超精密加工技术及其发展展望天津大学研究生e.DOC

超精密加工技术及其发展展望 任召伟 天津大学机械学院机械工程专业2011级硕士生 摘要：本文讨论超精密加工技术的内涵和范畴，分析影响超精密加工的主要因素，并指出当前国内外超精密加工技术研究中的一些关键技术和重点，以及我国与国际先进水平的差距和发展展望 关键词：超精密加工 类型 关键技术 展望 概述 按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。加工精度在０．１～１μｍ，加工表面粗糙度在Ｒａ０．０２～０．１μｍ之间的加工方法称为精密加工;由于超精密加工技术不断使用当代必威体育精装版科技成果来提高加工精度，故“超精密”是一个动态发展的概念，随科技的发展而不断更新。目前超精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级(０．１μｍ)，加工表面粗糙度Ra 达到纳米级(Ｒａ０．０１μｍ)的加工技术的总称。目前超精密加工技术在某些应用领域已经延伸到纳米尺度范围，其加工精度已经接近纳米级，表 面粗糙度Ra已经达到0.1 nm 级，并且正向其终极目标—原子级加工精度(超精密加工的极限精度)逼进（按照理论分析，加工切除层的最小极限尺寸为原子直径，如果一层一层地切除原子，被加工表面的尺寸波动范围在0.1～0.2 nm 之间，具有这种特征的表面称为“超光滑表面”）。目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤，包括微裂纹缺陷、残余应力、组织变化等)为目标。 超精密加工技术属于机械制造中的尖端技术，是发展其他高技术的基础和关键，它的发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展,因此世界各国对此都极为重视,投入很大力量进行研究开发。随着航空航天、高精密仪器仪表和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术。我国目前已是一个“制造大国”,但我国还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大的技术差距差距。我国每年大量出口的机电产品多数是技术含量低、价格便宜的中低档产品;而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器。 超精密加工技术 超精密加工目前包括4 个领域：1）.超精密切削加工；2）. 超精密磨削加工；3）. 超精密抛光加工；4）. 超精密特种加工(如电子束、离子束加工、激光、电火花加工)。 超精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术，其加工表面粗糙度Ra 可达到几十纳米，包括超精密车削、镗削、铣削及复合切削(超声波振动车削加工技术等)。 超精密磨削是指以利用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮以及高性能磨床实现材料高效率去除、加工精度达到或高于0.1 μm，加工表面粗糙度Ra0.025 μm 的加工方法，是超精密加工技术中能够兼顾加工精度、表面质量和加工效率的加工手段。 超精密抛光是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液、电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减少或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法，加工精度可达到数纳米，加工表面粗糙度Ra 可达到0.1 nm 级，超精密抛光是目前最主要的终加工手段。抛光过程的材料去除量十分微小，一般在几微米以下。 超精密特种加工是将电、磁、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能结合直接施加在被加工件的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等的非传统超精密加工方法。应用较多的有离子束加工、激光加工、电火花加工。 本文讨论的主要是传统的超精密加工技术。图1 给出了目前各种典型超精密加工方法的加工精度范围。 nm 10-1 100 101 102 103 104 图1 目前各种典型超精密加工方法的加工精度范围 超精密切削技术 超精密切削用刀具材料目前均采用天然单晶金刚石不少国防尖端产品零件(如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等) 都需要利用金刚石超精密切削来加工。在超精密切削技术中，采用微量切削就可以获得光滑而加工变质层较少的表面。最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径越小，则最小切削厚度越小。因此，具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造是实现超精密切削的关键技术之一。 使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm(见图2切屑) 。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在015～0101μm。因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为