超精加工方法和应用与技术进展(金属加工课件).docx

摘要：详细介绍了超精加工的原理和方.法。通过对油石、工艺参数和切削液的正确选择，快速降低加工表面的表面粗糙度值，消除磨削缺陷，提高工件使用寿命。I序言超精加工是一种对工件表面光整和粘整的加工方法。它可以在很短的时间内，将工件从一般磨削后的表面粗糙度值Ra=O204m,降低到Ra=O.OI2一0050m,消除磨削中的缺陷和变质层，使工件的使用寿命提高几倍，因而广泛应用丁各种材料和精密零件的最终加工中。2超精加工的照理和特点2.1 超精加工的原理超精加工是采用磨料为微粉的油石，在定的压力作用下，以短行程的往复运动，对工件表面进行微量磨削，如图1所示，其中F为压力，A为油石振幅，图I超精加工工作原理超精加工广泛应用于内燃机曲轴、凸轮轴、刀具、轧混、轴承滚道和滚了、精密量具及电子仪器等精密零件的加工，能对钢、铸铁,磷青铜、铝、玻璃、花岗岩、硅和错等材料进行加工，能加工外圆、内圆、平面、球面、圆弧面和特殊轮廓面。2.2 超精加工的特点与磨削加工相比，超精加工具有以下特点：超精加工能显著提高工件表面质量，可使工件的使用寿命提裔5倍左右。超精加工后的工件在装配运转后噪声大幅减小，振动减小，运转平稳。磨削加工去除余量为0.01mm左右，而超精加工去除余量为0.00Imm以下，尺寸分散度小J1.稳定。磨削加工的工件表面有微观尖峰，加工纹理为直纹（见图2a）,当工件运转时，难存润滑油，还会产生烧伤。而超精加工表面没有尖峰，加工纹理为交叉网纹（见图2b）,易存润滑油和形成润滑膜，工件不易磨损。超精加工时间短，只需几秒到十几秒，加工效率是高精度镜而磨削的几十倍。超精加工所用设备简单，易于实现自动化和标准化，表面粗糙度值Ra可达0.（X）6-0.05n.a）磨削表面有微观尖峰且加工SC理为直蚊润滑油磨削我而超精表而b）超精表面无尖峰且加工蚊理为交叉网纹图2磨削表面与超精加工表而的比较3超精加工方法超精加工各种工件内外表面，工件在夹具中的定心方式可分为无定心和有定心两种。根据进给方式可分为轴向进给、切入进给和圆周进给。3.1超精加工外圆图3a所示为加工小直径圆柱体外圆，工件在导辑上旋转并做轴向进给运动,导轮近似双曲线体且较长，无级变速传动。图3b所示也是加工圆柱体外圆，工件在圆柱导混上旋转，无轴向进给，可加工阶梯轴和大直径工件。图女、3d所示分别为采用轴向进给和双顶尖定位，加工较长、直径较大的圆柱体和圆锥体工件。图4a所示为采用切入式加工轴承内环滚道，工件采用有心和无心夹具夹持。为使滚道中部截面壁微凸14m把油石修成中凹形状.图4b所示为采用轴向进给、两端停留来加工大型轴承凸形圆锥滚道。为了使油石在两端略做停留，一般超精头采用凸轮机构。图4c所示为加工轴承球形滚珠滚道，工件用有心或无心夹具夹持，工件旋转，油石摆动并加印。图4中f为油石振动频率，A为振幅，P为油石压力。b）大型轴承凸形【网锥滚道加工如图5所示，超精加工球面时，油石和工件旋转，油石在旋转中摆动.为了便于冷却和润滑，在油石工作面开有窄槽。a）外球面加工b）内球面加工图5超精加工球面3.4超精加工平面图6a所示为超精加工矩形平面,根据工件宽度和长度，可采用切入式或轴向进给式加工。图6b所示为超精加工圆形平面，工件旋转，油石振动，油石的长度必须超过工件半径，而且偏离工件中心。图6c所示为采用圆柱油石超精加工环形平面，工件旋转，油石除旋转外还做径向振动。图6d所示为超精加工滚轮湍面，因在径向方向的各点切削速度不同，为J'达到相同的磨除量，应把油石做成外缘窄、内缘宽的形状。a）矩形平面b）圆形平面C）环形平面d）滚轮端面图6超粘加工平面要实现超精加工，除工件的合理运动外，就是依靠油石在超精头上的振动。可实现振动的机构很多，常用的仃气动振动超精头和机械振动超精头，其振动频率f可达100o3（XX）次min,振动行程A为16mm.4超精油石的选择超精加工用的油石与一股油石不同，要求油石粒度和硬度均匀、稳定，自锐性好。<1）油石磨料白刚玉（WA）常用于粗超精加工及半超精加工抗拉强度较高的碳钢、合金钢、工具钢和淬火钢：绿碳化硅（Ge）常用于精超精加工硬脆材料，如硬质合金、铸铁、有色金属、玻璃和玛瑙等：立方碳化硅（SC）的脆性比碳化硅低，性能比碳化硅优越,可代替碳化硅用于超精加工：人造金刚石（D）主耍用于哽明合金、玻璃、陶凭、半导体和石材等硬度较高的材料加工：立方碳化硼（CBN）的脆性比碳化硅低，硬度仅次于金刚石，比较锋利，超精加工时发热量少，加工效率高，油行寿命长，主要用于难加工材料，用于一般材料也很好；氧化倍硬度低，切削性能弱，但光整性能好，主要用于要求表面粗糙度值极低的表面“（2）油石粒度磨料粒度是根据工件表面粗糙度值和加工效率要求来选择的。