超精密加工技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高科技的需要而發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù), 是高科技尖端產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù), 是一個(gè)國家制造業(yè)水平重要標(biāo)志, 是先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵, 也是裝備現(xiàn)代化不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一, 在軍用和民用工業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。金剛石超精密切削技術(shù), 是超精密加工技術(shù)發(fā)展最早的、應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。

超精密切削加工技術(shù)

1、超精密切削的歷史

60年代初，由于宇航用的陀螺，計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤，光學(xué)掃描用的多面棱鏡，大功率激光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各種復(fù)雜形狀的紅外光用的立體鏡等等，各種反射鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、拋光等方法進(jìn)行加工，不但加工成本很高，而且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此，研究、開發(fā)了使用高精度、高剛度的機(jī)床和金剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法加工。

2、超精密切削加工的應(yīng)用

（1）平面鏡的切削

平面度<0.06 µm，表面粗糙度Rmax<0.02 µm。

（2）多面鏡的切削

面分度精度7.5”，面傾斜精度3.6”，平面度<0.07 µm，表面粗糙度Rmax < 0.02µm。用于激光印刷機(jī)、復(fù)印機(jī)。

（3）其它零件的切削

球面（球軸承）車削，復(fù)印機(jī)硒鼓（圓柱面）車削，磁盤基片的車削。

金剛石刀具超精密切削

金剛石刀具

1、金剛石刀具特點(diǎn)

金剛石刀具擁有很高的高溫強(qiáng)度和硬度，而且材質(zhì)細(xì)密，經(jīng)過精細(xì)研磨，切削刃可磨得極為鋒利，表面粗糙度值很小，因此可進(jìn)行鏡面切削。

金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有色金屬，如高密度硬磁盤的鋁合金基片、激光器的反射鏡、復(fù)印機(jī)的硒鼓、光學(xué)平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。超精切削刀具材料有天然金剛石，人造單晶金剛石。

金剛石刀具磨損的常見形式為機(jī)械磨損和破損。機(jī)械磨損——機(jī)械摩擦、非常微小；破損——本身裂紋、沖擊和振動(dòng)。刀具磨損直接影響到加工質(zhì)量（具體視加工材料而定）。金剛石刀具只能安裝在機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)非常平穩(wěn)的高精度機(jī)床上使用（不能有振動(dòng)）。

2、金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)

（1）平面鏡的表面粗糙度可達(dá)Ry5µm，曲面鏡的表面粗糙度可達(dá)Ry10µm，形狀精度可達(dá)30µm，而且沒有塌邊現(xiàn)象。

（2）用SPDT加工的表面對(duì)光線的反射率很高，例如對(duì)波長λ為10.6µm的激光，經(jīng)SPDT切削加工的去氧銅表面的反射率為99～99.4%。在去氧銅表面鍍金、銀、銅層，經(jīng)SPDT切削加工后．表面的反射率為96.7～99.3%。

（3）經(jīng)SPDT加工的表面，對(duì)激光具有很高的耐熱損傷性能，故它是大功率激光用的反射鏡終精加工的最好方法。

（4）金剛石刀具超精密切削與一般切削加工相比，精度要高1－2個(gè)量級(jí)。

（5）從成本上看，用去氧銅經(jīng)SPDT進(jìn)行加工的光學(xué)反射鏡、棱鏡等與過去用鍍鉻經(jīng)磨料加工的產(chǎn)品相比，成本大約為后者的一半或數(shù)分之一。

（6）在SPDT加工過程中可采用數(shù)控進(jìn)行批量生產(chǎn)，這樣不僅可以縮短加工時(shí)間，而且可以很容易地加工非球面及其他形狀復(fù)雜的表面，故相對(duì)而言，雖然加工設(shè)備最初的投資較高，但與效益相比，成本還是低的。

3、刀尖幾何形狀對(duì)加工質(zhì)量的影響

常用天然金剛石刀具的刀尖幾何形狀有尖刃多棱刃、直線切削刃及曲線切削刃(主要是圓弧切削刃)等幾種"是用于超精密切削的幾種不同金剛石刀具刀尖部分的幾何形狀。

一般不用"在超精密切削時(shí)直線切削刃就是直線修光刃,圓弧切削刃就是圓弧修光刃"在這幾種不同刀尖幾何形狀的金剛石刀具中,尖刃刀具、多棱刃刀具難以加工出超精密表面;圓弧切削刃刀具雖然加工殘留面積較小,但刃磨困難(目前,除哈爾濱工業(yè)大學(xué)外,我國圓弧切削刃金剛石刀具刃磨技術(shù)的總體水平都不高)，而在精確安裝的前提下,直線切削刃刀具的加工殘留面積最小,加工表面質(zhì)量最高。

直線切削刃比圓弧切削刃的切削阻力小,易于進(jìn)行尺寸精度及表面粗糙度控制,并且制造容易、研磨方便,其用于高品質(zhì)!高精度加工方面的優(yōu)勢(shì)是其它切削刃難以替代的，其不足之處是安裝調(diào)整比較困難。

