第一章《機械和超緊緊密加工第二章》

2020 4 7 姜春曉2005年8月 Precisionandultraprecisionmachining 精密和超精密加工技術(shù) 2020 4 7 教材 袁哲俊 王先逵主編 精密和超精密加工技術(shù) 機械工業(yè)出版社 學(xué)時 50課程安排 機032周三上午1 2節(jié)周五上午3 4節(jié) 單周 參考材料 1 張建華主編 精密與特種加工技術(shù) 2 於貽琛 精密機床 2020 4 7 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用1 3精密和超精密加工的需求1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 第1章精密和超精密加工技術(shù)及其發(fā)展 2020 4 7 精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段 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 超精密加工三個階段 精密加工 加工精度在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之間的加工方法稱為精密加工 超精密加工 加工精度高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m之間的加工方法稱為超精密加工 微細(xì)加工 超微細(xì)加工 光整加工 精整加工等 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵 2020 4 7 1 1精密和超精密加工的技術(shù)內(nèi)涵 2020 4 7 2020 4 7 2020 4 7 1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用 超精密加工所能達(dá)到的精度 表面粗糙度 加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一 例如 金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù) 日本聲稱已達(dá)到2nm 而我國尚處于亞微米水平 相差一個數(shù)量級 又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn) 使制造水平有了大幅度提高 突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題 2020 4 7 1 2精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用 作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場 作為真實產(chǎn)品的實際制造 必然要靠精密加工和超精密加工技術(shù) 例如 計算機工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上 還要在硬件上 即在集成電路芯片上有很強的能力 應(yīng)該說 當(dāng)前 我國集成電路的制造水平約束了計算機工業(yè)的發(fā)展 美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的 兩毫米工程 使汽車質(zhì)量趕上歐 日水平 其中的舉措都是實實在在的制造技術(shù) 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 超精密加工技術(shù)與國防工業(yè)關(guān)系密切 如陀螺儀的加工涉及多項超精密加工 導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率 1kg的陀螺轉(zhuǎn)子 其質(zhì)量中心偏離其對稱軸0 0005 m 則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差 大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡 直徑達(dá)2 4m 形狀精度為0 01 m 如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 能觀察140億光年的天體 六軸CNC研磨拋光機 圖 紅外線探測器反射鏡 其拋物面反射鏡形狀精度為1 m 表面粗糙度為Ra0 01 m 其加工精度直接影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率 激光核聚變用的曲面鏡 其形狀精度小于1 m 表面粗糙度小于Ra0 01 m 其質(zhì)量直接影響激光的光源性能 2020 4 7 服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡 獅子座螺旋星系 宇宙深處的星體 銀河系環(huán)形星群 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 計算機上的芯片 磁板基片 光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造 錄像機的磁鼓 復(fù)印機的感光鼓 各種磁頭 激光打印機的多面體 噴墨打印機的噴墨頭等都必須進(jìn)行超精密加工 才能達(dá)到質(zhì)量要求 2020 4 7 1 3精密和超精密加工的需求 現(xiàn)代小型 超小型的成像設(shè)備 如攝相機 照相機等上的各種透鏡 特別是光學(xué)曲面透鏡 激光打印機 激光打標(biāo)機等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成 至于超精密加工床 設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 美國是開展研究最早的國家 2 日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家 3 