1、精密和超精密加工定義：加工精度(m) 粗糙度(m)一般加工 1 精密加工 0.11 0.20.1超精密加工 0.1 0.01 納米加工 0.001 0.005超精密加工有車、銑、磨、拋（光）、研、電物理及電化學(xué)等不同的工藝方法，目前應(yīng)用最為廣泛的是車、磨、研、拋工藝。超精密加工技術(shù)是發(fā)展高新技術(shù)和產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，如球度要求0.2m的人造衛(wèi)星姿態(tài)控制用的120mm的過半球、形狀誤差要求小于0.1m空對(duì)空導(dǎo)彈紅外接收器的外球面反射鏡、平面度0.05m激光陀螺反射鏡、表面粗糙度Ra0.010.02m紅外反射鏡及激光制導(dǎo)反射鏡、平面度0.1m計(jì)算機(jī)磁盤及磁頭、平面度0.04m及反射率8590%的激光印

2、刷機(jī)和靜電復(fù)印機(jī)及激光熱處理的多棱鏡、精密儀器和機(jī)床的超精密零件等等。精密、超精密加工技術(shù)是提高機(jī)電產(chǎn)品性能、質(zhì)量、工作壽命和可靠性以及節(jié)材節(jié)能的重要方法和保證。如提高汽缸和活塞的加工精度，就可以提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和功率，減少油耗；提高滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體的滾道的加工精度，就可以提高軸承的轉(zhuǎn)速，減少振動(dòng)和噪聲；提高磁盤加工的平面度從而減少它與磁頭間的間隙，就可以大大提高磁盤的存儲(chǔ)量；提高半導(dǎo)體器件的刻線精度（減少線寬，增加密度），就可以提高微電子芯片的集成度。由此可知，超精密加工技術(shù)的高低，不只是一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的標(biāo)志，也是一個(gè)國(guó)家的國(guó)力和國(guó)威所在。沒有高超的加工技術(shù)，就不會(huì)有高超性能和質(zhì)量

3、的機(jī)電產(chǎn)品，更沒有現(xiàn)代化的國(guó)防工業(yè)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)已充分證明了超精密加工技術(shù)的重要性。在未來世界的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，超精加工技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。 國(guó)外現(xiàn)狀 美國(guó)是開展超精密加工技術(shù)起步最早的國(guó)家，迄今仍處于世界領(lǐng)先地位。在第二次世界大戰(zhàn)期間就開始研究，到六十年代形成了超精密機(jī)床的商品化，如加工激光核聚變爐的反射鏡，加工戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船等零件的超精密機(jī)床。至80年代，超精密機(jī)床綜合技術(shù)趨于成熟。如LLNL實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）受美國(guó)國(guó)防部委托研制的大型光學(xué)零件金剛石車床，可加工1620mm、長(zhǎng)508mm、重達(dá)1350Kg的工件，該機(jī)床采用了多

4、項(xiàng)新技術(shù)，使在整個(gè)加工空間中的定位精度高達(dá)0.028m（均方根值）。 英國(guó)也是較早從事精密、超精密加工技術(shù)研究的國(guó)家之一，Cranfield理工學(xué)院是迄今僅有的也能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度（大于2000N/m）精密氣浮主軸系統(tǒng)的單位，而且80年代初受SERC的委托還研制出了加工X射線天體望遠(yuǎn)鏡筒的大型數(shù)控金剛石車床，最近又推出了O A G M 2 5 0 0 和Nanocenter250超精密加工設(shè)備，分辨率高達(dá)11.25nm，也屬世界領(lǐng)先水平。 日本起步較晚，但發(fā)展較快，研究成果也很快發(fā)揮了作用。 它發(fā)展超精密機(jī)床不是走美國(guó)“先軍后民”的道路，而是從民用工業(yè)的需要去發(fā)展，如為了發(fā)

5、展計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、復(fù)印機(jī)等產(chǎn)品而研究加工磁盤、光盤、磁鼓、多面棱鏡等超精密機(jī)床。由于民用工業(yè)向精密化發(fā)展，生產(chǎn)超精密機(jī)床的企業(yè)、公司逐年增加，并投入大量人力、物力去開發(fā)，有計(jì)劃地引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)并深入解剖。因此在發(fā)展速度上迅速追上美國(guó)，而且在技術(shù)上可以與美國(guó)相抗衡。 除美國(guó)、英國(guó)、日本外，荷蘭、德國(guó)等也投入很大力量進(jìn)行精密、超精密加工的研究。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我國(guó)超精密加工的研究起步并不晚，但是發(fā)展較慢，直到80年代才取得一定進(jìn)展。如沈陽(yáng)第一機(jī)床廠生產(chǎn)的S1-235型金剛石車床（主軸回轉(zhuǎn)精度0.15m、加工精度0.3m/60）；1984年上海理工大學(xué)（原上海機(jī)械學(xué)院）先后研制出主軸回轉(zhuǎn)精度0.01m的精