4、圓弧切削刃

圓弧切削刃金剛石刀具對(duì)刀容易,使用方便,但刀具制造、研磨困難,價(jià)格較高。國外金剛石刀具較多地采用圓弧切削刃,推薦的切削刃刀尖圓弧半徑為Re=0.5~3mm或更小。超精密切削時(shí)進(jìn)給量甚小,一般情況下進(jìn)給量f<0.02mm/r。

在切削深度相同的條件下,隨著刀尖圓弧半徑的減小,工件的表面粗糙度增大,這是因?yàn)閳A弧切削刃加工時(shí)留下的殘留面積隨著刀尖圓弧半徑的變化而變化:當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑減小時(shí)切削刃變得越來越小,工件上切削的殘留面積就越來越大。根據(jù)粗糙度理論計(jì)算公式,

Ra=f²／8rε

式中 Ra---理論粗糙度

f---進(jìn)給量

rε---刀尖圓弧半徑

由上式可知,刀尖圓弧半徑越小,工件的粗糙度值越大"所以從加工表面的粗糙度方面考慮,應(yīng)該選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑。但隨著刀尖圓弧半徑的繼續(xù)增大,刀具將變得越來越鈍,對(duì)工件產(chǎn)生很大的擠壓力和摩擦力"同時(shí),由于工件安裝等情況的影響,在工件不同位置會(huì)產(chǎn)生不同的變形,使得切削層不再均勻,造成工件平面度降低。因此刀尖圓弧半徑的選擇要兼顧加工表面粗糙度和平面度。

超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵部件技術(shù)

德國LT-Ultra單點(diǎn)金剛石車床非球面模仁超精密加工機(jī)床

1、主軸系統(tǒng)

超精密加工機(jī)床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運(yùn)動(dòng)，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機(jī)床中最重要的一個(gè)部件，通過機(jī)床主軸的精度和特性可以評(píng)價(jià)機(jī)床本身的精度。

目前研制開發(fā)的超精密加工機(jī)床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)。

空氣軸承主軸具有良好的振擺回轉(zhuǎn)精度。主軸振擺回轉(zhuǎn)精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復(fù)徑向振擺，屬于靜態(tài)精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05μm，最高可達(dá)0.03μm，由于軸承中支承回轉(zhuǎn)軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉(zhuǎn)精度大約可以達(dá)到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學(xué)者研究表明，當(dāng)軸和軸套的圓度達(dá)到0.15～0.2μm的精度時(shí)，可以得到10nm的回轉(zhuǎn)精度，并通過FFT測(cè)定其所制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。

另外，空氣軸承主軸還具有動(dòng)特性良好、精度壽命長、不產(chǎn)生振動(dòng)、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優(yōu)點(diǎn)。但是在主軸剛度、發(fā)熱量與維護(hù)等方面需要做細(xì)致的工作。要做到納米級(jí)回轉(zhuǎn)精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達(dá)到0.15～0.2μm，再通過空氣膜的均化作用來實(shí)現(xiàn)外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數(shù)量、分布精度、對(duì)軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會(huì)影響軸承面空氣流動(dòng)的均勻性。而氣流的不均勻是產(chǎn)生微小振動(dòng)的直接原因，從而影響回轉(zhuǎn)精度。要改善供氣系統(tǒng)的狀況，軸承材料宜選用多孔質(zhì)材料。這是因?yàn)槎嗫踪|(zhì)軸承是通過無數(shù)小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時(shí)，改善空氣流動(dòng)的均勻性。多孔質(zhì)材料的均勻性是很重要的。因?yàn)槎嗫踪|(zhì)供氣軸承材料內(nèi)部的空洞會(huì)形成氣腔，如不加以控制會(huì)引起氣錘振動(dòng)，為此必須對(duì)表面進(jìn)行堵塞加工。

2、直線導(dǎo)軌

作為刀具和工件相對(duì)定位機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌，是僅次于主軸的重要部件。對(duì)超精密加工機(jī)床的直線導(dǎo)軌的基本要求是：動(dòng)作靈活、無爬行等不連續(xù)動(dòng)作；直線精度好；在實(shí)用中應(yīng)具有與使用條件相適應(yīng)的剛性；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量少；維修保養(yǎng)容易。

超精密加工機(jī)床中的常用導(dǎo)軌有V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。

傳統(tǒng)的V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌在美國和德國的應(yīng)用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導(dǎo)軌，所以完全不必?fù)?dān)心爬行的產(chǎn)生。從精度方面來考慮后兩種也是最適宜的導(dǎo)軌。

液體靜壓導(dǎo)軌由于油的粘性剪切阻力而發(fā)熱量比較大，因此必須對(duì)液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養(yǎng)也麻煩。

氣體靜壓導(dǎo)軌由于支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發(fā)熱問題，如果最初的設(shè)計(jì)合理，則在后續(xù)的維修保養(yǎng)方面幾乎不會(huì)發(fā)生什么問題。

