1、Ultraprecision machining3.2.1 3.2.1 参考材料：参考材料：1、张建华主编、张建华主编精密与特种加工技术精密与特种加工技术2、於贻琛、於贻琛精密机床精密机床3、袁哲俊、王先逵主编、袁哲俊、王先逵主编精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术机械工机械工业出版社业出版社1 1 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工的技术内涵2 2 超精密加工超精密加工技术的技术的国内外发展现状国内外发展现状3 3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势3.2.1 3.2.1 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工
2、的加工范畴 1 1 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（1）2.2.结合加工结合加工利用物理和化学方法，将不同材料结合利用物理和化学方法，将不同材料结合(Bonding)(Bonding)在一起。在一起。按结合 的机 理、方 法、强弱等，结合加工又分为附着按结合 的机 理、方 法、强弱等，结合加工又分为附着(Deposition)(Deposition)、注入、注入(Injection)(Injection)和连接和连接(Jointed)(Jointed)三种。三种。附着加工附着加工：称为沉积加工，是指在工件表面上覆盖一层物：称为沉积加工，是指在工件表面上覆盖一层物质。这是一种
3、弱结合，其典型的加工方法是镀。质。这是一种弱结合，其典型的加工方法是镀。注入加工注入加工又称为渗入加工，是指在工件表面上注入某些元又称为渗入加工，是指在工件表面上注入某些元素，使之与基体材料产生物理化学反应。这是一种具有共价键、素，使之与基体材料产生物理化学反应。这是一种具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，如渗碳、渗氮等。性质，如渗碳、渗氮等。连接连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，如焊接、粘接等。如焊接、粘接等。3.3.变形加工变形加工变形
4、加工又称为流动加工，它利用力、热、分子运动等手变形加工又称为流动加工，它利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合多年来，传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快加工。近年来，人们提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。速成型等加工方法，突破了传统加工的概念。例如：镁合金，钛合金的变形。例如：镁合金，钛合金的变形。精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（2）精密切削、磨削、研磨
5、实例精密切削、磨削、研磨实例国内外现状国内外现状(1)(1)美国是开展研究最早的国家。美国是开展研究最早的国家。(2)(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家的国家 。(3)(3)我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长年代末期有了长足进步，足进步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。密机床和部件。2 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状20世纪世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先
6、发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术技术”(Single Point Diamond Turning)或或“微英寸技术微英寸技术”(1微英寸微英寸0.025 m)，并发展了相应的空气轴承，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面及非球面大型零件等。面及非球面大型零件等。2 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面
7、粗糙度、超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。平的重要标志之一。举例举例1：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；差一个数量级；举例举例2：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解于生产，使制造水平有了大幅度提高，
8、突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。4)在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所的克兰菲尔德精密工程研究所(简称简称CUPE)享有较高声誉，它是享有较高声誉，它是当今世界精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水当今世界精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。平的独特代表。实例：实例：CUPE生产的生产的Nanocentre(纳米加工中心纳米加工中心)既可进行超精既可进行超精密车削又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精密车削又带有磨头，
9、也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达度可达0.1 m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra10 nm。我国的超精密加工技术现状：我国的超精密加工技术现状：1.1.在在2020世纪世纪7070年代末有了长足进步，年代末有了长足进步，2.802.80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等。高精度测试仪器等。3.3.在在20002
10、000年北京第七届国际机床展览会上，北京机床研究所年北京第七届国际机床展览会上，北京机床研究所展出一台纳米超精密车床，采用气浮主轴轴承和纳米级光栅展出一台纳米超精密车床，采用气浮主轴轴承和纳米级光栅全闭环控制，光栅最小分辨率为全闭环控制，光栅最小分辨率为5 nm5 nm，加工表面粗糙度可达，加工表面粗糙度可达0.008 m，主轴回转精度为，主轴回转精度为0.05 m。精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 例如计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工
11、程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。（安全气囊安全标准）2 2 超精密加工国内外发展现状超精密加工国内外发展现状国防工业上的需求国防工业上的需求超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有非常重要超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有非常重要的地位。的地位。例如：导弹的命中精度是由惯性仪表的精度决定的，而惯性仪例如：导弹的命中精度是由惯性仪表的精度决定的，而惯性仪表的关键部件是陀螺仪，如果表的关键部件是陀螺仪，如果1 kg重的陀螺转子，其质量中心重的陀螺转子，其质量中心偏离对称轴偏离对称轴0.5 nm，则会引起，则会引起
12、100 m的射程误差和的射程误差和50 m的轨的轨道误差。美国民兵道误差。美国民兵型洲际导弹系统陀螺仪的精度为型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.030.05，其命中精度的概率误差为，其命中精度的概率误差为500 m；而；而MX战略导弹战略导弹(可可装载装载10个核弹头个核弹头)制导系统陀螺仪精度比民兵制导系统陀螺仪精度比民兵型导弹高出一型导弹高出一个数量级，从而保证命小精度的概率误差只有个数量级，从而保证命小精度的概率误差只有50150 m。http:/ 国防工业上的需求国防工业上的需求 大型天体望远镜的透镜、直径达大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m2.4m，形状精度为，形状精度为0.01m0