超精油石的粒度一般为W5W28.工件表面粗糙度值的大小与解料粒度大小成正比，粒度粗则加工效率高，反之则低。粒度为W20-W28时，表面粗糙度值Ra可达0.10.2m:粒度为V5WI0时，表面粗糙度值Ra可达0.012-0.025mt.（3）油石结合剂常用的油石结合剂有树脂或石墨。（4）油石的硬度当工件材料硬，油石与工件接触而积大时.，油石应软些，反之则硬一些。（5）油石的组织超精油石应选用912号疏松组织.油石的气孔率宜为43%49%,以便容纳切屑、脏物和涧滑油。（6）油石的处理超精油石在烧结后必须经过处理，以达到自锐、耐用和润滑的目的。处理时渗蜡、硬脂酸或破横，方法是将其中一种加热熔化，把油石放入其中一定的时间，取出冷却即可。当油石硬度过高、自锐性差时，可将油石放入3%氢氧化钾溶液中煮一定时间，使油石硬度卜.降到所需值后，放入流动热水漂洗，消除氮氧化钾后，再用清水煮1.2h,即可使用。5超精加工工艺参数（I）超精加工余量在保证前工序缺陷能去除的基础上，余量越小磔好。前工序表面粗糙度值Ra达到0.8m时，在直径上的余量为0.010.02mm：前工序表面粗糙度值Ra达到0.204m时，取余量为0.（）（）3-0.0Imnu（2）油石压力一般取203（）MPacm2.粗超精加工取大值，精超精加工取小值。(3)纵向进给速度一般V7mmin,短件为1.0-1.5nmin.(4)油石振动频率f和振幅A般振动频率f=3003(XX)次min,振幅A=1.6nm°(5)工件速度粗超精加工时vc=4-1.5mmin.精超精加工时vc=1.5一30mmin6超精加工用切削液超精加工应采用切削液，并耍求黏度低一些，以利丁清洗、润滑和排除切屑.一般采用80%煤油+20%机械油。还可以采用含S、P,C1.极压添加剂的油类切削液。精加工铝和轴承钢时，也可以全部采用煤油。切削液必须经过严格过港，以保持清洁。实践证明，超精加工是一种快捷有效的光整加工方法，运用面广，实用性强.可用于磨削后的工件表面和各种精密零件内外表面的最终加工。本文介绍了超精加工的原理和方法，正确选择油石、工艺参数和切削液，可快速消除磨削缺陷，降低表面粗糙度值，并使超精加工后的工件表面形成有利于存留涧滑液的网状纹理，提育使用寿命.，附相关参考资料：超精密加工方法根据被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工工艺方法主要分三大类：切削加工法、磨削加工(含研、抛法和电物理加工法。切削加工法切削加工法主要是采用优质的天然金刚石作刀具的切削刃，对有色金属、坡璃或陶瓷工件进行车削和铳削加工，可以加工端面、球面和抛物面等曲面。超精密车削加工中，金刚石刀具的刃磨是关键。刀尖的圆弧半径应为被加工表面要求值的五分之一左右，一般yc小IOnm,用铸铁研具进行研抛时，可获得c=35nm,再小的YC值则要用离子束加工来获得。实践证明，采用这样的刀具，便于切削速度在很大(V=12O36OOmmin)的范围内变化，而不影响被加工表面的粗糙度值。常选的切削用量是：加工有色金属时V=1204000Hmin,加工玻璃或陶遵时V=I51.20mmin:根据刀尖圆弧末径YC值的不同，进给量可在O.IIOm'r的范围内选取，切削深度则为1.=0.05-0.1mt在用雾化酒精或温度可控的矿物涧滑油冷却的情况下，高质量的单品金刚石刀具的耐用度(用一次刃磨彼切刃可以有效地进行切削的长度来衡量)可达1500km,切削加工法所能达到的最高水平：面形精度为O.O25m,表面粗植度为Ra=2-4nm1磨削加工法磨削加工法是采用精细磨粒的砂轮或砂带进行磨削和研、抛的加工。此法多用于硬度较高的黑色金属材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金属材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面一一平面、圆柱面、球面和非球面。圆柱形铺面通常用磨削方法加工，磨削速度选V=2535ms,粗磨时t=O.O2O.O7mm,精磨时t=3-IOm:当用油石研、抛时,V=IO50mmin,材料的去除速度为Om1.mmin,超精磨削可达到OO1.pm的圆度和Ra0.002m的表面粗糙度。