检测和光栅的测量，而光栅的测量应用最为广泛，精度可达 nm级，如北京光电仪研究中心的光栅系统可达 0.1 μm，俄罗斯的全息 光栅系统达 10nm，100光栅系统的分辨率可达 0.1 μm，测量范围为 100mm。 开发系统误差小、 精度高和可靠性高的检测仪器和控制装置的前 10 提是开发高性能的传感器以及祠服从机构。 如果开发出高性能的传感 器以及祠服从机构及高精度、 高速度和高可靠性的读出装置， 就可以 通过使用计算机进行检测、分析及计算，以提高检测精度。 与超精密加工有关的技术问题还有很多方面，如湿度控制技术、 振动控制技术、环境控制技术等。比如材料的弹性变形和热变形，就 很难使材料的去除加工达到原子级的精度，长 100 mm的钢制零件， 要控制其热变形在 0.01mm以内半岛彩票，就必须控制温度变化在 0.01 ℃以内， 这在加工领域还很难实现。只要在上述的一个方面取得发展或突破， 必将引导精密加工技术的高速发展。 开发适用于精密加工并能取得高精度、高表面质量的新型材料。 例如最近开发超微粉烧结金属、非结晶金属、超微粉陶瓷、非结晶半 导体陶瓷、复合、 高分子材料等。只要在上述的方面一个取得发展或 突破，必将导致精密加工技术的高速发展。 精密加工方法在今天显得越来越重要， 精密加工技术已成为目前 高科技技术领域的基础， 提高超精密加工的精度已成为目前迫在眉睫 的问题。目前， 很多学者正在这方面做着大量的研究和实验，相信不 久的将来，超精密加工会取得长足进展。 姓名：霍雅南 班级：机械 1202 班 学号： 1202060202 11

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