先進制造技術（四）

超精密加工技術7/28/20231沈陽工業大學先進制造技術（四）

超精密加工技術7/28/20231通常按加工精度劃分，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工。由于生產技術的不斷發展，劃分的界限是變化的，過去的精密加工對今天來說已經是普通加工，因此，其劃分的界限是相對的，其具體數值是變化的。1983年日本的Taniguchi教授在考查了許多超精密加工實例的基礎上對超精密加工的現狀進行了總結，并對其發展趨勢進行了預測。把精密和超精密加工的過去、現狀和未來歸納為圖6-12所示的幾條曲線。這些曲線反映了該領域的發展規律。

1.超精密加工的范疇

超精密加工技術的發展7/28/20232沈陽工業大學通常按加工精度劃分，可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精190019201940196019802000加工精密/μm1021011010-110-310-210-510-40.005μm年份10μm10μm10μm5μm1μm1μm0.1μm0.1μm0.05μm0.01μm0.005μm0.001μm精超密加工工加密精工加普通測量儀器（檢測設備）（系統誤差和隨機誤差）超精密研磨機（電子束掃描裝置）超高精密磨床超高精密研磨機車床、銑床游標卡尺精密車床磨床、研磨機機械比較儀測微儀千分尺電子、氣動測微儀光學比較儀精密坐標鏜床坐標磨床精密磨床精密研磨機光學透鏡磨床精密金剛石磨床光學磁尺電動比較儀電子比較儀（非接觸式）激光測長儀光纖技術圓度測量儀表面測量儀光學透鏡精磨床間歇轉發器精密金剛石磨床超精密磨床激光高精度測長儀（多普勒多重干涉儀）臺階測量儀超精密研磨機（電子束掃描裝置）超高精密磨床超高精密研磨機原子分子離子束加工原子分子沉積加工掃描電鏡、透射電鏡電子束衍射離子分析儀X射線測微分析儀俄歇分析儀、ESCAR超晶格物質合成加工機床（加工設備）加工精度的進展超精密加工技術的發展7/28/20233沈陽工業大學19001920194019要更精確地定義加工精度，除加工誤差本身外，還必須說明測定該誤差的幾何長度或形貌頻率。Langenbeck提出的定性分析微細加工時的曲線。圖中斜線部分表示相應于微細加工零件的形狀、位置（斜度）和微觀不平度的幾何長度與對應的誤差范圍，并認為誤差幅值與形貌頻率是評價加工精度的重要因素，根據誤差形貌的頻率可以找出導致該誤差的相關原因。1.超精密加工的范疇

超精密加工技術的發展7/28/20234沈陽工業大學要更精確地定義加工精度，除加工誤差本身外，還必須說明測定該誤加工誤差與幾何長度的關系1.超精密加工的范疇

超精密加工技術的發展7/28/20235沈陽工業大學加工誤差與幾何長度的關系1.超精密加工的范疇超精密加工超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。

美國主要研究以發展國防尖端技術為主要目標。日本的研究以民品應用為主要對象。我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。Ra=0.0078μm。在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規格和技術配套性方面與國外比還有相當大的差距。2、超精密加工技術的國內外發展現狀

超精密加工技術的發展7/28/20236沈陽工業大學超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本（1）向高精度方向發展，其最終目標實現原子級精度的加工。（2）向大型化方向發展，研制各種大型超精密加工設備，以滿足航天航空、電子通信等領域的需要。（3）向微型化方間發展，以適應微型機械、集成電路的發展。3、超精密加工技術的發展趨勢超精密加工技術的發展7/28/20237沈陽工業大學（1）向高精度方向發展，其最終目標實現原子級精度的加工。3、（4）向超精結構、多功能模塊化、光機電一體化、加工檢測一體化方向發展，并采用各種測量、控制技術實時補償誤差。（5）不斷出現新工藝和復合加工技術，被加工的材料范圍擴大。（6）在作業環境建造方面的諸如高性能的基礎隔振技術、凈化技術與環境溫控技術將有更大發展。3、超精密加工技術的發展趨勢超精密加工技術的發展7/28/20238沈陽工業大學（4）向超精結構、多功能模塊化、光機電一體化、加工檢測一體化

超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車削，主要用于加工軟金屬材料，如銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學玻璃、大理石和碳素纖維板等非金屬材料。1、超精密切削加工超精密加工技術的原理及特點

金剛石車床的主要生產廠家：美國的莫爾精密機床公司、普奈莫精密公司和日本東芝機械公司；金剛石車床的價格十分昂貴，推廣普及應用有一定難度。各國正在積極研究開發低成本的金剛石車削機床。7/28/20239沈陽工業大學超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車削，主要用于加工軟1、超精密切削加工超精密加工技術的原理及特點

莫爾特種金剛石車床

3軸計算機數控超精密加工系統。7/28/202310沈陽工業大學1、超精密切削加工超精密加工技術的原理及特點莫爾特種金剛石1、超精密切削加工莫爾立式金剛石回輪車床超精密加工技術的原理及特點