球形能面研'她时要求研具保持在被加工表面的法向上，有两种保证方法：一是通过研具（I）本身的自定位机构来达到：二是通过采用数控系统使研磨头帧斜一力向来实现。球形镜面的磨抛加工法是建立在借助激光干涉仪进行表面的误差测量的基刚上。测量时，激光干涉仪沿X和Y坐标移动，或沿X.Y中之一的方向移动和工作台转动，镜面误差的测量结果被记录在模拟量或数字量的记忆装置中，然接进行处理。根据来自数控系统的指令躲头（研具）被移动到标有对给定面形误差最大的偏差处并磨除材料。之接表面被型新检测和重笈加工工序。就这样以逐步趋近的方法去达到所要求的面形精度。平面形镜面的加工主要采用磨削和研抛工艺方法来加工，目前此法所能达到的最高平面度<0.2mT0Omm,表面粗糙度Ra<1.nnio电物理加工法电物理加工的方法有多种，其中获得最广泛应用的是电磨料抛光和离子束表面加工。前者的实质是使电解加工过程中所产生并留下的氧化膜由磨料从被加工衣面上去掉以获得镜面：接者则是借助离子发牛器射出的离子束对表面进行研、抛。离子束表面加工法如图3所示：经过预磨削加工的工件被放置入真空度保持在1.33XO-3Pa的真空室中,离子发生器射出的离子束以高达30K电子伏的强度作用在被加工的表面上，并以1.m-5mh的速率去除表层材料，从而达到IOnm乃至更高的形状精度。在工作过程中，离子发生器射出的离子束打在工件上的强度和加工过程均由计算机及程序软件来实现，而根据激光干涉仪对被加工表面形状的检测结果，借助驱动装置来调节光栏（掩盖物）改变离子束强度，通过控制潜控制离子发生器，通过驱装置和控制工件位置，并由传感罂来测量和控制真空室中的温度，使之保持恒定。除上述方法之外，还有其他的超精密豆合加工方法，如电火花成形加工筱继而采用的流体抛光法、电化学抛光法、超声化学抛光怯、动力悬浮研磨法、磁流体研磨法以及采用E1.1.D技术的磨削法等。采用E1.1.D技术进行光学玻璃非球面透镜加工时面形精度可达0.2m,表面粗糙度则达Ra=20nn超精密加工机床的设计与制造超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保IIM精密加工工艺和目标的实现。因此，超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是：消除或减少机床上的热源和振源；提高机床的结构刚度和几何精度：减少机床的变形（含温度变形和力变形）对机床加工精度的膨响等。超精密加工技术发展介绍以半导体、传感器、新材料、光学电子器件、计算机等为代表的高新技术领域，是推动我国制造业转型升级的主要力量，也是世界产业变革引领发展的重要趋势；而在这些领域，由于我关键零部件需要适应特殊的应用场景，因而对其尺寸精度、表面质量等有极为严格的要求、产品结构相对复杂、表面材质的特殊性等方面，对其加工制造技术提出了极为严苛的要求。如航空航天领域的高精度陀螺仪浮球、R星观测用平面反射镜，红外发射镜及其他光学元件，民用领域中计算机磁盘、磁头等关键零部件对精度要求卜分严格，如表1所示。储域应用器惘和精度要求航空及航天1i精度陀螺仪浮球:球度(Q2-Q5)m表血机MKRQ.Ipa2气浮陀螺和外电陀库的内支撑面：球度g505)ra.尺寸精度a6f>n.表面粗标度Ra(Q025-a012)n.3卫星观测用干面反射摘:平囱度Q3”b.反射率殁&.表面粗福度RaaoI印a4雷达波蜂箭：内&面M1.糙度Rag(HQ02)rm.平面度和垂皮度(1-a2)*>.5航空仪衣轴承孔.轴的&面粗幅度Ra(Q01.a02)m.光学1红外反出接：衣面粗标度Ra(a1.Q02)s.2激九MV反射幢；3H它光平元件：衣面粗3度Ramo1.O102)Mm.民用1计算机磁戊：If面度(Q1.O1.&面粗IS度Rago)-O.05)j*n.2磁头：平面度0.4”&面粗Ia度Raainm.尺tm±2*三.3注球面限料帔成型模：形状精度a-Q3),，*AifrI用幅僧RaS05，E表1超精密切削加工应用领域I采用传统的加工方式，较难实现超高精度要求，因此一种将机械技术发展的新成果与现代电子、传感、光学及微型计算机等相融合的超精密加工技术应运而生.，可以有效解决上述难题，在国防和国民经济建设中发挥着至关重要的作用。基于此，我国在基础重大专项技术攻关及国家制造业创新中心“高档数控机床''领域特将超精密加工技术作为急需突破的关键技术。