6、密軸系，應(yīng)用于上海儀表機(jī)床廠的HY-026型超精密車床（加工工件圓度0.1m)、高精度數(shù)控車床（加工工件圓度0.5m）；北京機(jī)床研究所的超精密車床、銑床以及最高分辨率0.02m的CNC數(shù)控超精密車床；中國(guó)航空精密機(jī)械研究所的模塊化超精車床（全部花崗石材料制造，加工精度小于0.1m）等。總的看來，有色金屬的金剛石車削、銑削以及黑色金屬的磨削已初步達(dá)到了超精密水平，但在效率、可靠性、特別是規(guī)格（大小尺寸）和技術(shù)配套方面與國(guó)外比、與生產(chǎn)實(shí)際要求比，還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?duì)硬、脆的非金屬和半導(dǎo)體材料表面的超精密加工技術(shù)的研究則剛剛起步，在這方面我們與國(guó)外的差距更大。 發(fā)展趨勢(shì) 目前精密、超精密加工向著納米級(jí)

7、精度發(fā)展。超精密機(jī)床設(shè)備趨向于多功能模塊化及用非金屬材料制造，當(dāng)今機(jī)床的加工精度已達(dá)到0.025m、表面粗糙度Ra0.0045m，即已進(jìn)入納米級(jí)加工時(shí)代。除傳統(tǒng)的加工方法外，非傳統(tǒng)加工方法將越來越占有重要地位，其中最有前途的是高能束加工，如激光束、電子束、離子束等，還有向著去除、附著原子級(jí)、分子級(jí)加工等方向發(fā)展。 由于精密、超精密加工技術(shù)是一門多學(xué)科綜合制造技術(shù)，要追趕世界先進(jìn)水平，需要從加工工藝、加工設(shè)備、測(cè)量與控制、環(huán)境條件保障等四個(gè)方面來進(jìn)行研究。(一) 超精密加工工藝 超精密切削加工 由于有色金屬材料硬度很低，不能磨削而采用超精密切削加工。切削這類材料的特點(diǎn)是采用金剛石刀具。金剛石刀具

8、與有色金屬親和力小，不會(huì)和工件材料產(chǎn)生粘附，切削時(shí)不產(chǎn)生刀痕，表成光潔，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，且能刃磨得非常鋒利，據(jù)日本大板大學(xué)島田尚一博士介紹，他們?nèi)心ソ饎偸毒叩牡都鈭A弧半徑達(dá)0.0020.004m，我國(guó)目前約達(dá)到0.05m。 超精密磨削 由于金剛石是碳的同素異形體，在高溫點(diǎn)時(shí)和鐵族元素（黑色金屬材料）的親合作用大，易構(gòu)成碳化物，刃口極易損壞，因此不能用來切削黑色金屬，只能用磨削方法。 超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。表面光澤如鏡的磨削方法，是靠在砂輪工作表面上修理出來的大量等高的磨粒微刃進(jìn)行精密加工而成的。這些等高的微刃能從工件表面切除極微薄的、尚具有一些微量缺

9、陷以及微量形狀和尺寸誤差的余量。又由于這些等高微刃是大量的，如果磨削用量得當(dāng)，微刃在工件表面上磨削痕跡多次重復(fù)，本來就很微小的“殘留面積”便更進(jìn)一步縮小，留下的只是大量的極微細(xì)的劃痕，故可使表面粗糙度達(dá)到極微小的程度。此外，還由于在無火花磨削階段，微刃與被加工表面之間，仍有明顯的磨擦、滑擠、拋光和熨光等作用，故使加工表面格外光潔，當(dāng)前超精密磨削技術(shù)已能加工出0.01m圓度、0.1m尺寸精度和0.005m表面粗糙度的圓柱形零件。超精密磨削的加工對(duì)象主要是淬硬的金屬材料和半導(dǎo)體難加工材料、陶瓷、玻璃等，磨削工具采用金剛石砂輪，關(guān)鍵技術(shù)是砂輪的修整。對(duì)于密實(shí)形無氣孔的金剛石砂輪，如金屬結(jié)合劑金剛石砂

10、輪，一般在整形后還必須修銳；有氣孔型陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在整形后即可使用。金剛石砂輪的修整方法很多，常用的有單點(diǎn)金剛石筆、燒結(jié)體多點(diǎn)金剛石筆、專用砂輪修整器等。日本物理化學(xué)研究所大森整博士研究出用電解在線修整（ELTD）鑄鐵纖維結(jié)合劑（CIFB）金剛石砂輪，獲得了良好的效果。低溫磨削是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，日本千葉大學(xué)報(bào)道了在77K（液氮溫度）低溫條件下，對(duì)玻璃進(jìn)行磨削，能抑制材料裂紋的發(fā)生。 超精密研磨 超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等方法。機(jī)械研磨是一種古老而又十分簡(jiǎn)便的精密加工方法，在一定條件下可達(dá)到Ra0.10.3m精度和Ra0.03m表面粗糙度，

