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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

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

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