一、超精密加工技术分类超精密技术是相对精密加工而言，在精度量级上，i般的精密加工的精度为10.1Hm,表面粗糙度为0.10.025um；而超精密加工精度可在OJUm以内，表面粗糙度在OO25Um以内，随着技术的发展，目前超精密加工已进入纳米级，超精密加工技术，按加工方式可分为超精密车削技术、超精密铳削技术、超精密磨削技术、表面镜面抛光技术和超精物特种加工技术，对应的现阶段加工方式的精度范围,如图2所示。nm(,IO0IO1id2IO3IO4普通磨削1.超精宣磨型II1.<f1.将密切削密抛光1图2现阶段超粘密加工方法的精度范用对某些典型零部件进行超精密加工时，有时会将此零部件名称维独提出来，作为该类零部件超精密加工的类技术总称,例如大型光学非球面零件超精密加工技术，涵盖/超精密加工技术领域的多项技术工艺。二、超精密加工技术的发展阶段20世纪50年代至80年代，超精密加工主要用于航天、天文等领域，实现对球而、非球面大型零件的制造，在此期间，美国率先开展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术.20世纪80年代至90年代，超精密加工开始进入民用产品相关制造环节。美国的摩尔公司，日本的东芝和日立，以及欧洲的克兰都尔德等公司将此技术用于民用精密光学镜头的制造。在此期间，单超精密加工设备由于数量仃限，售价较而，主要以厂家单件定制的形式为主，规模化有限.IrtJHt.可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床，也相继出现，但其加工效率有限。20世纪90年代后，超精密加工技术已广泛应用于民用产品的生产。在汽车、能源、信息、光电和通信等产业需求端的带动下，超精密加工技术广泛应用于非球面光学镀片、超精密模具、半导体基片等零件加工.超精密加工设备也实现r规模化，价格大幅下降，已发展成为制造中常见的生产设备，同时，其核心结构部件精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统等技术不断升级，也促进了超精密加工设备性能提升。纳米级超精密加工技术2旭纪90年度后20世纪80年代至90年代超精密金刚石磨削技术20世纪50年代28阵代单点金刚石切削此外，设备精度逐渐接近纳米级水平、可加工工件的范围变得更大、更广，随着数控技术的发展，超精密五轴铳削和飞切技术可实现对非轴对称非球面等麓杂零件制造。超精密五轴铳削和飞切技术图3超精密加工技术发屣阶段梳理三、超精密加工影响因素分析加工工件的技术匹配性是影响其加工痂星的重要影响因素，采用超精密加工技术，所达到的工件精度等级和表面质量，受下列因素影响：K被加工材料合理选用原则由于超精密加工精细化程度很高，对于其所加工的零件、材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能等均有严格要求，在实际加工中应重点分析。例如作为超精密车削中广泛使用的金刚石刀具材料，在切削带有Fe、Ni,Co等过渡金底材料时，会发生较为严夷化学磨损，如图4所示。因此上述材料的加工，应考虑在刀具表面涂覆或合涂层或选用其他材质的刀具进行上述切削。图4超精密车削中金刚石刀具与材料可加工性梳理2、加工设备及其关键零部件性能影响对于超精密加工技术，相比于传统机床加工而言，对加工设备的精度，刚度，稳定性，自动化程度提出了更高的要求。由于加工设备的质晶与其关键零部件的质量密切相关，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等的脑量，会时机床的整体加工精度产生影响。此外，夹具、辅具等对于面精度、富刚度和高稳定性也有相应的要求。3、切削刀具的匹配性由丁刀具将直接作用了工件表面，将直接影响加工质量，例如，选用金刚石刀具进行超精密切削时，刀具的刃口钝圆半径应达到24nm,同时应注意刃U钝国半径与切削厚度之间的关系：若切厚为IOnm,则刃口钝圆半径应调整为2nno如采用金刚石微粉砂轮进行超精密磨削时，这种砂轮将涉及磨料粒度、粘接剂、修整等问题“通常，采用粒度为W0.5W20的微粉金刚石，粘接剂应采用树脂、铜、纤维铸铁等。4、精密检测与误差补偿工件表面的加工质量是判断超精密加工优劣的重要评判指标，需要采用相关检测设备对加工工件表面数据进行提取：（1）在尺寸和形位精度检测方面，通常使用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。