绩王先
精密加工技术实用手册 主编王先逵 副主编李庆样刘成颖 机械工业出版社
前言 先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独 立自主、繁荣昌盛、经济上持续稳定发展、科学上保持先进的长远大计。精密加工和超精密加 工技术是先进制造技术中最具有实质性的重要组成部分，它是先进制造技术的基础和关键，是 一个国家制造工业水平的重要标志之一。 精密加工和超精密加工从概念上来说具有相对性，它们代表了加工精度发展的不同阶段， 由于生产技术的不断发展，划分的界限将随着历史进程而逐渐向前推移，过去的精密加工对今 天来说已是一般加工，因此，其划分界限是相对的，并且在具体数值上至今没有准确定义。当 前，精密加工是指加工精度为1~0.I4m、表面粗度为R0.1~0.01m的加工技术，超精密 加工是指加工误差小于0.01um,表面粗度小于R0.025um的加工技术，又称之为亚微米级 加工。现在，超精密加工已进入纳米级，称之为纳米加工，并出现了相应的纳米技术。有时又 统称为微米/纳米加工。从精密加工和超精密加工范来看，它应该包括微细加工和超微细加 工、光整加工和精整加工等加工技术。 国外，精密加工和超精密加工技术的发展是从7年代初期开始的，主要集中在美、日、 英等国家，在8年代中期取得了举世嘴目的成果，主要表现在机床、集成电路、仪器仪表和 家用电器等诸方面，出现了美国加利福尼亚大学Lawrence Livemore实验室、英国Cranfield大学 精密工程研究所(CUPE)、日本精密工学会等一些著名研究机构和学术团体。我国的精密加工 和超精密加工技术在7年代后期有了长足进步，80年代中期结合航天、航空工业，电子工业 等需求，出现了一些具有世界水平的超精密机床和部件、集成电路制造设备。很多单位，如哈 尔滨工业大学、清华大学、国防科技大学、航空工业总公司33研究所、中国科学院长春光学 精密机械研究所等，都在进行这一领域的研究。 国内，在精密加工和超精密加工技术的发展过程中，广大从事精密工程的技术人员和高等 工科学校的教师和学生迫切需要一本关于精密和超精密加工的工具书，作为科研和教学工作的 参考。而在1991年由机械工业出版社出版的《机械加工工艺手册》（孟少农主编）中，只有专门 一章论述精密加工及超精密加工。此后，1997年出版的《机械工程手册》（何光远主编）中，没 有单独立章，而是分散在各有关章节内容中。因此，出版一本专门的《精密加工技术实用手册》 是十分必要的。本书的出版将是我国第一部专门的精密加工技术手册。 本手册从1995年开始酥酿，1996年9月确定编写人员，历经三年多才得以完成。全书共 分5篇，它们是：精密切削磨削加工及其机床、精密特种加工、微细加工与微型机械、精密测 量和质量保证、典型精密元件加工。手册在编写过程中，力求贯彻“准确性、先进性、实用 性”的编写原则，使其具有如下特点： 1)内容涵盖面涉及精密加工、超精密加工的各个方面，包括微细加工、纳米加工、微型 机械、微型机械系统等。 2)强调了实用性，手册作为工具书，贵在实用，应有较丰富的资料，以便广大工程技术 人员参考。 3)精密加工和超精密加工正处于不断发展中，近年来，在超精密磨削、磨料加工、精密
V 特种加工、微细加工和搬型机械、纳米加工等方面均有突破性进展，手册在保证基础内容的前 提下，尽量反映先进技术。 4)材料是彩响精密加工和超精密加工的重要因素，但对其系统研究较少，为了反映这方 面的内容，特别编写了精密加工材料一章。 5)贯彻现行国家标准名词术语、代（符）号、量和单位，以满足行业和社会的需求。 6)精密加工和超精密加工是一个系统工程，手册从体系上力求从系统论、信息论、控制 论所形成的系统科学和方法论出发，使之具有科学性。 手册可供广大从事机械制造工程的工程技术人员参考，同时也可作为高等工科院校机械工 程专业师生作为参考书。 手册由清华大学精密仪器与机械学系、材料工程系编写，其中总论、第3章、第6章、第 14章由王先速编写，第1章由程荫编写，第2章、第4章由吴丹写，第5章由刘成颗编 写，第7章、第8章由季勇写，第9、10章由李岩编写，第11章由李庆样编写，第12章由 白立芬编写、第13章由段广洪搞写。会书由王先速教授任主编，李庆祥教授、刘成颗副教授 任制主编。在编写的早期，贾惠波教授、尤政教授参加了大纲的拟订和定稿。在编写过程中得 到了制造工程研究所、精密仪器研究所等单位老师的指导和帮助，在此表示衰心感谢。 由于作者水平所限，书中会有不少错误和不足之处，请读者不吝赐教。 编者 2000年3月于清华