11、而超精密研磨可提高到0.1m以內(nèi)的精度和Ra0.03m的表面粗糙度，其基本原理是在工件和研具之間放入0.1m以內(nèi)的磨料，研磨運(yùn)動(dòng)軌跡呈周期性且不重復(fù)，為對(duì)工件產(chǎn)生一定的研磨能力，在工件上有加載裝置，并保證工件在恒溫的研磨液體中進(jìn)行研磨。研磨可降低工件表面粗糙度，提高尺寸和形狀精度，但不能提高相互位置精度。 如果在研磨液中加有粘性較好的油酸，它會(huì)附著在工件表面上，使工件表面很快地產(chǎn)生一層氧化膜，工件表面凸起處的氧化膜在研磨開始時(shí)與研具的接觸面小，單位面積壓力大，首先被磨粒刮去，新的金屬表面又很快被氧化，新的氧化膜又很容易地被刮掉。如此的不斷研磨下去，凸峰就逐漸被磨平，這就是化學(xué)機(jī)械研磨法。為使工

12、件表面光潔，起到拋光研磨作用，采用浮動(dòng)拋光或稱非接觸拋光法，即減輕對(duì)工件的研磨壓力，拋光研磨料在無機(jī)械壓力作用下“游動(dòng)”而“打光”工件。 彈性發(fā)射加工（Elastic Emission Machining, EEM），是一種利用加速了的微小粒子，彈射工件表面的原子晶格，使表面上最上層的原子晶格受最大的剪切力，從而移去這層不平的原子。從最基本原理來說，是一種噴射加工，和電子束和離子束去除加工是一樣的。加工后的精度可達(dá)0.1m。 主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括主軸支承及驅(qū)動(dòng)，它不僅要求很高的主軸回轉(zhuǎn)精度、軸系剛度，而且還能保持原精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定。超精密主軸回轉(zhuǎn)大都采用氣體或液體靜壓支承。氣體靜壓支承

13、引起機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的熱變形小，軸系剛度雖低，但是很適用于微量切削。液體靜壓支承剛度大，但必須克服液體溫升及壓力波動(dòng)的影響。對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)，目前仍采用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)或電動(dòng)機(jī)、帶輪、聯(lián)軸節(jié)、主軸傳動(dòng)，無論采用何種驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)必須經(jīng)過動(dòng)平衡，電機(jī)軸采用靜壓支承更理想，皮帶必須無縫且厚度一致。主軸支承結(jié)構(gòu)有多種型式，但大都采用球面支承結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。因?yàn)榍蛎孑S承具有自動(dòng)定心、裝配方便、加工精度高（上海理工大學(xué)生產(chǎn)的半球軸承的圓度達(dá)0.020.05m）等特點(diǎn)。其中圖41a為德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的氣體靜壓高速精密車床，主軸轉(zhuǎn)速40,000r/min，圖41b為美國(guó)專利，當(dāng)主軸200r/min時(shí)，其振

14、擺0.031m、500r/min時(shí)為0.038m，徑向和軸向剛度分別為25.4N/m和83.1N/m。 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)型式根據(jù)各工廠的工藝條件而定。但一般都采用靜壓導(dǎo)軌，如美國(guó)Pneumo Precision公司的MSG-235型超精密車床，采用空氣靜壓導(dǎo)軌，直線度為0.08m/300mm。美國(guó)Moore公司加工雙V型導(dǎo)軌有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)軌的直線度為0.1m/100mm。我國(guó)上海儀表廠已達(dá)到同等精度。 微量進(jìn)給 超精密機(jī)床一般都是微量切削，日本大阪大學(xué)設(shè)立了一個(gè)切薄課題，切削厚度約1nm的極限程度。在超精密機(jī)床上進(jìn)行微量切削，要使用刀尖圓弧半徑極小的金剛石刀具，并保證刀具的超微量進(jìn)

15、給，這方面的報(bào)導(dǎo)不少，比較多的是采用壓電陶瓷和平行彈簧，微量進(jìn)給可達(dá)1nm。 機(jī)床結(jié)構(gòu)材料超精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)材料對(duì)機(jī)床精度的影響很大，鑄鐵和鋼在過去曾是機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)材料，今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，作為普通機(jī)床的材料，尤其是床身和底座仍將發(fā)揮很大作用。但是很難滿足超精密機(jī)床的要求。為此國(guó)外早就用天然花崗巖材料制造，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如性能穩(wěn)定、線膨脹系數(shù)小，約是鑄鐵的2/3，美國(guó)Pneumo Precision公司的MSG-235型超精密車床，其重達(dá)7t，尺寸為2m1.2m0.6m的底座，就是花崗石制造的。我國(guó)航天航空總公司下屬的303所也制造了二臺(tái)全花崗石車床。瑞士Stuter公司用樹脂與花崗石粉混合而