2）在表面粗粒度检测方面，以电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量为主，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量。（3）在表面应力、表面变质乂深度、表面微裂纹等缺陷方面的检测,可用X光衍射法、激光干涉法等来测量，通过离线的、在位的和在线的三种方式进行检测，目前多以在线检测为主。采用超精密加工工艺的工件，在加工过程中发生的点加工误差，都将影响其制造精度，对误差修正可以从两方面入手：（1）从加工源头降低误差产生，比如通过提而机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响。(2)从误差补偿角度，对产生的误差进行修正，可利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。5、加工环境适应性超精密加工技术会时加工环境要求得更加苛刻，需要所处的加工环境保持超稳定状态，即做到恒温、防振、超净和恒湿四方面。环境温度可根据加工要求国外通用来看，一般控制在±1C±OQTC,有时要求会比较高，需达到±O(XX)5C.超精密加工所在的恒温室内，湿度一般应保持在55%60%,防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求100O100级(100级是指每立方英尺空气中所含>0.5Um的尘埃不超过100个)。四、超精密加工关键技术超精密加工时，零部件加工精度会受到上述提到因素的影响，解决上述因素所带来的难点，会涉及到超精密加工中关送技术的研究，而这些关键技术时于超精密加工的发展具有深远意义，下面将重点进行分析。1、超精密机床核心部件在提高楮度的基础上，通过高速切削提升效率，采用先进数控技术提裔其自动化水平，是超精密加工不断追求的目标。超精密机床作为超精密加工技术实现的基触，其性能的优劣也直接影响着加工精度，而超精密机床性能的体现是个系统性的工程，主要涉及主轴、导轨、进给机构和隔振部件等关键部件0(1)主轴主轴在加工过程中带动工件或者刀具做旋转运动，其旋转精度直接影晌到工件的加工精度。主轴要达到极高的回转精度，转动平稳，无振动，精密轴承至美重要.目前采用轴承主要是解压空气轴承，它具有旋转精度高、低发热和低噪声的优点。围绕精密轴承与主轴的适配效应为整体考量，在超精密气浮轴系设计中，为了提高气浮轴系的承载能力,其动静刚度和明尼是关键的设计指标。德国Kug1.er公司开发/半球型气浮主轴，刚度高达35ONum31用水蹂体增加止推气垫刚度的研究也正在进行中，气磁轴承和加开嵬空负压槽的久空吸附加强型气浮轴承相似，这种综合轴承在一定程度可改善气浮釉承的动态特性。荷兰EindhoVen科技大学研制的薄膜结构被动补偿气浮轴承踊刚度，动刚度得到大幅提升。WisconsonMadison大学开发的多孔材料是用氧化铝和二氧化钛粉末通过特殊工艺制成的复合陶瓷材料，这些新材料都在一定程度上提裔了气浮轴承的刚度。围绕动态刚性及轴系回旋精度的更高要求，近年来磁悬浮轴承技术在回转精度方面不断提升，将磁悬浮轴系与气浮轴系的宏合将成为技术的研究重点。(2)直线导轨考虑到超精密加工的负荷不大，空气导轨具有精度高、清洁、无需控制油温等优点，是超精物加工机床主要采用的导矶。目前空气导轨的直线度可达0.1-0.2Um250mm,美国1.1.N1.研制的1.oDTM采用的高压液体静反导轨，直线度误差小于0.025unV100omm>(国内，303所直线度误差控制在().1M而200mm：国防科技大学采用二维微进给装冏补偿导轨直线度，可补偿到04um,300mm;哈工大研制的亚微米超精密加工机床选用的空气直线导矶，其直线度可达(01.-02)w'250mnu通过补偿技术，对下直线导轨的性能仍有提升空间，具体可通过导轨的结构设计来提高直线度或采用补偿技术来减小直线度误差来实现。对于超精密机床来说，i股采用液体静压或气体静压导轨，且多数为平面导轨结构。导轨部件所用的材料一股为花岗岩、皿化钢和陶瓷等。（3）进给机构进给机构对于零件表面加工质量有重要的影响，精密滚珠丝杠是超精机床日前采用的骈动方法，但丝杠的安装误差、丝杆本身的畤曲、滚珠的跳动及制造上的误差、螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响。