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超精密加工、纳米加工和微细加工技术概述 武汉理工大学 机械制造自动化系 王三武副教授 一、制造、机械制造和先进制造技术 制造：利用大自然提供的资源，创造性地运用自然规律和原理，采用相应的技术，通过一定的过程，创造人类所需要的物质产品的活动。这是一种人类改造自然的活动。 制造是人类物质文明和精神文明不断发展的基础。 一个国家的发展水平和国力与他的制造水平密切相关。 人类改造自然需要工具，人类制造活动需要工具，这个工具广义地都可称为机械，那么，制造机械的活动就是机械制造。 机械制造内容（专业的任务）： 1. 组织、操作、管理、控制机械制造过程，高效率地制造机械。——制造自动化 2. 采用工艺方法和设备对机械零件进行加工，高精度地制造机械。——加工工艺及设备 先进制造技术： 1.先进的制造自动化技术： 制造信息自动化技术（SIMS、CAD/CAM、敏捷制造、数字制造、精益制造、虚拟制造、MRPII、…….） 制造物流自动化技术（自动化仓库、物流机器人、自动物流系统，…….） 加工自动化技术（CNC、FMS、…….） 2.先进的加工技术：精密和超精密加工技术、纳米加工技术、微细加工技术 二、超精密加工、纳米加工和微细加工的概念 认识和改造自然的尺度和加工精度光年kmmmmμmnmpm103m10-3m10-6m10-9m10-12m 尺度：一般机械微机械宇宙尺度地球尺度机械尺度分子尺度 原子尺度宇观宏观微观 精度：一般 精密 超精密 纳米 超精密加工：是指加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于0.025μm的加工技术。获得亚微米及加工精度的加工技术。（亚微米级加工）加工精度超越现行精度标准的加工技术。 三、超精密加工和微细加工的应用超精密加工的应用 微细加工及微机械的应用微细加工用于微机械及微结构件的加工，目前，运用微细加工开发的最主要的微机械或微结构有： 微齿轮，微曲轴、微桥、微梁、微连杆、微弹簧等微结构零件， 微传感器、微致动器（电机）、微泵、微陀螺、微机器人等微机械。 日本已运用微部件组装成只有米粒大小的汽车。 德国制成了黄蜂大小的直升机。 四、超精密加工技术 1.超精密加工方法 1.1 超精密切削加工采用金刚石刀具，在超精密机床上，用车（铣）削的加工方法进行加工。主要用于加工铝、铜等有色金属材料的超精密零件。 1.2 超精密磨削加工采用金刚石或立方氮化硼（CBN）砂轮，在超精密磨床上，用磨削的方法进行加工。主要用于加工玻璃、陶瓷等硬脆材料的超精密零件。 1.3 超精密研磨加工 采用细小均匀的研磨剂，施力作用于工件表面并产生平稳的研磨运动，微量除去工件表面材料的加工。 1.4 超精密特种加工 1.4.1 电子束加工 在真空中将阴极不断发射出的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度很高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料融化、汽化，并被真空抽走。 1.4.2 离子束加工 在真空中将离子源产生的离子加速、聚焦，使之撞击工件表面，由于离子带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，因而靠微观的机械撞击能量进行加工。 1.4.3 激光束加工由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能，使材料融化、汽化，并被真空抽走。 1.4.4 微细电火花加工 在绝缘的工作液中，通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来融化和汽化除去金属。通过精密控制单个脉冲放电能量和精密微量进给，就可实现极微细的金属材料的除去。 1.4.5 微细电解加工 导电工作液中，水被离解为氢离子和氢氧根离子，工件为阳极，，其表面的金属原子成为金属正离子融入电解液，被电解下来。且与氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀。超声只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现超精密加工。 1.4.6 复合加工采用几种不同能量形式、不同工艺方法，互相取长补短、以复合作用进行加工。电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、电火花加工等等。 2. 超精密加工关键技术 2.1 超精密机床技术 对超精密机床的要求： 高精度：几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率。 高刚度：静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度 高稳定性：长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐磨性、抗振性、无热变形 高自动化： 2.1.1 高刚度结构技术 2.1.2 精密主轴技术 高精密空气静压轴承主轴回转精度目前达0.03μm高精度液体静压轴承主轴 2.1.3 精密直线导轨 高精密空气静压导轨 高精度液体静压导轨 2.1.4精密进给转动技术 高精密滚珠丝杠（C0级） 液体静压丝杠 气体静压丝杠 摩擦驱动 2.1.5 微进给技术 通常用压电陶