16、成的人造花崗石（商品名Granitan），以鑄造成形，可減小大量加工量，該公司已將此材料用于S系列磨床床身。美國(guó)柯達(dá)克公司研制成功的OAGM2500型CNC磨床，用于加工探索太空用的大型光學(xué)透鏡，機(jī)床總重130t，其床身底座是用Granitan材料制造的。 花崗石的最大缺點(diǎn)是吸濕性大，吸水率為0.13%，甚至高達(dá)0.5%0.7%，遇到液體會(huì)發(fā)生微量變形（干燥后復(fù)原），用此材料時(shí)需防止液體的“侵入”。在這種情況下，日本又開發(fā)了精密陶瓷材料，其中Invar和Zerodur陶瓷材料的線膨脹系數(shù)分別為0.610-6/k和0.0510-8/k，即約為鑄鐵的1/201/240，而且可以鑄造成型。日本古川勇

17、二教授曾制造了兩臺(tái)全陶瓷車床。由于陶瓷材料具有的優(yōu)越性，日本機(jī)械制造人員正在深入研究它的加工問題，如能突破加工技術(shù)難關(guān)，陶瓷材料在今后將是超精密機(jī)床的熱門材料。（三）超精密測(cè)量由于工件的加工精度很高，將工件從機(jī)床上取下來拿到計(jì)量室測(cè)量，不僅麻煩而且由于環(huán)境溫度的變化會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，國(guó)外超精密機(jī)床都有在線測(cè)量裝置，即在加工過程中測(cè)量工件精度。這里有二個(gè)問題需要解決好： 尺寸定位精度 尺寸定位精度一般均采用光柵、雙頻激光干涉儀控制。光柵過去能達(dá)到的分辨率為0.1m、0.05m，現(xiàn)在日本的三豐、東京精密、Canon、Sony等公司為0.01m，英國(guó)Renishaw公司則高達(dá)0.001m，為目前能達(dá)

18、到的最高水平。英國(guó)Crnfield、美國(guó)Zygo公司的雙頻激光儀的分辨率為1.2nm，超過了美國(guó)HP系統(tǒng)產(chǎn)品精度。 傳感器傳感器目前有接觸式和非接觸式兩類，要求其分辨率必須小于0.01m，接觸式的對(duì)有色金屬的測(cè)量表面易產(chǎn)生印痕，非接觸式的對(duì)旋轉(zhuǎn)中的工件進(jìn)行測(cè)量較為理想，它有電容、電渦流、激光及光導(dǎo)纖維等形式。激光傳感器精度最高，但對(duì)環(huán)境要求亦高。電容傳感器對(duì)外界環(huán)境也有一定要求，北京機(jī)床研究所研制的電容傳感器的分辨率可達(dá)2nm。實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量除了上面兩個(gè)問題外，還要考慮測(cè)量裝置的精度問題，比如傳感器測(cè)頭中心與工件軸線不共面，兩傳感器測(cè)頭不同軸、測(cè)量中心線與工件中心線不垂直等項(xiàng)，所有誤差的總和限制

19、在0.05m以內(nèi)是非常困難的，故目前國(guó)內(nèi)成功的實(shí)例很少。 機(jī)床的隔振 對(duì)于超精密機(jī)床，振動(dòng)對(duì)工件尺寸精度和表面粗糙度的影響很大。一般來講，高頻振動(dòng)的振幅要求減小到0.2m以下、低頻振動(dòng)的振幅應(yīng)小于0.1m，據(jù)測(cè)量我國(guó)沿海大地脈動(dòng)頻率一般為4Hz，機(jī)床隔振應(yīng)主要針對(duì)4Hz的大地脈動(dòng)，要滿足這一要求，必須增加底座重量，如上述MSG235型超精密機(jī)床重達(dá)7t的花崗石底座即為一例，同時(shí)，超精密機(jī)床還必須采用三級(jí)減振措施。 將機(jī)床放置在整塊花崗石底座上，花崗石對(duì)振動(dòng)的阻尼值是鑄鐵的45倍，可極大地衰減機(jī)床的切削振動(dòng)。 將機(jī)床與底座放置在隔振器上，如美國(guó)Barry公司的ServeLevl隔振系統(tǒng)的3個(gè)AL556空氣彈簧隔振器，垂直方向固有頻率為0.5Hz、水平方向?yàn)?/p>