通常超精密传动机构应特殊设计，例如丝杠螺母与气浮平台的联接器是高轴向刚度，水平、垂直、俯仰和偏转四自由度无约束机构，电机与丝杠的联接器采用纯拉矩、无反转间隙的联接器组成。气浮纹杠和磁浮丝杠可进步减小滚珠丝杠的跳动误差和因摩擦和反向问隙引入控制系统的非线性环节.如俄罗斯研制气浮磁浮丝，丝杠直径62mm,螺距和螺纹齿高4mm,丝扣宽度Imm,间隙W=Om,承我能力和静刚度分别为700N、75m,气浮平台联合使用时驱动装置的分辨率为0.01Um。随着直线电机技术的发展，其能够承受较大的加速度，能够适用于更高速度及更高精度的加工场景，直线电机的主耍供应商Indramat发布j'在超精密机床中其直线电机传动定位精度为0.04um,分辨率为OQ1.nm,由于直线电机采用无机械减速系统的直接骈动方式，电机的特性对运动平台的动态特性影响极大，对其控制技术是其新的研究方向|4|。（4）隔振部件超精密加工需要考虑隔振因素，当被加工零部件处于较强的外部环境噪声时，其加工精度很难满足超精密加工要求。隔振环节往往和机床联系在一起，通过定的隔振部件进行工作。目前，国内外超精密加工机床中，多以空气弹箭隔振系统为主,取得了很好的效果，弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远窗环境干扰频率，提高隔振效果。例如，1.ODTM大量超精密机床，如图5所示，除使用空气用黄外，机床本身放置在带隔振沟的地基上，安装在具有双层隔墙的独立房间,可以有效减少向波振动.图51.ODTM大型超精密机床哈工大的亚微米超精物加工机床采用了以空气冲赞为隔振元件的被动隔振，并供电磁作动罂为隔振元件的生动隔振系统，由于被动隔振系统具有低通波波特性，而主动隔振系统具有高通波波特性,这种更合隔振器取得J'良好的隔振效果。目前采用的隔振系统有压电作动器隔振系统、空气用簧，这些减振部件都是被动振动控制，难以满足更高精度的要求，因此，未来对于机床的推动将采取以生动控制技术为主，基于被动隔振系统的优势，与主动控制隔振系统更合，是隔振系统的主要发展方向.2,超精密加工刀具技术超精密加工由于工件侦量要求较高，对于切削刀具提出了新的要求，即能够去除极薄的材料乂，并能保持加工过程中精度的稳定性“随着现代切削加工技术的发展，可转位、多功能、专用复合刀具和模块式工具系统是刀具发展的主要方向。超精密加工时考虑到与被加工材料的匹配性，切削刀具材料多采用雅晶金刚石、陶在刀具、PCD.PeBN和CBN材料。刀具的刃磨是超精密刀具实际使用过程中重点关注因素，以超精密金刚石切削工具的刃磨为例，为了获得更富精度的切削刃口圆弧半径，特别是精度小于005Pm以卜一时，需要研磨机需具有极高回转粘度的主轴轴系，采用空气轴承作为支承，研磨盘需在机床上加以修平，控制端面跳动在0.5nm以下。在超精密金刚石刀具的刃磨方式上，主要以热磨方式为主，鉴加速研磨理论，研磨工作量的70%在粗研，因此选用热化学方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金刚石刀具力磨工效。如日本东京工业大学吉川昌范教授用加热到800C铸铁盘来实施，取得很好的刃磨效果。日本国家理化学研究所大森整教授开发出基于在线修整砂EUD镜面磨削工艺,如图6所示，能够对钢、硬质合金、陶姿等材质零件表面、外圆和内孔进行磨削，磨削表面粗糙度Ra=0.02-0.01urn.此工艺具有较高应用前景，目前国内哈尔滨工业大学也掌握此技术。图6E1.ID镜面磨削工艺原理图由于高端刃磨设备的制造，F1.前国内还无法进行开发，主要以进口为主，用于超精密加工刀具的刃磨设备主要由日本、英国刀具公司提供，能够保障刀具良好的切削精度，但设备价格昂贵、供货周期长。其中日本ContourFineToo1.ing公司的刀具刃口轮怖检测在800X放大镜下无缺陷，圆弧轮怖精度通常可以在0.25Pm.最高可实现0.05um：日本OSAKADiamondU1.traPrecisionCuttingToo1.s公司力磨的刀具在SEM20000倍放大检测卜.无缺陷，圈孤轮廓精度在0.()52Un1。3、超精密加工环境调节技术加工环境对零部件加工质量有较大的影响，在各种环境影响因素中，环境温度和环境噪声的影响最明显，因此超精密技术中环境控制尤为重要。目前，环境噪声可通过机床附带的减振部件去除或通过生动隔振技术进行补偿,可实现在70Hz以下的振动幅度小于Im的超精密加工工况要求.