录 前言 2.3量加工理论 总论…… 13精密加工和超精密加工的体系 1精密加工和超精密加工范畴、特 结构 点、分类 3.1糖密加工系统工程……… 1.1精密加工和超精密加工范略……………l 32影响情密加工和超精密加工的因素……15 1.2精密加工和超密加工的特点………l 4精密加工和超精密加工的形成和 13精密加工和超精密加工方法 发展 及其分类 4.1精密加工和超精密加工的形成 精密加工和超精密加工机理及工艺 42精密加工和超密加工的需求………2 则 4.3精密加工和超精密加工的技术地位 21加工概念的扩展 和作用… 22进化加工原则 4精密加工和超精密加工的发晨趋势 和技术前沿 第1篇精密切削、廢削及其机床 第1章精密加工常用材料……………28第2章金刚石刀具超情害车削………6 精密加工对材料的要求 1金刚石刀具超精密车削机理… 1.1精密加工对材料使用性能的妥求… 1.1切削厚度与材料切应力的关系………65 12精密加工对材料工艺性能的要求……2 1.2材料缺陷及其对超精密车测的影响 13精密加工对材料经济性的要求……3 13加工衰面的形成与质量 2达到精密加工材料性能的工 2金刚石刀具的设计和刃磨… 艺措施 21超精密车削对刀具的要求………的 1热处理过程中的组织性能变化 22金刚石的性能 22改善加工性能的热处理 23金刚石的结构…7 23提高力学性能的热处理 24金刚石晶体的面网… 73 24提高耐磨性、谢腐蚀性的表面 25金刚石晶体各晶向的性能 处理技术 26金刚石原料的选取…77 25消除应力、稳定组织的热处理 27金刚石晶体的定向 3精密加工常用金属材料………… 2.8金刚石刀具的设计… 3.1碳京制和合金钢 29金刚石刀具的刃脂…………84 3.2铸铁… 3影响金刚石超精密车削的因素……8 33有色金属 3.1全刚石刀具 4常用非金属材料……… 3.2被加工材料 4.1工程陶瓷 802 33超精密车床 42工程塑料……… 34工作环境 43复合树料… 35测量技术 44其他材料… 金刚石刀具超密车削工艺
4.1刀具的磨损和耐用度… 2.3研具 4.2切削速度的选择 24研磨剂 4.3积屑痼的生成规律 25研腐工艺参数 4.4刀具锋锐度对切削变形和加工表面质量 2.6研磨方法与研磨实例 m 的影响 27研磨的常见故障及排除方法 4.5进给景和修光刃对加工表面粗糙度 3抛光…… 的影响 3.1抛光机理与加工要素 M% 5金刚石刀具超精密车削的应用及其 3.2抛光轮 发展 3.3抛光剂 第3章精密唐削和起精密磨制………98 3.4抛光工艺参数… 1概述…… 3.5影响抛光表面质量的因素………… 精密和超精密磨料加工方法分类……g8 4珩磨… 1.2精密磨削和超精密磨削磨料 原理及工艺特点 1.3精密磨具和超精密屠削磨具 4.2珩磨头 2普通磨料砂轮精密磨削… 4.3工艺参数的选择 21精密磨削及其机理… 44珩磨的切削过程 224 22精密磨削砂轮选择 45珩磨液……… 2.3精密磨床 46特种珩磨工艺 24精密磨削时的砂轮修整 5超精加工…… 25精密磨削时的磨削用量…………122 5.1超精加工原理及特点 26糟密磨削时的砂轮平衡… 52加工机理 3超硬磨料砂轮精密磨削 53超精加工工艺参数与切削液 3.1超硬磨料砂轮磨削特点及应用 54赶精加工头和超精加工油石 206 范图 125 55轮式超精磨 3.2金刚石微粉砂轮精密磨 56无心外圆超精加工 3.3超硬磨料砂轮磨床… 6新型光整加工方法… 3.4超硬磨料砂轮精密磨削工艺……127 6.1机被化学研磨 2l0 3.5超硬磨料砂轮修整… 6.2磁力研磨…… 2 4超精密磨削 63非接触研磨 4.1超精密磨削的概念、特点和应用 64浮动抛光 4.2超精密磨削机理 19 .5水合抛光 …218 4.3超橢密磨床… 第5章超精密加工机床… 44超精密磨削工艺 概述 5精密和超精密砂带磨削 1.1超精密机床发展现状… 5.1砂带磨期方式、特点和应用范图…|43 1.2超精密机床的发展趋势 52砂带磨削加工机理…………1552超精密加工机床的设计 53橢密砂带磨床和砂带磨削头架 21对超精密机床的要求和设计原则… 5.4精密砂带磨削工艺 22超精密机床的分类 第4章光整加工 超精密机床的基本问 光整加工的特点及类型 3超精密机床的基础元部件和结构 研磨… 3.1超精密机床的总体布局 研磨特点和分类………… 3.2精密主轴部件 22研磨机理和运动轨迷… 3.3床身和精密导轨部件…
