超精密加工技术论文
超精密加工技术论文
精密和超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域，这是学习啦小编为大家整理的超精密加工技术论文，仅供参考!
超精密加工技术论文篇一
超精密加工技术概述
摘要：随着社会的发展，工业产品精细化程度逐步提高 ，传统的机械加工技术已经远远不能满足人们的需求，机械加工向着更高精度的方向发展。本文主要介绍超精密加工技术的产生背景、概念、国内外的发展状况、几种超精密加工技术和对未来超精密加工技术发展的展望。
关键词：超精密加工技术背景概念发展状况发展趋势
中图分类号： U270.6+4文献标识码： A 文章编号：
一.产生的背景
制造技术的发展已经有几千年的历史，石器时代、铜器时代、铁器时代都有着制造技术发展的足迹。直至近代，随着第一次工业革命的完成，传统的机械制造技术出现了，传统的机械加工技术主要包括车削、铣削、钻削和磨削。
随着人类社会的进一步发展，现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航天工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向发展，以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工作。为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务：(1)解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度，高强度、高韧性、高脆性的金属及非加工。(2)解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模等的立体成型表面，各种冲模、冷拔模等特殊断面的型孔，炮管内膛线、喷油嘴，喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。(3)解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、精密光学透镜、激光核聚变用的曲面镜、高灵敏度的红外传感器等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1皮米以上，表面粗糙度尺寸要求在0.01微米以上。(4)特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、复印机和打印机的感光鼓、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。;要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探索新的加工方法。超精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。
二. 基本概念和范围
制造是用物理或化学的方法改变原材料的几何形状、性质和外观，制成零件以及将零件装配成产品的操作过程，通过这样的过程将原材料转变成具有使用价值和更大经济价值的产品。产品在机械制造的过程中会产生一定的误差，主要有(1)的加工机床的运动误差，如导轨误差、主轴回转误差等等;(2)刀具制造误差与磨损;(3)工艺系统受力变形和受热变形。传统的机械加工技术的误差范围较大，而超精密加工技术由于应用了新的加工介质，改变了原有的加工机理，使加工误差大大降低。
超精密加工技术是一种先进的制造技术。超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3～0.03微米，表面粗糙度为Ra0.03～0.005微米)和纳米级(精度误差为0.03微米，表面粗糙度小于 Ra0.005微米)精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精密加工技术。超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刀磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境条件。
人们把这种技术总称为超精工程。超精密加工主要包括三个领域：(1)超精密切削加工，如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。 (2)超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。 (3)超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1微米。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。
三. 国内外发展现状
目前，先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，许多发达国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。
超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、日本和英国等。
美国是开展超精密加工技术最早的国家。早在上世纪五十年代末，由于航天等尖端技术的需要，美国首先发展了结果是刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用的球面和非球面的大型零件等等。如美国的LLL实验室和Y-12工厂在美国能源部的支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM-3型，该机床可加工各种大型光学设备，加工精度可达到形状误差为28nm(半径)，圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。
在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(CUPE)享有较高的声誉，他是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre既可以进行超精密车削，又带有磨头，也可以进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1微米，表面粗糙度Ra小于10nm。
日本对超精密加工技术的研究相对于美国和英国来说起步较晚，但日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本通产省于1986年制订了一个“超尖端加工系统研究开发”的大型计划,该计划1987年1月开始执行,约需8年时间完成，计划总经费为150 到200亿日元。大型计划由二部份组成：高密度、高能量受激射束技术和三维曲面超高性能机械加工技术。为了保证超精密加工技术成为可能,还有二项辅助技术：超精密测量技术和加工环境的控制技术。高密度、高能量射束技术的研究内容,主要有大输出功率长寿命的准分子激器和高能量离子束技术。当准分子激光照射氮、氯等气体时,其分子分解,蒸发到金属、陶瓷、高分子材料等基础材料表面,形成高性能的薄膜。高密度高能量离子束技术是利用非热平衡过程对材料进行选择性极高的处理或高速处理,以达到局部处理的目的。因此, 射束技术的研究, 主要为解决难合成材料和高性能材料的合成, 高品位薄膜的形成,材料表面质量改进等方面的应用。三维曲面超高性能机械加工技术以超精密加工为中心,包括切削、磨削、研磨和利用射束的新型复合加工技术,主要内容是研制超精密机械加工装置。用切削的方法不可能达到原子级的精度, 所以需进一步研究切削机理,发展特种加工技术。机械化学研磨和弹性发射切削加工等方法将从实验室向工业应用发展。
