精密和超精密加工技术

1《精密和超精密加工技术》学习总结11机械1班2011411011070.引言精密和超精密加工技术不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还影响着国家的机械制造业的国际竞争力，因此，全球各国对此十分重视！本文就从超精密切削、精密和超精密磨削、精密研磨与抛光、精密加工的机床设备和外部支撑环境、微纳加工技术等相关的超精密加工技术进行研究与总结。1.超精密切削超精密切削是国防和尖端技术中的重要部分，受到了各国的重视和发展。一、超精密切削的切削速度选择超精密切削所使用的刀具是天然单晶金刚石刀具，它是目前自然界硬度最高的物质，具有耐磨性好、热传导系数高和有色金属间摩擦系数小。因此，在加工有色金属时，切削温度低，刀具寿命很高，亦可使用1000-2000m/min的高速切削。而这一点（切削速度并不受刀具寿命的制约）是和普通切削规律不同的。超精密切削的速度选择是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性所决定的，即选择振动最小的转速。换而言之，要高效地切削出高质量的加工表面，就应该选择动特性好，振动小条件下最高转速的超精密机床。例如沈阳第一机厂圣工场的SI-255液体静压主轴的超精密车床在700-800r/min时振动最大，故要避开该转速范围，选择低于或者高于该速度范围进行切削，则可得到较好的加工表面。二、超精密切削时刀具的磨损和寿命天然单晶金刚石刀具超精密切削应用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料，比如激光反射镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘等。判断金刚石刀具是否破损或磨损而不能继续使用的标准是根据工件加工的表面粗糙度有无超过规定值。而金刚石刀具的切削路程的长度则是其寿命长短的标志。倘若切削条件正常，刀具的耐用度可达数百千米。但是在实际使用中，金刚石刀具常是达不到这个耐用度，因为加工过程中切削刃会产生微小崩刃而不能继续使用，而这主要是由于切削时的振动或切削刃的碰撞引起的。因此，金刚石2刀具只能使用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，而刀具的维护对机床的要求亦是如此。三、积屑瘤的生成规律对切削力和加工表面粗糙度的影响超精密切削时积屑瘤对切削力的影响与普通切削是不同的。超精密切削产生的积屑瘤高是切削力大，积屑瘤小时切削力小，和普通切削切钢的规律正好相反。加工表面粗糙度则是和积屑瘤的高度直接有关，也就是积屑瘤高度越大，表面粗糙度越大：积屑瘤越小加工表面粗糙度越小。2.精密和超精密磨削精密和超精密磨削加工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，得到高加工精度和小表面粗糙度值。其中加工方式可分为固结磨料和游离磨料，具体分类如下图所示：一、精密磨削加工精度为1-0.1um，表面粗糙度达到Ra0.2-0.025um的磨削方法称为精密磨削。精密磨削主要是靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后，被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨削阶段的作用，获得高精度和小表面粗糙度表面。其工作机理可分为3点：微刃的微切削作用、微刃的等高切削作用和微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。精密磨削时所选择的的砂轮是以易产生和保持微刃及其等高性为原则，而其粒度可分为粗粒度和细粒度。粗粒度是以微刃切削作用为主，细粒度是以摩擦抛光作用为主。砂轮的修整是精密磨削的关键技术之一，修整办法有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等。3二、超精密磨削加工精度达到或高于0.1um，表面粗糙度小于Ra0.025um的磨削方法称为超精密磨削。而镜面磨削是指加工表面粗糙度达到Ra0.02-0.01um，表面光泽如镜的磨削方法，其对加工精度的要求不明确。超精密磨削的特点可归纳为3点：超精密磨床是超精密磨削的关键，超精密磨削是一种超微量切除加工和超精密磨削是一个系统工程。超精密磨床的特点则可归纳为5点：高精度，高刚度，高稳定性，微进给装置和计算机数控。3.精密研磨和抛光研磨与抛光加工是历史最久，应用广泛而又在不断发展的加工方法。在现代信息、光学等领域中，精密研磨与抛光占有必不可少的地位。