34微量进给装置 4.52m镜面车床 3.5精密定位检测元件 4.6 LOOM大型光学金刚石车床 4典型超精密机床介绍… 4.7DM3型大型超精密车床 4.1半球车床………………………250 4.8M325型超精密车床 42半壳体车床… 251 4.9oAcM2500大型超精密车床………257 4.3 Moore车床 4.10AHNo型高效专用车削、磨削超 44R-0车床… 精密机床 4.11超精密铣床…… 第2篇精密特种加工 第6章精密特种加工 200 4.7电镀加工 38 1概述… 5电子束加工 1.1特种加工含义 5.1电子束的热效应及其加工 12特种加工方法的种类 5.2电子束的化学效应及其加工…34 1.3特种加工的特点 53电子束加工装量 14特种加工技术的应用范围…2062 54电子束加工的特点及应用… 2电火花加工… 6离子束加工 2.1电火花加工的基本原理、特点 61高子束的力效应及微射现象 62离子束加工方法 22电火花加工的基本规律 6.3高子束加工装置…… 23电火花成形加工设备 64高子束加工的特点及应用 24工具电极 7激光束加工……… 25电火花穿孔成形加工工艺…………28 71激光的产生过程及特性…352 3电火花线切割加工 72激光加工机理…353 31电火花线切割加工原理、分类、特点 73激光加工方法 及应用范围 74激光加工设备… 32电火花线切割加工设备… 75激光加工的特点及应用… 3.3电极丝 8光刻加工… 34电火花线切制工艺… 304 8.1工作原版制作 4电解加工… 308 82光刻 …359 4.]电解加工基本原邃、特点及应用….38 9超声加工 360 4.2电解加工中的基本规律……20 91超声加工的基本原理和特点 4.3电解加工机床 92超声加工设备 44电解质溶液 93超声加工工艺…365 45电解加工工艺方法 94超声加工的应用… 46电解磨削 ……335 第3篇微细加工与微型机梳 第7章微细加工技术… 13加工实例 1半导体徽细加工技术 2LFGA工艺………… .1氧化、杂与沉积 3特种微细加工技术… 1.2刻蚀………… 31徵细电火花加工………
32光成形微细加工… 22微型加速度传感器…………………………387 33其他微细加工方法… 2.3徽型陀螺仪 4粘接装配技术…… 3微型致动器… 4.1粘接技术 3.1微型旋转/角位移致动器 4.2微操作装配技术 3.2微型直线/振动型致动器… 第8章微型机楲与微型机电系统…3834微量流体控制器件与系统 概述 4,1微型阀…… 2微型传感器 4.2微型泵……939 6780 2.1微型压力和流量传感器 4.3微量流体控制系统…… 第4篇精密测量和质量保证 第9章精密测量技术 22外差于涉轮廓测量………… 精密测量原理 …403平面度和表面粗糙度的测量………469 1.1测量的一般概念 31平面度误差的测量和数裾处理 1.2糈密测量原理 3.2表面粗糙度的测量及仪器…… 13制定测量方案时应考虑的 4微细图形尺寸的测量… 若干因素 4.1比较测量 2典型几何量的测量方法与仪器……410 4.2直接测量 “48 2.1常见的几何量测量仪器 5台阶、膜厚的测量及其他…………481 22轴类零件的测鬟 阶测量 23孔类零件的测量 5.2膜层厚度测量 24锥度测量……………………417第11章微位移技术… 490 25螺旋线的测量 1概述 2.6渐开线的测量 419 11微位移机构的分类…… 3典型物理量的精密测量方法 1.2微位移系统的应用 与仪器 2微位移机构的原理… 3.1常用的力学性能测试 21压电、电致伸缩器件 3.2振动性能检测 2.2电磁驱动器件…… 4精密测量的精度分析 23电热式教位移机构… 4.1测量误差的来源分析 2.4机被式礅位移机构 4.2评定测量精度的两个综合性指标……4 3柔性饺链 43精密测量中的误差理论 3.1柔性铰链的类型及特点 5典型精密测量系统简介……………4 32柔性较链的设计… S07 5.1双频激光外差干涉仪及应用… 4精密微动工作台的设计及其特 52圆度仪及圆度测量 性分析 53坐标测量机 41精密微动工作台的设计要求 5/4 54莫尔条纹技术 4.2精密微动工作台设计中的几个 第10章微尺寸测量技术 问题 1微小尺寸测量的概念和特点……45 43精密微动工作台的设计 2微位移的测量… 5常用的微动工作台简介 523 21光干涉法微位移的测量 5.1柔性支承一压电或电致伸缩微位移驱