13、.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140140亿光年的天体亿光年的天体 红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1m1m，表面粗糙度为表面粗糙度为Ra0.01mRa0.01m，其加工精度直接影响导弹的引爆距，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。离和命中率。服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系宇宙深处的星体银河系环形星群信息产品中的需求信息产品中的需求 计算机磁盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离计算机磁盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离(即所即所谓谓“飞行高度飞行高度”)，早期磁头在
14、盘面上的飞行高度约，早期磁头在盘面上的飞行高度约0.1m0.5m，现在，现在的水平已经达到的水平已经达到 0.005m0.01m，这只是人类头发直径的千分之一，这只是人类头发直径的千分之一。为了实现如此微小的为了实现如此微小的“飞行高度飞行高度”，要求加工出极其平坦、光滑的磁盘基，要求加工出极其平坦、光滑的磁盘基片及涂层。片及涂层。计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨
15、头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。民用产品中的需求民用产品中的需求 现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。制造。飞机发电机转子叶片的加工精度由飞机发电机转子叶片的加
16、工精度由60 m提高到提高到12 m，而加，而加工表面粗糙度工表面粗糙度Ra由由0.5 m减少到减少到0.2 m，则发电机的压缩效率，则发电机的压缩效率将从将从89提高到提高到94。传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的36 m降低到降低到1 m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩提高近一倍。，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩提高近一倍。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术加工机理加工机理 在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、
17、精密高速切削、精金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。珩磨等，在加工机理上均有所创新。精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 被加工材料被加工材料 精密和超精密加
18、工的零件，其材料的化学成分、物理力学性精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求：能、加工工艺性能均有严格要求：1 1）被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；）被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；2 2）化学成分的误差应在化学成分的误差应在1010-2-21010-3-3数量级，不能含有杂质；数量级，不能含有杂质；3 3）物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热）物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到导率和膨胀系数等应达到1010-5-51010-6-6数量级；数量级；4 4）材
19、料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控）材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件(1)高精度。高精度。(2)(2)高刚度。高刚度。(3)(3)高稳定性。高稳定性。(4)(4)高自动化。高自动化。加工设备的质量与基础元部件，如
20、主轴系统、加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 加工工具加工工具加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具超精密切削的主要研究问题：金刚石刀具超精密切削的主要研究问题：1 1）金刚石刀具的）金刚石刀具的超
21、精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2 24nm4nm，2 2）金刚石刀具）金刚石刀具刃口检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削刃口检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到的厚度欲达到10nm10nm，则刃口钝圆半径应为，则刃口钝圆半径应为2nm2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20W20W0.5W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。的微粉金刚石，粘接剂
22、采用树脂、铜、纤维铸铁等。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 超精密加工的检测与误差补偿技术超精密加工的检测与误差补偿技术 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表
23、面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X X光衍射法、激光光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；其影响；误差补偿技术是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行误差补偿技术是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出静态和动态补偿，以消除误差本
24、身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。测基础上，在加工时进行实时补偿。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势精密和超精密加工的关键技术精密和超精密加工的关键技术 工作环境工作环境 环境温度可根据加工要求控制在环境温度可根据加工要求控制在110.020.02，甚至达到，甚至达到0.00050.0005。在恒温室内，一般湿度应保持在在恒温室内，一般湿度应保持在55%55%60%60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，
25、防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求洁净度要求10001000100100级，级，100100级是指每立方级是指每立方英尺空气中所含大于英尺空气中所含大于0.5m0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100100个，个，依此类推。依此类推。4 4 超精密加工技术的发展趋势超精密加工技术的发展趋势OAGM2500LODTM课后思考题 超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度粗糙度Ra0.