在环境嘏度的控制方面，需要保证机床系统所在的环境为恒温，目前国外的加工环境温度，主要是采用温度补偿等方式进行调控，可将误差控制在土0.0(X)5'C,此项技术应用已较为成熟。4,超精密加工测控技术先进测量仪器的使用，对于超精密加工中精度的检测有重要意义。目前，双频激光干涉仪测量精度将，测量范围大，因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件，但激光测量的精度与空气的折射率有关，而空气折射率与祖度、湿度、压力、二轴化碳含量等有关。美国NBS研究的结果表明，当前双频激光干涉仪其光路在空气中进行了各种修正与补偿，其最高精度为8.5×10-8nn由于这种测量方法对环境要求过高，要保证高精度，激光光路必须是在恒温狙气或真空保护下，这样的要求对实际生产来说往往过于严苛，实际加工中很难保证。采用光栅技术能够很好解决上述问题，衍射打描干涉光栅采取偏振元件相移原理或附加光栅相移原理。例如优国Hcidcnhain公司基于三光栅系统原理和四光栅系统原理的光阳，既可达到很高的分辨率，乂有很好的可安装性,被世界各超精密设备制造厂家所采用。在小距高检测设备方面，主要以电容式、电感式测微仪为主，光纤测微仪也得到较快应用。在更小尺寸的检测方面，主要采用扫描陂道显微饯(STM)、扫描电子显微镜、原了力显微镜，这些仪器可实现纳米级检测。近年来，超精密加工对手动态精度的保持，有比较高的要求，在线检测技术日益受到关注，通过在线监测可以及时发现精度问题，及时采取措施，对零部件表面进行加工修正，此外，由于被加工工件无需离线检测，调整方便，在这个过程中，刀具和工件的相对位置不会发生较大的变化，因此不会引起重新装夹或者加工参数条件改变带来的定位误差。由于在线监测可以弥补加工过程中，精度检测不便，进而影响加工精度的问题，特别是在一些极端条件卜.，例如在高速切削过程中，刀具的高速运动，对刀具与工件间的切削状态，切削深度、工件表面的加工精度等方面提出了更高的检测耍求，因此在超精密加工中，实时在线检测技术成为未来主要的发展趋势之一.5、超精密加工机理及新型加工技术随着半导体、光学元器件等需求的不断发展，对于超精密加工的精度要求越来越高，超精密加工技术也不断升皱,满足新的需求，但也看到，在现有的基础上，想要精度更进一步得到提升，空间有限.在这种情况下，可从机理角度出发，来寻求其他技术解决途径，如可采用研磨技术，即通过游离磨料去除材料，或采用各种能量束的加工方法。在采用能量束加工中，无需刀具等中间物，也就不会有弹性变形等问题，因此被看作是很好的加工方法，特别是进行纳米级、OJnm级甚至分子级的加工时，这种方法将是极为有效的。使用STM(陵道扫描显微镜)方式的能量束加工已能进行分子级的加工。因此从微细加工方面来看，最终的加工目标已经确立。分子单位加工方面，最近在生物和基因工程学、医学上仃所应用，受制于其加工效率问题，无法满足批量化生产需求.而采用电子束、激光束和离子束加工等加工方式，虽然加工效率有很大提升，但加工精度不能满足要求。因此，对于纳米级精度加工，利用现有超精密加工技术优势,采用更合加工技术会越来越多，例如将超精密加工机床去除加工与STM能量束的纪合工艺,可以实现两者的加工优势，进一步提升精度要求.五、超精密加工技术应用现状在超精密加工技术领域，美国、英国和日本处于此项技术的第一梯队，这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而I1.商品化程度也非常高，得益于在超精密加工基础性研究领域，多年常握的技术储备优势，特别是在超精密机床设备、切削刀具及其切削技术，典型零部件超精密加工相关配套技术等方面取得的长足进步，本文也将重点进行阐述。I、超精密机床设齐的应用现状美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，在该技术研究中处于世界领先地位。以产品需求为导向，特别是航天等高、精、尖技术的发展，美国早在50代末，将超精物加工应用与切削加工中，开发了基于金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术"(Sing1.ePOintDiamOndTUming)或“微英寸技术”(1微英寸:0.025Um),并开发了相应的空气轴承主轴的超精密机床，可用于加工激光核聚变反射镜、载人飞船用球而非球面大型零件等。1984年1.1.1.实验室和丫-12I.