Precision and ultraprecision machining 密离线 姜春晓 2005年8月 2021/2/21
2021/2/21 姜春晓 2005年8月 Precision and ultraprecision machining 精密和超精密加工技术
教材:袁哲俊、王先逵主编 《精密和超精密加工技术》机械工业岀版社 >学时:50 课程安排:机032 >周三上午1、2节 >周五上午3、4节(单周) 参考材料: 1、张建华主编《精密与特种加工技术》 2、於贻琛《精密机床》 2021/2/21
2021/2/21 教材：袁哲俊、王先逵主编 《精密和超精密加工技术》机械工业出版社 ➢ 学时：50 ➢ 课程安排：机032 ➢ 周三上午1、2节 ➢ 周五上午3、4节（单周） 参考材料： 1、张建华主编《精密与特种加工技术》 2、於贻琛《精密机床》
美漫 Lo精密和超精密加工的技术闵涵 精密和趋精密加工技术的地位与作用 。精密和掐精密加工的需范 Lo超精密加工现状及发展趋势 2021/2/21
2021/2/21 1.1 精密和超精密加工的技术内涵 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用 1.3 精密和超精密加工的需求 1.4 超精密加工现状及发展趋势 第1章 精密和超精密加工 技术及其发展
精密和超精密加工的加工范畴 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶 段,通常,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。 精密加工:加工精度在0.1~1μm,加工表面粗糙 度在Ra0.02~01μm之间的加工方法称为精密加工 超精密加工:加工精度高于01μm,加工表面粗糙 度小于Rao01ψm之间的加工方法称为超精密加工( 微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等) 2021/2/21
2021/2/21 精密和超精密加工的加工范畴 ➢精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶 段，通常，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。 ➢精密加工：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； ➢超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙 度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（ 微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 ） 。 1.1 精密和超精密加工的技术内涵
精密和超精密加工方法分类(1) 分类 加工机理 加工方法 化学分解(气体、液体、固体)刻蚀(曝光),化学抛光,软质粒子机械化学抛光 电解(液体) 电解加工,电解抛光 去除加工 蒸发(真空、气体) 电子束加工,激光加工,热射线加工 扩散(固体) 扩散去除加工 熔化(液体) 熔化去除加工 溅射(真空) 粒子束溅射去除加工,等离子体加工 化学附着 化学镀,气相镀 氧化,氮化 电化学附着 电镀、电铸 电化学结合 阳极氧化 结合加工 热附着 蒸镀(真空蒸镀),晶体生长,分子東外延 扩散结合 烧结,掺杂,渗碳 熔化结合 浸镀,熔化镀 物理附着 贱射沉淀,离子沉淀(离子镀) 子溅射注入加工 热表面流动 热流动加工(高频电流、热射流、电子束、激光) 粘滞性流动 液体、气体流动加工(压铸、挤压、喷射、浇铸) 变形加工 摩擦流动 微粒子流动加工
2021/2/21 1.1 精密和超精密加工的技术内涵 精密和超精密加工方法分类（1） 分 类 加工机理 加工方法 去除加工 化学分解（气体、液体、固体） 电解（液体） 蒸发（真空、气体） 扩散（固体） 熔化（液体） 溅射（真空） 刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工 熔化去除加工 粒子束溅射去除加工，等离子体加工 结合加工 化学附着 化学结合 电化学附着 电化学结合 热附着 扩散结合 熔化结合 物理附着 注入 化学镀，气相镀 氧化，氮化 电镀、电铸 阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀） 离子溅射注入加工 变形加工 热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动 热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工
精密和超精密加工方法分类(2) 分类 加工方法 可加工材料 用 等离子体切削 各种材料 熔断钼、钨等高熔点材料,硬质合金 切削加工 微细切削 有色金属及其合金 球,磁盘,反射镜,多面棱镜 微细钻削 低碳钢、铜、铝 油泵油嘴,化学喷丝头,印刷电路板 微细磨 黑色金属、硬脆材 集成电路基片的外圆、平面磨削 研磨 金属、半导体、玻璃 平面、空、外圆加工,硅片基片 磨料加工 抛光 金属、半导体、玻璃平面、空、外圆加工,硅片基片 弹性发射加工 金属、非金属 硅片基片 喷射加工 金属、玻璃、水晶 刻槽,切断,图案成形,破碎 电火花成形加工 导电金属,非金属 孔,沟槽,狭缝,方孔,型腔 电火花切割加工 导电金属 切断,切槽 电解加工 金属,非金属 模具型腔,大空,切槽,成形 超声波加工 硬脆金属,非金属 刻模,落料,切片,打孔,刻槽 特种加工 微波加工 绝缘金属,半导体 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 电子束加工 各种材料 打孔,切割,光刻 粒子束去除加工 各种材料 成形表面,刃磨,割蚀 激光去除加工 各种材料 打孔,切断,划线 光刻加工 金属,非金属,半导体划线,图形成形 电解磨削 各种材料 刃磨,成形,平面,内圆 复合加工 电解抛光 金属,半导体 平面,外圆,型面,细金属丝,槽 化学抛光 金属,半导体
2021/2/21 分 类 加工方法 可加工材料 应 用 切削加工 等离子体切削 微细切削 微细钻削 各种材料 有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝 熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金 球，磁盘，反射镜，多面棱镜 油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板 磨料加工 微细磨削 研磨 抛光 弹性发射加工 喷射加工 黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃 金属、非金属 金属、玻璃、水晶 集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工，硅片基片 平面、空、外圆加工，硅片基片 硅片基片 刻槽，切断，图案成形，破碎 特种加工 电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工 导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体 孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形 复合加工 电解磨削 电解抛光 化学抛光 各种材料 金属，半导体 金属，半导体 刃磨，成形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝，槽 平面 精密和超精密加工方法分类（2）