26、020.005m，加工精度，加工精度0.01m)。加工应用：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红加工应用：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。镜等。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超
27、精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。超薄切削厚度。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。数低，以得到极好的加工表面完
28、整性。3.2.3.1 3.2.3.1 精密和超精密磨削概述精密和超精密磨削概述3.2.3.2 3.2.3.2 精密磨削精密磨削3.2.3.3 3.2.3.3 超精密研磨抛光的主要新技术超精密研磨抛光的主要新技术 金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，行超精密切削，对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。则主要是应用精密和超精密磨料加工。精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到
29、和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。高加工精度和低表面粗糙度值。一、一、精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固结磨料加工游离磨料加工精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂带磨削砂带研磨一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类固结磨料加工固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂砂轮、砂条、油石、砂
30、带等磨具。带等磨具。精密和超精密砂轮磨削精密和超精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度精密砂轮磨削：砂轮的粒度60608080，加，加工精度工精度1 1mm，Ra0.025mRa0.025m；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W40W50W50，得加工精度得加工精度0.1m0.1m，Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。精密和超精密砂带磨削精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度精密砂带磨削：砂带粒度W63W63W28W28，加工，加工精度精度1m1m，Ra0.025;Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度超精密砂带磨削：砂带粒度W28W28W3W3，
31、加工精，加工精度度0.1m0.1m，Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类游离磨料加工游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。喷射加工等。二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择磨料及其选择普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人
32、造立方氮化硼二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料粒度及其选择磨料粒度及其选择多选用多选用180180240240普通普通磨料、磨料、170/200170/200325/400325/400超硬磨料的磨粒和各种超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。粒度的微粉。结合剂及其选择结合剂及其选择将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂组织和浓度及其选择组织和浓度及其选择普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨
33、料的含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。磨削选用细粒度、低质量浓度。3.2.3.2 3.2.3.2 精密磨削精密磨削一、精密磨削机理一、精密磨削机理(1)微刃的微切削作用微刃的微切削作用(2)微刃的等高切削作用微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用四、精密磨床四、精密磨床 精密磨削
34、要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求：精密磨削要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求：1 1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度，、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度，以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压和以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压和动静压组合轴承。动静压组合轴承。2 2、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流阀、工作台导轨压力润滑。阀、工作台导轨压力润滑。3 3、减少
35、振动、减少振动 1 1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进行隔振；行隔振；2 2）砂轮要进行动平衡；）砂轮要进行动平衡；3 3）精密磨床最好安装在防振地基上。）精密磨床最好安装在防振地基上。五、磨削用量五、磨削用量砂轮速度砂轮速度一般在1530m/s一般在612m/min工作速度工作速度工件纵向进给量工件纵向进给量一般为50100mm/min或0.060.5mm/r横向进给量（吃刀量）横向进给量（吃刀量）一般取0.62.5m/单行程横向进给次数横向进给次数一般约23次（单行程）光磨（无火花磨削）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后，
36、光磨次数采用58次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025次。3.2.3.3 3.2.3.3 超精密研磨抛光的主要新技术超精密研磨抛光的主要新技术液中研磨液中研磨 将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击也有缓冲效果。磨时的微小冲击也有缓冲效果。机械化学研磨机械化学研磨 机械化学
37、研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种。和干式两种。湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨剂含有剂含有0.010.01m m大小的大小的SiOSiO2 2磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。人造革。干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化学反应的研磨方法。干式条件下