研制出大型超精密金刚右车床DTM3型代表了金刚石超精密切削机床的最高水，该机床可加工最大零件2100mm、重员450Okg的激光核聚变用的各种金属反射锢，该机床的加工精度可达到形状误差为28nm(半径)，圆度和平面度为I2.5nm,加工表面粗糙度为Ra4.2nm,为满足超精密机床高效率加工和最小化的亚表面损伤，美国Mrc公司开发了Nanotech150AG和NanotechS(X)FG机床。美国Precitech公司采用模块化设计思想设计/FreeFonn3(X)0超精密五轴加工机床，且不需要后续抛光可直接满足红外光学波段的应用需求。英国在超精密加工机床设备的研制中侧重于加工的多用性，例如克兰都尔德精密工程研究所(简称CUPE)在超精密设备开发的纳米加工中心，可进行超精密车削，配备磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达01.um，表面粗糙度Ra<IOnm,1991年Cranfidd精密加工中心开发的OAGM-2500多功能三期标联动数控磨床,如图7所示，工作台面枳250OmmX2500mm,可以完成对大、中型自由曲面精密光学零件的精密加工。图70AGM2500多功能三坐标联动数控磨床日本在超精密加工技术的研究方面，相较于美、英来说起步较晚,但其在超精密加工领域发展迅速,民品领域中应用较为广泛.其中，在办公设备等小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，生产需求超定，规模化明显，具有明显的比较优打，使得不少日本数控机床制造企业得到了快速发展。住友重型机械公司历时6年，成功研制了KSX-815超精密平面磨床，如图8所示，该磨床可磨削150Omm长的工件，直线度可达().9m,磨削5(X)mm×5(X)mn的方形平板工件，平面度可达m°图8KSK系列超精密机床在超精密加工领域，尽管我国起步相对较晚，仍处于追赶阶段，随着国家对此项技术的持续性投入，我国科研院所、高校、机床厂商等的不懈努力.我国的超精密加工技术在上世纪80年代中期出现具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工设得研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025Um的精密抽承、JCS-O27超精密车床、超精密车床数控系统、超精密振动-位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。经过多年技术储备，该所攻克超精密加工中纳米精度这一难题，研制出纳米级系列数控车床设备，2004年该所研制开发的NAM-800型新代纳米数控车床,如图9所东，最大加工直径可达®800mm,可用F激光、航空航天等行业以及超大尺寸的光学镀件高效加工，为我国最前沿科技发展提供了良好的加工手段。图9NAM-800型纳米数控车床2015年，洛阳传顺机械设备有限公司研发的“7轴气浮纳米级超精宓磨床”,其故高加工精度W50nm,实现了我国高精密级轴承加工设备的自主控制。图10精密级轴承示例我国裔校近年来，针对产业布局的发展方向，开发了相应的超精密加工设备。在集成电路领域，清华大学自主研制了超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台等相关设备，并在超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆技面超精密切削等方面进行深入研究，研制J'相应的配套产品.大连理工大学在核电领域开展自由曲面主泉轴密封件的超精密磨削领域，解决了臼由曲面精度与质量无法保证的加工难题6,如图I1.所示。图I1.自由曲面主泵轴密封件模型及其超精密磨削加工设备2、超精密加工刀具及其切削技术应用现状国外，针对超精密加工过程中刀具的切削振动产生的影响，开展f大量相关刀具切削技术等方面的研究，日本神户大学Moriwaki和Shamoto等人在超精密加工领域，先后提出了一维（线性）和二维（怖圆）超声振动切削方法，减低金刚石刀具和工件的接触时间，获得了较好的加工效果，并在此基础上，乂相继开发了两自由度和三自由度的椭101超声振动切削系统“美国北卡大学Overcash和Cuttino开发了一种超声振动频率可调车削装设并研究了刀尖温度的动态变化.Kim等人设计了一种可编程振动切削刀具（即非共振里振动形式），用以提升基于振动切削技术对不同材料的加工适应性7.80我国科研人员在超精密刀