我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進(jìn)步 80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近年來 在傳統(tǒng)加工方法中 金剛石刀具超精密切削 金剛石微粉砂輪超精密磨削 精密高速切削 精密砂帶磨削等已占有重要地位 在非傳統(tǒng)加工中 出現(xiàn)了電子束 離子束 激光束等高能加工 微波加工 超聲加工 蝕刻 電火花和電化學(xué)加工等多種方法 特別是復(fù)合加工 如磁性研磨 磁流體拋光 電解研磨 超聲珩磨等 在加工機理上均有所創(chuàng)新 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 用精密和超精密加工的零件 其材料的化學(xué)成分 物理力學(xué)性能 加工工藝性能均有嚴(yán)格要求 例如 要求被加工材料質(zhì)地均勻 性能穩(wěn)定 無外部及內(nèi)部微觀缺陷 其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10 2 10 3 數(shù)量級 不能含有雜質(zhì) 其物理力學(xué)性能 如拉伸強度 硬度 延伸率 彈性模量 熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)等應(yīng)達(dá)到10 5 10 6數(shù)量級 材料在冶煉 鑄造 輾軋 熱處理等工藝過程中 應(yīng)嚴(yán)格控制熔渣過濾 輾軋方向 溫度等 使材質(zhì)純凈 晶粒大小勻稱 無方向性 能滿足物理 化學(xué) 力學(xué)等性能要求 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 高精度 2 高剛度 3 高穩(wěn)定性 4 高自動化 加工設(shè)備的質(zhì)量與基礎(chǔ)元部件 如主軸系統(tǒng) 導(dǎo)軌 直線運動單元和分度轉(zhuǎn)臺等密切相關(guān) 應(yīng)注意這些元部件質(zhì)量 此外 夾具 輔具等也要求有相應(yīng)的高精度 高剛度和高穩(wěn)定性 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 加工工具主要是指刀具 磨具及刃磨技術(shù) 用金剛石刀具超精密切削 值得研究的問題有 金剛石刀具的超精密刃磨 其刃口鈍圓半徑應(yīng)達(dá)到2 4nm 同時應(yīng)解決其檢測方法 刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切 若切削的厚度欲達(dá)到10nm 則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm 磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削 這種砂輪有磨料粒度 粘接劑 修整等問題 通常 采用粒度為W20 W0 5的微粉金剛石 粘接劑采用樹脂 銅 纖維鑄鐵等 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 尺寸和形位精度可用電子測微儀 電感測微儀 電容測微儀 自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀來測量 表面粗糙度可用電感式 壓電晶體式表面形貌儀等進(jìn)行接觸測量 或用光纖法 電容法 超聲微波法和隧道顯微鏡法進(jìn)行非接觸測量 表面應(yīng)力 表面變質(zhì)層深度 表面微裂紋等缺陷 可用X光衍射法 激光干涉法等來測量 檢測可采取離線的 在位的和在線的三種方式 誤差預(yù)防通過提高機床制造精度 保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響 誤差補償是在誤差分離的基礎(chǔ)上 利用誤差補償裝置對誤差值進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)補償 以消除誤差本身的影響 靜態(tài)誤差補償是根據(jù)事先測出的誤差值 在加工時通過硬件或軟件進(jìn)行補償 動態(tài)誤差補償是在在線檢測基礎(chǔ)上 在加工時進(jìn)行實時補償 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在 1 0 02 甚至達(dá)到 0 0005 在恒溫室內(nèi) 一般濕度應(yīng)保持在55 60 防止機器的銹蝕 石材膨脹 以及一些儀器 如激光干涉儀的零點漂移等 潔凈度要求1000 100級 100級是指每立方英尺空氣中所含大于0 5 m的塵埃不超過100個 依此類推 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是 向更高精度 更高效率方向發(fā)展 向大型化 微型化方向發(fā)展 向加工檢測一體化方向發(fā)展 機床向多功能模塊化方向發(fā)展 不斷探討適合于超精密加工的新原理 新方法 新材料 21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 超精密加工的加工機理 進(jìn)化加工 及 超越性加工 機理研究 微觀表面完整性研究 在超精密范疇內(nèi)的對各種材料 包括被加工材料和刀具磨具材料 的加工過程 現(xiàn)象 性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究 2 超精密加工設(shè)備制造技術(shù) 納米級超精密車床工程化研究 超精密磨床研究 關(guān)鍵基礎(chǔ)件 如軸系 導(dǎo)軌副 數(shù)控伺服系統(tǒng) 微位移裝置等研究 超精密機床總成制造技術(shù)研究 2020 4 7 OAGM2500 LODTM 2020 4 7 1 4超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 超精密加工刀具 磨具及刃磨技術(shù) 金剛石刀具及刃磨技術(shù) 金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研