鸥仞鹛。詹削。爬阋 工具等 加工装置 材料 用途、零件等 金刚石刀具刃口锋 A、Cu、塑料等软质材料磁盘基板 利化 无电解N膜Ge, Si KDP、各种模具 利用CBN刀具切 LiNbO3、玻璃 各种发射镜 面|削钢 红外用光学元件 金刚石刀具得结晶 方位选择 采用空气轴承、流体轴承及 激光核聚变用光学元件 空气道轨等的高精度化 金刚石刀具刃口评 X射线天体望远镜用元件 高刚度化 价改进型SEM 冷却、空调、防振 镜树脂结合剂金刚石 采用高速运算装置控制 铁氧体 磁头 砂轮添加Mo2S 高刚度化的新方案 面磨 精细陶瓷 红外用光学元件 WS2、C等 Tetraforr结构球壳结构 超硬合金 非球面玻璃透镜 铸铁基金刚石砂 轮采用电解腐蚀修整 各种模具 沥青抛光盘、石基于理论分析的平面研磨机水晶Liao3 压电滤波器基片 蜡抛光盘、合成树脂大口径光学元件用研磨机 LiNbO3 SAW元件基片 抛光盘 面|料、易微细化的磨料光么、EM装置 液中研磨 GGG 半导体基片 微细磨料、软质磨浮法 P-MAC抛光|si、GaAs 各种模具 精细陶瓷 软质工具的采用 SOR用X射线光学元件 NC化CAM化 氟化树脂发泡体跑关 激光核聚变用各种光学元 磨|盘、液体工具EEM siC膜 及浮动抛光 玻璃 投影透镜
2021/2/21 工具等 加工装置 材料 用途、零件等 镜 面 切 削 金刚石刀具刃口锋 利化 利用CBN刀具切 削钢 金刚石刀具得结晶 方位选择 金刚石刀具刃口评 价改进型SEM 采用空气轴承、流体轴承及 空气道轨等的高精度化 高刚度化 冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案： Tetraform结构球壳结构 Al、Cu、塑料等软质材料 无电解Ni膜Ge，Si KDP、 LiNbO3、玻璃 磁盘基板 各种模具 各种发射镜 红外用光学元件 激光核聚变用光学元件 X射线天体望远镜用元件 镜 面 磨 削 树脂结合剂金刚石 砂轮添加Mo2S2、 WS2、C等 铸铁基金刚石砂 轮采用电解腐蚀修整 铁氧体 精细陶瓷 超硬合金 Ge、Si 玻璃 磁头 红外用光学元件 非球面玻璃透镜 各种模具 镜 面 研 磨 沥青抛光盘、石 蜡抛光盘、合成树脂 抛光盘 微细磨料、软质磨 料、易微细化的磨料 软质工具的采用： 氟化树脂发泡体跑关 盘、液体工具－EEM 及浮动抛光 基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、EEM装置、 浮法抛光张之、P－MAC抛光 装置 NC化CAM化 水晶LiTaO3 LiNbO3 GGG Si、GaAs 精细陶瓷 CVD SiC膜 玻璃 压电滤波器基片 SAW元件基片 半导体基片 各种模具 SOR用X射线光学元件 激光核聚变用各种光学元 件 投影透镜 精密切削、磨削、研磨实例
l密庭精密加写线的写作 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之 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 平的重要 标 志之一。例如: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,日本声称已达到2nm,而我国尚处 于亚微米水平,相差一个数量级;又如金刚石微 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,突出地解决了超精密磨削磨 料加工效率低的问题 2021/2/21
2021/2/21 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用 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、表面粗糙度、 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。例如：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，日本声称已达到2nm，而我国尚处 于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微 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，突出地解决了超精密磨削磨 料加工效率低的问题
精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场,作为真实产品的实 际制造,必然要靠精密加工和超精密加工技术, 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, 应该说,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。 2021/2/21
2021/2/21 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场，作为真实产品的实 际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术， 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， 应该说，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
o密密写的 国防工业上的需求 超精密加工技术与国防工业关系密切,如陀螺仪的加工涉及 多项超精密加工,导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率, 1kg的陀螺转子,其质量中心偏离其对称轴0.0005μm,则会 引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m,形状精度为0.01μm, 如著名的哈勃太空望远镜,能观察140亿光年的天体(六轴 CNC研磨抛光机)()。 红外线探测器反射镜,其拋物面反射镜形状精度为1μm,表 面粗糙度为Ra0.01ψm,其加工精度直接影响导弹的引爆距离 和命中率。 激光核聚变用的曲面镜,其形状精度小于1μm,表面粗糙度 小于Ra0.01μm,其质量直接影响激光的光源性能。 2021/2/21
2021/2/21 1.3 精密和超精密加工的需求 国防工业上的需求 超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及 多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率， 1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会 引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm， 如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体（六轴 CNC研磨抛光机 ）（图）。 红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表 面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离 和命中率。 激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，表面粗糙度 小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能