动器驱动的微动工作台 42机床热误差的测量与补偿…… 52平行弹簧导轨 526第13章精密和超精密加工的 53滚动导轨一压电器件驱动 支持环境…… 54气浮导轨 529 ↓空气的环境和热环境……589 第12章误差的在线检测与 1.1空气环境………… 补偿技术… 1.2热环境………… 1概述 13沽净室 1.1先进制造技术及其发展…… 4分层次的局部环境 12先进制造系统中的质量监控技术……52 2振动环境 1.3影响加工精度的因素 21振动干扰的影响… 1.4保亚加工糟度的途径…………535 2.2振动干扰的消除 2误差检测技术 23隔振器的隔振原理 2.1误差检测技术简述 24隔振元器件 22位移量的检测………… 3噪声环境 23机械加工振动及其检测方法 3]噪声及其影响 3误差补偿技术………………565 32噪声源 3.1几何误差的补偿 噪声控制 3.2热误差的补偿… 其他环境 机床误差的其他补偿方法 4.1光环境 在线检测与补偿系统举例………5834.2静电环境 4.!阿贝误差实时修正系统 精密和超精密加工的环境设施 第5篇典型精密元件加工 第14章精密基准件加工 22精密分度板的加工工艺 精密平板和直角尺加工 2.3精密分度方法 精密平板的加工 3精密球加工… 1.2精密直角尺的加工 3.1球面研磨原理 2精密分度板(盘)加工 3.2四轴自动球面研磨原理 21精密分度板的技术要求 参考文献…
总论 1精密加工和超精密加工范疇、特点、分类 1.1精密加工和超精密加工范畴 制造技术的发展已有几千年的历史,从石器时代、铜器时代、铁器时代到现代的高分子塑 料时代;从手工制作、机器制作到现代的智能控制自动化制作;同时,从一般糟度加工、精密 加工到超精密加工,现在已达到广为流传的纳米加工境界,并逐渐接近加工精度和表面质量的 极限,代表了当前先进制造技术的一个重要方面。因此,精密加工和超精密加工代表了加工精 度发展的不同阶段,由于生产制造技术的不断发展,划分的界限将随着历史进程而逐渐向前推 移,过去的精密加工对今天来说已是一般加工,其划分的界限是相对的,并且在具体的精度数 值上至今没有确切的定义。 当前,精密加工是指加工精度为1~0.1pm、表面粗糙度为R01-001pm的加工技术, 超精密加工是指加工误差小于01m,表面粗糙度小于Ra02-m的加工技术,又称之为亚微 米级加工。但是,目前超精密加工已进入纳米级,并称之为纳米加工及相应的纳米技术 从精密加工和超精密加工的范畴来看,它应该包括微细加工和超微细加工、光整加工和精 整加工等加工技术 微细加工和超微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术,它们是针对集成电路的制 造要求而提出的,由于尺寸微小,其精度是用切屑的大小来表示的,而不是像一般尺寸那样, 用所加工尺寸与尺寸误差的值来表示。 光整加工技术,一般是指降低表面粗糙度值和提高表面层力学及机械性质的加工方法,不 强调加工精度的提高。近年来,提出了相对应的精整加工概念,强调了精度和表面质量两个方 整加工和精整加工的概念上来说,含有毛刺加工方面。 1.2精密加工和超精密加工的特点 精密加工和超精密加工处于发晨中,当前有以下几个特点。 (1)形成了系统工程精密加工和超精密加工是一门多学科的综合高级技术,要达到高糟 度和高表面质量,不仅要考虑加工方法本身,而且涉及被加工材料、加工设备及工艺装备、检 测方法、工作环境和人的技艺水平等。因此,孤立的加工方法是不能达到预定的效果的,必须 有综合技术和条件的支持,从而形成了精密加工系统工程。精巒加工技术与系统论、方法论、 计算机技术、信息技术、传感器技术、数字控制技术的结合,更促成了精密加工系统工程的形 成。在研究精密加工和超精密加工理论和表面形成机理、建立数学模型的同时,还要研究各项 相关技术。 (2)精密加工和超精密加工与微细加工和超微细加工关系密切微细加工和超微细加工是 指制造微小尺寸零件和超微小尺寸零件的生产加工技术。微细加工和超微细加工的出现和发展 与集成电路密切相关,集成电路要求在微小面积的半导体材料芯片上制造出更多的元件,形成