但必須注意導(dǎo)軌面的防塵?？諝鈱?dǎo)軌的間隙僅為十幾微米，而對(duì)如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔凈室也不能完全消除，塵埃落入空氣導(dǎo)軌面內(nèi)會(huì)引起導(dǎo)軌面的損傷?？傮w看來，空氣靜壓導(dǎo)軌是目前最好的導(dǎo)軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導(dǎo)軌。目前空氣靜壓直線導(dǎo)軌的直線度可達(dá)0.1～0.2μm/250mm。

3、環(huán)境條件

超精密加工的環(huán)境條件有三。

其一是污染，超精密加工機(jī)床必須置于潔凈的超凈室內(nèi)才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。室內(nèi)的潔凈度以一立方英尺中0.5μm以上的灰塵的數(shù)量表示。作為超精密加工機(jī)床的工作環(huán)境應(yīng)為20000～3000級(jí)以下。

其二是振動(dòng)。環(huán)境振動(dòng)的干擾不僅會(huì)引起機(jī)床本體的振動(dòng)，更主要的是會(huì)引起切削刀具與被加工零件間的相對(duì)振動(dòng)位移，后者將直接反映到被加工零件的精度和表面質(zhì)量上。因此超精密加工機(jī)床必須設(shè)置性能優(yōu)異的隔振裝置。目前國外超精密加工機(jī)床中，大多數(shù)采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統(tǒng)，并取得了較好的隔振效果。這主要是因?yàn)榭諝鈴椈稍诰哂休^大承載能力的同時(shí)，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統(tǒng)獲得較低的固有頻率，遠(yuǎn)離環(huán)境干擾頻率，提高隔振效果。經(jīng)理論分析研究和計(jì)算比較，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床采用了直筒約束膜式結(jié)構(gòu)，并取內(nèi)、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結(jié)構(gòu)簡單，便于模具的制造以及裝置的安裝和調(diào)整。

其三是溫度。超精密加工機(jī)床的加工必須在恒溫室內(nèi)進(jìn)行，加工過程中溫度的變化，會(huì)造成機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題，通常從兩個(gè)方面入手，一是選擇合適的部件材料，超精密加工機(jī)床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實(shí)際出發(fā)，HCM-Ⅰ超精密加工機(jī)床幾乎全部采用花崗巖。二是保持溫度的恒定控制。在總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)之后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的超精密恒溫供油系統(tǒng)的溫控精度達(dá)到了世界先進(jìn)水平。 

影響切削表面粗糙度的因素及發(fā)展趨勢(shì)

1、超精密切削時(shí)的刀具磨損和壽命

用天然單晶金剛石刀具對(duì)有色金屬進(jìn)行超精密切削，如切削條件正常，刀具無意外損傷，刀具磨損甚慢，刀具耐用度極高。

天然單晶金剛石刀具用于超精密切削，破損或磨損而不能繼續(xù)使用的標(biāo)志為加工表面粗糙度超過規(guī)定值。

金剛石刀具的壽命平時(shí)以其切削路徑的長度計(jì)。如切削條件正常，金剛石刀具的壽命可達(dá)數(shù)百公里。 

實(shí)際使用中金剛石刀具常達(dá)不到上述的耐用度，常常是由于切削刃產(chǎn)生微小崩刃而不能繼續(xù)使用，這主要是由于切削時(shí)的振動(dòng)或刀刃的碰撞引起的。 

2、影響切削表面粗糙度的因素

（1）切削刃的粗糙度的影響

（2）切削刃的復(fù)映性的影響

（3）鱗刺與加工變質(zhì)層的影響

3、超精密切削加工發(fā)展及趨勢(shì)

20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新技術(shù)，在國防和尖端技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位。服從金屬切削的普遍規(guī)律，但由于切削層極薄，所以又具有一定的特殊性。

近幾年來，切削加工技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，像計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤，大功率激光用的金屬反射鏡，激光掃描用的多面棱鏡，紅外光等用的光學(xué)零件和復(fù)印機(jī)的高精度零件，都是用切削的方法加工出來的。金剛石刀具是超精密切削的理想刀具。在其它加工條件具備時(shí),金剛石刀具的刀尖幾何形狀和切削刃的鋒利度對(duì)超精密加工有很大影響。正確地選擇刀尖部分幾何形狀和切削刃鈍圓半徑是獲得高質(zhì)量加工表面的有力保證，超精密切削加工技術(shù)在這個(gè)技術(shù)時(shí)代顯得尤為重要。

現(xiàn)代高精度流量計(jì)需要滿足計(jì)量測(cè)試的精度要求，生產(chǎn)制造中也要用到精密切削加工技術(shù)，上?？祬R研發(fā)生產(chǎn)的U-How®容積式旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)，屬于精密加工計(jì)量器件，經(jīng)過北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院檢測(cè)認(rèn)證，精度達(dá)到1.0級(jí)。確保了流量計(jì)轉(zhuǎn)子達(dá)到50萬轉(zhuǎn)次以上和腔體容積的穩(wěn)定性，腔體及轉(zhuǎn)子等主要部件，保證部件尺寸精度達(dá)到1μm以上。