38、的微小范围的化学反应有利于学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于加工的进行，由于加工的进行，由于0.010.010.020.02粒径的粒径的SiOSiO2 2磨粒有较强的化学活磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。性，研磨量较大。磁流体精密研磨磁流体精密研磨 磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（0.0150.015m m）的胶态溶液，）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料
39、混入磁流体，置于磁场中，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。磁流体精密研磨磁流体精密研磨 磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。工及磁流体封闭式加工。磨粒悬浮式磨粒悬浮式加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。电磁部分组成。磨粒控制式磨
40、粒控制式加工是在研磨具的孔洞内预先加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。磁流体封闭式磁流体封闭式加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置进行加工。进行加工。磁力研磨磁力研磨 利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱工件表面的研
41、磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质加工原理实质是是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒的机
42、械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。子加速法、空气流或水流来加速。化学机械抛光化学机械抛光 化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶液，液，MnMnZnZn铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。水合抛光水合抛光 是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用其主要特
43、点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在的研磨盘或抛光机相似，只是在水蒸气环境水蒸气环境中进行加工。中进行加工。机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下利用外来的摩擦力，从工件表
44、面上将这层水合层分离、去除，利用外来的摩擦力，从工件表面上将这层水合层分离、去除，从而实现镜面加工。从而实现镜面加工。精密和超精密机床发展概况及典型机床简精密和超精密机床发展概况及典型机床简介介2 2 精密主轴部件精密主轴部件3 3 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件4 4 进给驱动系统进给驱动系统5 5 机床运动部件位移的激光在线检测系统机床运动部件位移的激光在线检测系统6 6 机床的稳定性和减振隔振机床的稳定性和减振隔振7 7 减少变形和恒温控制减少变形和恒温控制 精密机床是实现精密加工的首要基础条件。精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1 1）美国：）美国：5050年代首先发展了金刚
45、石刀具的超精密切削技术，并年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983198319841984研制成功研制成功大型超精密金刚石车床大型超精密金刚石车床DTMDTM3 3型和型和LODTMLODTM大型超精密车床。大型超精密车床。2 2）英国：）英国：19911991研制成功大型超精密机研制成功大型超精密机OAGM2500OAGM2500。3 3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。甚至超过了美国。4 4）中国：）中国：JC
46、SJCS027027超精密车床、超精密车床、JCSJCS031031超精密铣床、超精密铣床、JCSJCS035035超精密车床等。超精密车床等。一、发展概况一、发展概况OAGM2500LODTM二、典型机床简介二、典型机床简介Moore 车床由由Moore 3Moore 3型坐标测量机改型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。防振措施，加强恒温控制等。M-18AGM-18AG型超精密非球面车床，型超精密非球面车床，采用空气静压轴承主轴、采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、双坐标
47、双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。淋机和空气隔振垫支承。二、典型机床简介二、典型机床简介PneumoPneumo 公司的公司的MSG-325MSG-325超精密车床超精密车床 采用采用T T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于跳动均小于等于0.050.05mm。床身溜板用花岗岩制造，导。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01m0.01m的的双坐标精密数控系统驱动，用双坐标精密数控系统驱动，用HP5501AHP5501A
48、双频激光干涉仪双频激光干涉仪精密检测位移。精密检测位移。二、典型机床简介二、典型机床简介大型光学金刚石车床大型光学金刚石车床LODTMLODTM 机床采用立式结构，采用止机床采用立式结构，采用止推轴承，推轴承，7 7路高分辨力双频激光路高分辨力双频激光测量系统，测量系统，4 4路激光检测横梁上路激光检测横梁上溜板的运动，溜板的运动，3 3路激光检测刀架路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机地基周围有防振沟，且整个机床用床用4 4个大空气弹
49、簧支承。个大空气弹簧支承。二、典型机床简介二、典型机床简介OAGM 2500OAGM 2500大型超精密机床大型超精密机床机床的机床的x x和和y y向导轨采用液向导轨采用液体静压，体静压，z z向的磨轴头和向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。测量系统检测运动位置。二、典型机床简介二、典型机床简介AHNIOAHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床型高效专用车削、磨削超精密机床有一个有一个x x和和y y向调整的刀架及作向调整的刀架及作B B轴转动的高精度转台，借助三
50、轴轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架、精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架、设计滑板结构，直线移动分辨力设计滑板结构，直线移动分辨力0.010.01mm，激光测量反馈，定位，激光测量反馈，定位精度全行程精度全行程0.03m0.03m。加工模具形状精度。加工模具形状精度0.05m0.05m，表面粗糙度表面粗糙度0.025m0.025m第第2 2节节 精密主轴部件精密主轴部件一、液体静压轴承主轴一、液体静压轴承主轴主轴回转精度主轴回转精度 回转精度回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴
