《超精密加工技术》结课论文
摘要:
主要论述对孙涛老师《超精密车削加工技术及应用》这门课学习后的一些情况所得，并结合网络所查资料对超精密车削加工理论、发展与运用方面有所阐述。
关键字：超精密加工 车削 金刚石刀具 机床
引言： 之前一提到超精密这个词，会觉得它很神秘，但经过孙涛教授的讲解以及课后查找资料，同其它复杂的高新技术一样，对超精密加工有所了解。由于新材料、新技术、新产品的更新换代日益加快，航空航天、军事武器以及民用产品的发展，当今产品要求具有较高的精度。为此，一种本质上区别于普通车加工的超精密车加工便应运而生。超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，一般称为金刚石刀具具切削。通常，我们按照加工精度划分，可将机械加工分为：一般加工、精密加工、超精密加工。加工精度在0.1～1μm，表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称之为精密加工；精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的称为超精密加工。因此，如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话，以微米级的去除，才属于超精密加工。
1、需求背景
航空航天、民用光学行业、军事、天文等，在制造中都会有大量精密和超精密加工的需求，隐形飞机、直升机、坦克、导弹导引头、侦察卫星等高保真共形光学曲面柱面棱、透、反射镜和菲涅尔透镜及各式导弹、航空航天器导航用陀螺仪的超精密切削加工，大口径KDP晶体元件在NIF大型激光光路中起着不可替代的作用，而大口径KDP晶体元件的加工必不可少需要用到超精密切削加工技术，在民用产品中，显示器、背光板、CCD相机、某些光学衍射元件，超精密切削加工技术也在其中扮演着不可或缺的作用。60年代，美国由于发展LLNL核聚变技术，首先使用天然金刚石刀具的超精密切削技术，其后，英国发展大型光学仪器、日本的民用工业也大量使用，使得超精密切削技术快速发展。 在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。
我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。
在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。
当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细
加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。
2、加工设备与工艺
目前超精密车床国外主要生产厂家有：
美国 劳伦斯实验室LLNL、Moore和Precitech公司
英国 克兰菲尔德(CUPE)、Taylor Hobson公司
日本 FANUC、 Toshiba
德国 库格勒(KUGLER)
国内超精密车床主要生产厂家有：
北京工研精机（北京机床研究所）
航空精密机械研究所（303所）
哈尔滨工业大学 精密工程研究所
其主要设备：卧式超精密金刚石车床DTM-3、LODTM-3超精密机床、M-18AG非球面加工机床、Nanocentre250纳米加工中心、DELTA TURN 40超精密车床、NAM-800超精密数控车床、多轴数控加工机床等。
3、加工机理
超精密加工机理研究内容 超精密加工机理研究内容
(1) 金属切削经典基础理论
(2) 超精密极薄切削
(3) 材料(晶体方向、晶界)
(4) 脆塑转变
(5) 研究分析手段
(6) 理论与工艺
利用经典理论研究切削过程所使用的基本理论：金属切削经典理论分析、经验公式、有限元仿真理论、分子动力学仿真、多尺度仿真等等；研究对象：切削力、切屑形成与断裂、切屑瘤、颤振、弹塑现象、刀具磨损、残余应力、切削热，通过对材料、刀具、机床的研究了解切削过程，从而获取良好的加工表面质量。
超精密加工机理研究的发展：超精密切削扩展到超精密磨削与机械化学抛光、材料模拟的多样性、尺度问题：MD千万级计算量与实验对比、与工艺研究的紧密结合。
4、机床技术
目前我们对超精密加工所使用的加工设备有下列要求
(1)高精度。这就包括较高的静精度和动精度，主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；
(2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。
(3)高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。
(4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。
多尺度、多层次、复杂系统集成的结构设计：以保证超精密指标。
超精密机床的布局设计：1、机床基座；2、机床两维导轨；3、机床主轴与刀架。两轴超精密金刚石车床。带隔振系统的花岗岩基座。空气静压主轴，承载能力高达1000N。径向刚度110 N/um，轴向刚度120 N/um。轴向、径向运动误差均
设计内容：超精密机床的静态几何力学设计；超精密机床的动态设计；超精密机床的温度特性设计；超精密机床的误差分配与补偿。
主要功能部件：超精密机床的主轴部件；超精密机床的导轨部件；驱动与进给部件；检测系统部件；快刀系统部件。
主轴部件：气浮/液浮轴承参数设计指标：回转精度、刚度；结构设计：宏观尺寸/微小尺度优化设计；零件制造与装配精度；冷却；驱动电机及连接形式；动态工作状态下的实际精度与测试。
导轨部件：直线运动精度、刚度、载重、温升、平稳等参数要求；驱动形式：滚珠丝杠、直线电机；导轨零件的制造与装配精度：直线度、两维或三维垂直度；动态工作状态下的实际精度与测试。目前导轨部分存在的问题是：导轨材料与结构形式；运动精度、定位精度、空间位置；位置传感器与反馈控制技术。
5、天然金刚石刀具制造技术
目前常用金刚石刀具：大尺寸光栅的金刚石刻刀制造、钻石切片刀的制造、圆弧金刚石刀具的制造、尖刃金刚石刀具 。主要产地有：英国Contour公司、日本大阪金刚石、成都工具研究所、上海、深圳 。在我国“八五”、“九五”期间，国内仅有230厂、上海仪表厂，研磨直线刃天然金刚石刀具，而国外：LLNL、日本大阪大学、英国Contour、俄罗斯等可生产直线刃和圆弧刃刀具，当时的圆弧刃刀具主要购买国外，不仅价格昂贵，而且刀具磨损后不能修磨。在“十五”、“十一五”期间，我国在哈工大、上海舒伯哈特、深圳井田、303所均可可以制造及修磨直线刃、圆弧刃、尖刀刃的天然金刚石刀具，后期还可买到国外商用产品：英国Contour及日本、俄罗斯刀具。
加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。
6. 结论
通过孙教授的讲解，我了解到超精密加工，已经是现代机械制造业最主要的发展方向之一，在提高产品性能、质量、发展高新技术都起着重要作用。我国制造业已进入了高速发展阶段，相信随着超精密加工技术的发展，我国的制造业会更快更好的发展。
《超精密加工技术》结课论文
摘要:
主要论述对孙涛老师《超精密车削加工技术及应用》这门课学习后的一些情况所得，并结合网络所查资料对超精密车削加工理论、发展与运用方面有所阐述。
关键字：超精密加工 车削 金刚石刀具 机床
引言： 之前一提到超精密这个词，会觉得它很神秘，但经过孙涛教授的讲解以及课后查找资料，同其它复杂的高新技术一样，对超精密加工有所了解。由于新材料、新技术、新产品的更新换代日益加快，航空航天、军事武器以及民用产品的发展，当今产品要求具有较高的精度。为此，一种本质上区别于普通车加工的超精密车加工便应运而生。超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，一般称为金刚石刀具具切削。通常，我们按照加工精度划分，可将机械加工分为：一般加工、精密加工、超精密加工。加工精度在0.1～1μm，表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称之为精密加工；精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的称为超精密加工。因此，如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话，以微米级的去除，才属于超精密加工。
1、需求背景
航空航天、民用光学行业、军事、天文等，在制造中都会有大量精密和超精密加工的需求，隐形飞机、直升机、坦克、导弹导引头、侦察卫星等高保真共形光学曲面柱面棱、透、反射镜和菲涅尔透镜及各式导弹、航空航天器导航用陀螺仪的超精密切削加工，大口径KDP晶体元件在NIF大型激光光路中起着不可替代的作用，而大口径KDP晶体元件的加工必不可少需要用到超精密切削加工技术，在民用产品中，显示器、背光板、CCD相机、某些光学衍射元件，超精密切削加工技术也在其中扮演着不可或缺的作用。60年代，美国由于发展LLNL核聚变技术，首先使用天然金刚石刀具的超精密切削技术，其后，英国发展大型光学仪器、日本的民用工业也大量使用，使得超精密切削技术快速发展。 在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。
我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。
在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。
当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细
加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。
2、加工设备与工艺
目前超精密车床国外主要生产厂家有：
美国 劳伦斯实验室LLNL、Moore和Precitech公司
英国 克兰菲尔德(CUPE)、Taylor Hobson公司
日本 FANUC、 Toshiba
德国 库格勒(KUGLER)
国内超精密车床主要生产厂家有：
北京工研精机（北京机床研究所）
航空精密机械研究所（303所）
哈尔滨工业大学 精密工程研究所
其主要设备：卧式超精密金刚石车床DTM-3、LODTM-3超精密机床、M-18AG非球面加工机床、Nanocentre250纳米加工中心、DELTA TURN 40超精密车床、NAM-800超精密数控车床、多轴数控加工机床等。
3、加工机理
超精密加工机理研究内容 超精密加工机理研究内容
(1) 金属切削经典基础理论
(2) 超精密极薄切削
(3) 材料(晶体方向、晶界)
(4) 脆塑转变
(5) 研究分析手段
(6) 理论与工艺
利用经典理论研究切削过程所使用的基本理论：金属切削经典理论分析、经验公式、有限元仿真理论、分子动力学仿真、多尺度仿真等等；研究对象：切削力、切屑形成与断裂、切屑瘤、颤振、弹塑现象、刀具磨损、残余应力、切削热，通过对材料、刀具、机床的研究了解切削过程，从而获取良好的加工表面质量。
超精密加工机理研究的发展：超精密切削扩展到超精密磨削与机械化学抛光、材料模拟的多样性、尺度问题：MD千万级计算量与实验对比、与工艺研究的紧密结合。
4、机床技术
目前我们对超精密加工所使用的加工设备有下列要求
(1)高精度。这就包括较高的静精度和动精度，主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；
(2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。
(3)高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。
(4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。
多尺度、多层次、复杂系统集成的结构设计：以保证超精密指标。
超精密机床的布局设计：1、机床基座；2、机床两维导轨；3、机床主轴与刀架。两轴超精密金刚石车床。带隔振系统的花岗岩基座。空气静压主轴，承载能力高达1000N。径向刚度110 N/um，轴向刚度120 N/um。轴向、径向运动误差均
设计内容：超精密机床的静态几何力学设计；超精密机床的动态设计；超精密机床的温度特性设计；超精密机床的误差分配与补偿。
主要功能部件：超精密机床的主轴部件；超精密机床的导轨部件；驱动与进给部件；检测系统部件；快刀系统部件。
主轴部件：气浮/液浮轴承参数设计指标：回转精度、刚度；结构设计：宏观尺寸/微小尺度优化设计；零件制造与装配精度；冷却；驱动电机及连接形式；动态工作状态下的实际精度与测试。
导轨部件：直线运动精度、刚度、载重、温升、平稳等参数要求；驱动形式：滚珠丝杠、直线电机；导轨零件的制造与装配精度：直线度、两维或三维垂直度；动态工作状态下的实际精度与测试。目前导轨部分存在的问题是：导轨材料与结构形式；运动精度、定位精度、空间位置；位置传感器与反馈控制技术。
5、天然金刚石刀具制造技术
目前常用金刚石刀具：大尺寸光栅的金刚石刻刀制造、钻石切片刀的制造、圆弧金刚石刀具的制造、尖刃金刚石刀具 。主要产地有：英国Contour公司、日本大阪金刚石、成都工具研究所、上海、深圳 。在我国“八五”、“九五”期间，国内仅有230厂、上海仪表厂，研磨直线刃天然金刚石刀具，而国外：LLNL、日本大阪大学、英国Contour、俄罗斯等可生产直线刃和圆弧刃刀具，当时的圆弧刃刀具主要购买国外，不仅价格昂贵，而且刀具磨损后不能修磨。在“十五”、“十一五”期间，我国在哈工大、上海舒伯哈特、深圳井田、303所均可可以制造及修磨直线刃、圆弧刃、尖刀刃的天然金刚石刀具，后期还可买到国外商用产品：英国Contour及日本、俄罗斯刀具。
加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。
6. 结论
通过孙教授的讲解，我了解到超精密加工，已经是现代机械制造业最主要的发展方向之一，在提高产品性能、质量、发展高新技术都起着重要作用。我国制造业已进入了高速发展阶段，相信随着超精密加工技术的发展，我国的制造业会更快更好的发展。