超精密加工技术

一、概述
精密加工是指加工零件的尺寸尺寸精度在0.1-1μm，加工表面粗糙度为Ra 0.02～0.1μm之间的加工方法。
超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra＜0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，也称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。
1.发展精密和超精密加工技术的重要性
随着科学技术的迅速发展和人民生活以及国防建设的需要，各国都大力发展制造业，尤其是在精密与超精密加工领域竞争更为激烈，因为它在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的位置，导弹的命中精度，主要取决于惯性仪表的精度。制造仪表需采用超精密加工技术和相应的设备。
我国精密与超精密加工技术还很落后，大量的精密产品还需进口，精密和超精密加工目前包含三个领域：
（1）超精密切削，如金刚石刀具切削，可加工各种镜面，它成功的解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。
（2）精密和超精密研磨，例如解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘面等。
（3）精密特种加工，如电子束、离子束加工等。
2.精密与超精密加工技术的现状
3.精密与超精密加工技术的发展展望
超精密加工技术发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键十年
超精密加工的主要发展趋势表现为
（1）向高精度方向发展，由现在的亚微米级向纳米级进军，最终达到“移动原子”的目的,实现原子级加工。
（2）向大型化方向发展，研制各类大型的超精密加工设备，以满足航空、航天、通信和军事的需要。
（3）向微型化方向发展，以适应飞速发展的微机械、集成电路的需要。
（4）超精结构、多功能、光机电一体化、加工检测一体化等方向发展，广泛的采用先进的检测监控技术实时误差补偿。
（5）不断提出一些新工艺和复合加工技术，使加工的材料的范围不断扩大。
超精密加工技术目前研究主要方向有
（1）超精密加工的加工机理。微细加工机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。
（2）超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。
（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。
（4）精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。
（5）超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。
二、超精密切削加工方法
1.超精密加工刀具
人造金刚石刀具具有的显著特点：“高速切削”“硬态加工”“以车代磨”“干式切削”该刀具获国家科学大会奖。是加工各种非金属材料及各种有色金属材料的最佳刀具。
超精密切削加工，刀具应具备如下性能：
1.极高的硬度、耐磨性和弹性模量，以保证刀具足够的寿命和尺寸耐用度。
2.刃口能磨得极其锋锐，刃口半径 值极小，实现微薄切削。
3.刃口无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑表面。
4.和工件材料的抗粘接性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。
天然金刚石具有硬度高、耐磨性和强度高、导热性能好，并且与有色金属摩擦系数低，能磨出极锋锐的刀刃等一系列的优点，因此是目前最理想的超精密切削加工的刀具材料。
天然单晶金刚石多数为8面体或菱形12面体，极少数的6面体，浅色透明，无杂质，无缺陷。通常使用大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=0.2g）。
人造金刚石是采用超高压（500MPa 以上）高温（1300℃ ）下由子晶生长而成。在条件允许的情况下，可以生成大颗粒单晶金刚石，该金刚石具有较高的硬度、良好的导热性、和有色金属摩擦系数小等优点。
2.超精密磨削加工
精密和超精密磨料加工使利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、脆性材料等进行加工，得到高加工精度和地表面粗糙度值。对于有色金属常采用超精密切削加工。
（1）精密和超精密磨削加工方法分类
精密和超精密砂轮磨削、精密和超精密砂带磨削、游离磨粒磨削。
（2）精密磨削机理
精密磨削是指加工精度为1-0.1μm、表面粗糙度达到Ra0.2-0.025μm的磨削方法。又称低粗糙度磨削。
精密磨削机理：主要是依靠精细修整砂轮，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，加上无火化磨削阶段的作用，可获得高精度和地表面粗糙度表面。精密磨削加工主要体现为，微刃的微切削作用，通过微细修整砂轮，是微细磨粒破碎并产生微刃，从而形成低的表面粗糙度。微刃的等高切削作用，砂轮经微细修整后，分布在砂轮表层的统一深度的微刃数量、等高性好，从而使加工表面的粗糙度极小。微刃的滑挤、摩擦、抛光作用，刚开始切削时，微刃较锋锐，切削作用强，随着切削过程的继续，磨粒逐渐出现钝化，但同时，等高性得到改善，此时，切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强，从而使加工表面凸峰辗平，降低表面面粗糙度。
（3）密磨削砂轮选择
精密磨削砂轮选择主要考虑容易产生和保持微刃性和等高性微原则。
磨削刚和铸铁时，采用刚玉磨料较好，因为刚玉磨料刃性较高，能保持微刃性和等高性。而碳化硅磨料韧性差，颗粒呈针片状，很难修整出等高性好的微刃。
砂轮粒度的可选择粗粒度和细粒度两类，粗粒度要细修整，微刃的切削作用是主要的，细粒度砂轮经过精细修整后，半钝态的微刃在适当的压力下与工件表面的摩擦抛光作用强，可得到高的表面质量和砂轮寿命。
结合剂精密磨削砂轮的选择，以树脂为好，加入适当的石墨，可提高摩擦抛光作用。
（4）精密磨削砂轮的修整
（5）精密精密磨削对机床、环境要求
四、超精密加工的机床设备
1．精密主轴部件
精密主轴部件是超精密机床的圆度基准，也是保证机床加工精度的核心。主轴要求达到极高的回转精度，其关键在于所用的精密轴承。早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承，如瑞士Shaublin精密车床，采用滚动轴承，其加工精度可达ban，表面粗糙度R,0．04-0．02pan。制造如此高精度的滚动轴承主轴是极为不易的，希望更进一步提高主轴精度更是困难。目前，超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气静压轴承。
2．精密导轨和床身
床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求。目前，超精密机床床身多采用人造花岗岩材料制造。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，它不仅具有花岗岩材料的尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨且不生锈的特点，又可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性的不足，并加强了对振动的衰减能力。超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的使用。
3．微量进给装置
高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键装置，它对实现超薄切削、高精度尺寸加工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用。目前，高精度微量进给装置分辨率已可达到0．001—O．01／xm。
在超精密加工中，要求微量进给装置满足如下的要求：①精微进给与粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨率和稳定性；②运动部分必须是低摩擦和高稳定性，以便实现很高的重复精度；③末级传动元件必须有很高的刚度，即夹固刀具处必须是高刚度的；④工艺性好，容易制造；⑤应能实现微进给的自动控制，动态性能好。
微量进给装置有机械或液压传动式，弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、压电陶瓷式等多种结构形式。
五、超精密加工的支撑环境
为了适应精密和超精密加工精度的的要求，对精密与超精密加工的支撑环境必须进行严格控制，精密与超精密环境控制包括：空气环境、热环境、振动环境、电磁环境等。
1．洁净的空气环境
2．恒定的温度环境
3.较好的抗振动干扰环境
1．较好的抗振动干扰环境
为保证精密和超精密加工的正常进行，必须采取有效措施以消除振动干扰，其途径包括如下两个方面：
(1)防振；(2)隔振
3.其它环境