一、研磨研磨加工是指利用硬度比被加工材料更高的微米级磨粒，在硬质研磨盘作用下产生的微切削和滚轧作用实现被加工表面的微量材料取出，使工件的形状，尺寸精度达到要求值并降低表面粗糙度、减小加工变质层的加工方法。研磨加工机理包括硬脆材料的研磨和金属材料的研磨。前者机理为研磨过程中被加工材料的去除是靠磨粒的滚轧作用或微切作用。后者则是相当于普通切削和磨削的切削深度极小时的状态，但是不同的是其研磨状态是不连续的。二、抛光抛光加工是指利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学加工液、电、磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减小或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法。三、精密研磨抛光新技术精密研磨抛光新技术有无损伤抛光，非接触抛光，界面反应抛光和电磁场辅助抛光等。曲面研磨抛光新技术有磁性磨粒加工、磁流变加工、气囊抛光、应力盘抛光等。4、精密加工的机床设备和外部支撑环境加工精度的要求越高，对机床设备以及外部支撑环境的要求的越高。因为加4工高精度的产品需要高性能的超精密机床设备和苛刻的外部环境。一、机床设备的稳定性精密和超精密机床要求机床机构要有高稳定性，即各部件尺寸稳定性好，刚度高，变形小，结构的抗振减振性能好，才能保证机床的精度。超精密机床切削时要求机床极其平稳，不允许振动，因此要尽量减少机床内部的所有振动。为此应该采取的方法有：a、各运动部件都应该经过精密动平衡，消除或减少机床内部的振源。b、提高机床结构的抗振性。c、在机床机构的易振动部分，人为的加入阻尼，减小振动。d、使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件。对于减少机床外部的振动则要隔离振源，使用隔振沟、隔振墙和空气振垫等。二、外部支撑环境外部支撑环境包括空气环境，热环境，振动环境，声环境等。为实现精密和超精密加工的外部支撑环境，则需要达到以下的目标：a、实现高性能的制造环境空间，它必须满足精密和超精密加工作业的各项严格要求。b、降低环境设施的原始成本和维持运转这些设施的费用，追求经济性。c、确保各项性能指标的稳定性，使作业生产能够连续稳定地进行。d、必须考虑操作者的安全和对周围环境的污染，如噪声、振动和废气等。e、为了适应现代技术的告诉发展，环境设施必须要适应制造工艺不断变化的要求。5.微纳加工技术一、微细加工技术微细加工技术即制造微小尺寸零件的生产加工技术。其与一般尺寸加工的明显不同体现在其精度表示是用尺寸的绝对值，而一般尺寸加工的精度是加工误差和加工尺寸的比值。微细加工的特点：A、微细加工和超微细加工是一个多学科的制造系统工程。B、微细加工和超微细加工是一门多学科的综合高新技术。5C、平面工艺是微细加工的基础。D、微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密。E、微细加工技术和精密加工技术互补。F、微细加工检测一体化。二、纳米技术纳米级0.1-100nm的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术称为纳米技术。纳米级测量技术包括了纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量。该技术的发展主要分为光干涉测量技术和扫描显微测量技术两个方向。而扫描探针测量技术主要有Fabry-Perot标准具的测量技术，X射线干涉测量技术，扫描隧道显微测量技术（STM）和微观表面形貌的寿命探针测量技术等。由于纳米级加工对象是试件表面的一个分子或原子，所以要用扫描探针显微镜（SPM）进行原子操作和加工微结构，原子操作的步骤：A用STM搬迁拖动原子和分子；B.用STM提取去除原子；C.使用STM在试件表面放置增添原子。加工微结构包括使用SPM的探针直接进行雕刻加工微结构，用SPM进行电子束光刻加工，用SPM进行局部阳极氧化法加工微结构，用SPM进行纳米点沉积加工微结构等。6.总结精密和超精密加工技术是衡量一个国家的机械制造业水平的重要标准之一，是现代机械制造业最主要的发展方向之一，在提高国防技术和尖端技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。精密和超精密加工技术在我国正处于快速发展阶段，而这也是很多高新技术在我国发展的一个缩影。伴随着先进设备的引进和大量专业人才的涌入，精密和超精密加工技术乃至是我国的制造业水平将会得到迅速的发展。再加上民主科学的国家政策不断深入，相信我国的超精密技术将会很快进入到国际一流水平的行列。[1]袁哲俊，王先奎.精密和超精密加工工艺技术（第2版本）[M].机械工业出版社，2013.