我国目前已是一个"制造大国"，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个"制造强国"，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品;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。由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。
超精密加工技术论文篇二
超精密加工技术浅析
[摘 要] 精密和超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域，而精密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与关键，是衡量一个国家工业水平及科学技术水平的重要标志之一。超精密加工技术的发展促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。
[关键词] 精密和超精密加工技术 半导体 制造技术
1、概述
目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是lμm，与此相应，通常将加工精度在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，而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01pm的加工方法称为超精密加工。
现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要的原因在于:提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性;促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要地位。例如:对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备【1】。例如:美国民兵m型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.03°一0.05°/h，其命中精度的圆概误差为500m，而MX战略导弹(可装载10个核弹头)制导系统陀螺仪比民兵m型导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有50~150m。如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。惯性仪表中有许多零件的制造精度都要求达到小于微米级。例如:激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03一0.06μm，表面粗糙度为0.012pm以下，反射率为99.8%。人造卫星的仪表轴承是真空无润滑的轴承，其孔和轴的表面粗糙度达到Rmax=1nm(0.001协m)，其圆度和圆柱度均以nm为单位。雷达的关键元件波导管，其品质因数与内表面的粗糙度有很大关系。内腔表面粗糙度值越小越好。其端面要求有很小的粗糙度、垂直度、平面度值。采用超精密车削，波导管内腔表面粗糙度可达到Ra0.01一0.02μm或0.01μm，端面粗糙度可达华0.01pm，平面度小于0.1μm，垂直度小于0.1μm，可使波导管的品质因数值达到6000，而用一般方法生产的只能达到2000一4000。红外探测器中接收红外线的反射镜是红外导弹的关键性零件，其加工质量的好坏决定了导弹的命中率。只有采用超精密车削，方能满足上述要求【2】。
又如，己被美国航天飞机送入空间轨道的，用来摄制亿万公里远星球图像的哈勃望远镜(HST)，其一次镜要求使用直径2.4m，重达900kg的大型反光镜，并且具有很高的分辨率。为此，专门研制了超精密加工(形状精度为0.01μ m)光学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机。由于HST计划的实施，大大促进了硬脆材料的超精密加工技术，发展了能反馈加工精度信号的CNC研磨加工技术【3】。从上所述，可以看出只有采用超精密加工技术才能制造精密陀螺仪、精密雷达、超小型电子计算机及其它尖端产品。
2、发展现状
在过去相当的一段时期，精密加工，特别是超精密加工的应用范围很狭窄。近几年来，随着科学技术和人们生活水平的提高，精密和超精密加工不仅进入了国民经济和人民生活的各个领域，而且从单件小批生产方式走向大批量的产品生产。例如:磁带录像机的磁鼓加工精度要求很高，是超精密加工的典型零件，而录像机的产量在1985年已达到3300万台。在机械制造行业，己经改变了过去那种将精密机床放在后方车间，仅用于加工工具，卡具，量具的陈规。现在，工业发达国家已经将精密机床搬到前方车间，直接用于产品零件的加工。
超精密加工走向大批量产品生产的事实使人们不得不正视长期以来一直被忽视的问题:成本和效率，现代超精密加工不仅需要达到极高的加工精度和表面质量，同时应该保证成本低，效率高，成品率高。这对精密和超精密加工提出了更加严格的要求。
我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人手艺，因而废品率极高。例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达23亿多美元(主要是精密机床和数控机床)，相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机床机械和仪器国外还对我们禁运。
3、展望
这些都说明我国必须大力发展精密和超精密加工技术。精密和超精密加工目前包含三个领域:
1)精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面，它成功地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)精密和超精密磨削研磨，例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。
3)精密特种加工，如电子束，离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。
根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，我国应开发超精密技术基础的研究，其主要内容包括以下五个方面：:
1)超精密切削、磨削、研抛的基本理论和工艺;
2)超精密设备的精度，动特性和热稳定性;
3)超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿;
参考文献
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