7/28/202311沈陽工業大學1、超精密切削加工莫爾立式金剛石回輪車床超精密加工技術的原精密金剛石快速切削機床1、超精密切削加工超精密加工技術的原理及特點

7/28/202312沈陽工業大學精密金剛石快速切削機床1、超精密切削加工超精密加工技術的原超精密磨削和磨料加工是利用細粒度的磨粒和微粉主要對黑色金屬、硬脆材料等進行加工，是一種解決各種高尺寸精度、高表面質量、高形狀精度的加工方法，并能顯著地提高零件的加工效率。超精密磨削和磨料加工可分為固結磨料和游離磨料兩大類加工方式。游離磨料加工指在加工時，磨粒或微粉成游離狀態，如研磨時的研磨劑、拋光時的拋光液，其中的磨粒或微粉在加工時不是固結在一起的。

2、超精密磨削和磨料加工超精密加工技術的原理及特點

7/28/202313沈陽工業大學超精密磨削和磨料加工是利用細粒度的磨粒和微粉主要對黑色金（1）磨削技術

超精密磨削即是加工精度在0.1μm以下、表面粗糙度Rm在0.025μm以下的磨削方法。超精密磨削工件表面的微觀輪廓是砂輪表面微觀輪廓的某種復印，其與砂輪特性、修整砂輪的工具、修整方法和修整用量等密切相關。超精密磨削實現極低的表面粗糙度，主要靠砂輪精細修正得到大量的、等高性很好的微刃，實現了微量切削作用，經過磨削一定時間之后，形成了大量的半鈍化刃，起到了摩擦拋光作用，最后又經過光磨作用進一步進行了精細的摩擦拋光，從而獲得了高質量表面。超精密加工技術的原理及特點

7/28/202314沈陽工業大學（1）磨削技術超精密磨削即是加工精度在0.1μm以下1）帶磨削技術

隨著砂帶制作質量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達到高精度和低表面粗糙度值。超精密加工技術的原理及特點

7/28/202315沈陽工業大學1）帶磨削技術隨著砂帶制作質量的迅速提高，砂帶上砂2）電解在線修整（ELID）磨削技術

ELID技術的基本原理是在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結合劑產生陽極溶解效應而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實現對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID磨削技術使得用超微細（甚至超微粉）的超硬磨料制造砂輪并用于磨削成為可能，其可代替普通磨削、研磨及拋光并實現硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。

超精密加工技術的原理及特點

7/28/202316沈陽工業大學2）電解在線修整（ELID）磨削技術ELID技術的基2）電解在線修整（ELID）磨削技術ELID磨削原理1―電刷2―鐵纖維結合劑的金剛石砂輪3―冷卻液4―電源5―工件超精密加工技術的原理及特點

7/28/202317沈陽工業大學2）電解在線修整（ELID）磨削技術ELID磨削原理超精密加3）雙端面精密磨削技術

雙端面精磨的磨削運動和作行星運動的雙面研磨一樣，工件既作公轉又作自轉，磨具的磨料粒度也很細，在磨削過程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲勞斷裂同時起作用，磨痕交叉而且均勻，該磨削方式屬控制力磨削過程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可獲得很高的平面度和兩平面的平行度，該技術目前取代金剛石車削成為磁盤基片等零件的主要超精加工方法。

超精密加工技術的原理及特點

7/28/202318沈陽工業大學3）雙端面精密磨削技術雙端面精磨的磨削運動和作行

電泳磨削技術是一種新的超精密及納米級磨削技術，其磨削機理是利用超細密粒的電泳特性，在加工過程中使磨粒在電場力作用下向磨具表面運動，并在磨具表面沉積形成一起細磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對工件進行磨削加工，同時新的磨粒又不斷補充(如圖6-8)。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性，磨具每旋轉一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補充，使微刃始終保持鋒利尖銳。4）電泳磨削技術超精密加工技術的原理及特點

7/28/202319沈陽工業大學電泳磨削技術是一種新的超精密及納米級磨削技術，其磨削4）電泳磨削技術電泳磨削原理超精密加工技術的原理及特點

7/28/202320沈陽工業大學4）電泳磨削技術電泳磨削原理超精密加工技術的原理及特點7/研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產生相對運動并加壓，磨料產生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高(0.025μm)，表面粗糙度參數值得以降低(Ra0.01μm)。（2）超精密研磨技術

主要的方法：磁流體精研技術磁力研磨技術電解研磨機械化學研磨超聲研磨等復合研磨方法等。超精密加工技術的原理及特點

7/28/202321沈陽工業大學研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被1）超精密研磨技術

研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產生相對運動并加壓，磨料產生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高（0.025μm），表面粗糙度參數值得以降低（Ra0.01μm）。主要的方法有：磁流體精研技術、磁力研磨技術、電解研磨、機械化學研磨、超聲研磨等復合研磨方法等。超精密研磨常作為精密塊規、球面空氣軸承、半導體硅片、石英晶體、高級平晶和光學鏡頭等零件的最后加工工序。超精密加工技術的原理及特點

7/28/202322沈陽工業大學1）超精密研磨技術研磨是在被加工表面和研具之間置以典型的軟質磨粒機械拋光是彈性發射加工，加工原理其實質是磨粒原子的擴散作用和加了速的微小粒子彈性射擊的機械作用的綜合結果。其最小切除量可以達原子級，即可小于0.001μm，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質極純的表面。2）軟質磨粒機械拋光超精密加工技術的原理及特點