1,每日一题,输液检测仪设计与制造,滴液速度显示？滴液快慢警示？滴液结束报警？装夹简便？结构小型化？低成本制造？,2,寒风萧瑟，金叶满地 本科评估，霾消云开 教室暖阳，精切始开 学以致用，畅谈未来,上节课内容的回顾,3,1.1 精密机械与精密加工技术的关系,1.2 先进制造技术的发展趋势,上节课内容的回顾,4,4,第1章 绪 论,1.3 加工方法分类,（1） 去除加工,可以分为三大类：去除加工、结合加工、变形加工,切削、铣削、钻削、磨削、研磨、珩磨、电火花加工、电解加工、蚀刻、等离子加工、激光加工、脱碳处理等。,1.3.1 根据加工方法机理和特点分类,从工件上去除不需要那部分材料的加工方法。,主要包括:,Manufacturing Machining Fabrication Processing,5,5,第1章 绪 论,附着(Deposition)加工：在工件表面上覆盖一层物质，是一种弱结合，包括：,利用理化方法将不同材料结合在一起的制造方法，又分为附着、注入和连接三种。,化学镀、化学气相沉积、电镀、真空蒸镀、离子镀、物理气相沉积等；,（2） 结合加工,6,6,第1章 绪 论,连接(Jointed)加工：将两种相同或不同材料通过物化方法连接一起，包括：,激光焊接、气焊、RP快速成形制造（3D打印制造）等；,注入(Injection)加工：在工件表面注入某些元素，使之与基体材料产生物化反应，是具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，包括：,氧化、氮化、活性化学、阳极氧化、晶体生长、离子生长、离子束外延等；,7,7,第1章 绪 论,利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。,锻造、热流动加工、铸造、液体流动加工等。,（3） 变形加工,主要包括：,8,8,第1章 绪 论,结合加工是使材料逐渐增加，这种流动称之为汇合流；,近年来又提出了诸如：电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形等加工方法，突破了传统加工概念，其中RP快速成形技术、3D打印制造技术一种利用离散/堆积成形技术的分层制造，是一种典型的结合法。,去除加工是使材料逐渐减少，一部分材料变为切屑，这种流动称之为分散流；,变形加工是使材料形变而量不变，这种流动称之为直通流。,1.3.2 根据加工过程中材料的流动形态来分类,9,9,第1章 绪 论,复合加工：综合上述多种能量复合作用的加工,当前，在制造业中，占主要地位的仍是传统加工方法，而非传统的特种加工和复合加工是解决新的难加工材料加工、实现更高精度和特殊加工要求零件加工的有效手段。,传统加工：基于机械能的切削、磨削、抛光等,特种加工：基于电、热、磁、声、光、化学、核能的加工,1.3.3 根据加工过程所用能量来分类,10,10,第1章 绪 论,1.4 精密和超精密加工技术概述,就“加工”这个词而言，应理解为一个广泛的概念。超精密加工包含两个含义：,一是指向传统加工方法不易达到的精度界限挑战的加工，即超高精度加工，如计算机磁盘及各种金属反射镜的超精密镜面加工；,二是向实现微细尺寸界限挑战的加工，即所谓微细加工技术（Micro-fabrication），如微电子电路制造中的电子束、光子束和离子束刻蚀加工以及离子注入、分子外延等工艺技术。,1.4.1 精密和超精密加工的概念和含义,11,11,第1章 绪 论,就“精密”这个词而言，应作如下理解：,精密、超精密加工不仅涉及精度指标，还必须考虑到工件的形状特点和材料等因素。,它是与生产力发展水平相关联的；,精密是相对的，在不同的历史时期，各有不同的理解；,12,12,第1章 绪 论,在所处时代，用一般技术水平即可实现的精度称普通加工。,必须用较高精度加工机械、工具及高水平加工技术才能达到的精度，属于精密加工。,一般方法不能轻而易举地达到，需要采用先进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，且这一精度指标尚不能普及的加工技术称为超精密加工。,精密和超精密加工的时代性,超精密加工技术，不是指某一特定的加工方法，而是指在某一个历史时期所能达到的最高（极限）加工精度的各种精密加工方法的总称。,13,13,第1章 绪 论,加工精度概念的时代发展性,14,14,第1章 绪 论,物质是由原子组成的，从机械破坏的角度看，最小则是以原子级为单位（原子颗粒的大小为几埃(，1 =10-10m）的破坏。如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的加工技术称为：超精密加工、微纳加工。,另一种概念是从被加工部位发生破坏和去除材料大小的尺寸单位来划分各种加工。,去除材料的单位为10-3cm时将以龟裂的形式发生破坏；以微米(m)级尺寸去除，则表现为位错，这一层次的加工属于精密加工。,15,15,第1章 绪 论,按去除尺寸单位划分精度等级一区间称为普通精度一区间为精密加工I一区间为超精密加工,16,16,第1章 绪 论,一般加工： 加工精度10m左右, Ra 0.1m,现阶段精密、超精密加工精度范围：,1.4.2 精密、超精密加工精度的范围与条件,精密加工： 加工精度0.11m, Ra=0.020.1m,超精密加工： 加工精度 0.1m, Ra 0.01m,发展方向：加工精度 1nm(10-3m), Ra0.005m纳米加工,17,17,第1章 绪 论,实现精密、超精密加工的基本条件：,精密超精密 加工技术,超精密加工 工具,工件材料,超精密加工 设备,超精密加工 环境,超精密 测量技术,18,18,第1章 绪 论,超精密加工技术的研究内容主要包括：,1.4.3 超精密加工技术的范畴与种类,超精密加工的机理,超精密加工的设备制造技术,超精密加工工具及刃磨技术,超精密加工测量技术和误差补偿技术,超精密加工工作环境条件,19,19,第1章 绪 论,电火花加工,等离子加工,电子束加工,激光加工,超声波加工,微波加工,喷射加工,原子束加工,化学能加工,光刻加工,化学加工,物理加工,微细尺寸加工,低粗糙度,高形位精度,磨料加工 (无磨料研抛),超精密磨削,精密研磨、抛光,金刚石切削,加工,高尺寸精度,高精度,超精密加工方法,精密电铸,电解加工,精密特种加工,20,20,第1章 绪 论,金属材料,非金属材料,超精密加 工的材料,复合材料 （应用：航天、能源工业）,非铁金属材料 （应用：激光技术、光学、电子工业）,高硬度、高强度耐热合金 （应用：航空、 航天、原子能工业）,高分子有机材料 （应用：光学、化学、电子工业）,无机硬脆材料 （应用：电子、原子能、能源工业）,1.4.4 超精密加工的材料对象与应用,21,21,第1章 绪 论,工件材料与加工方法,22,22,第1章 绪 论,对材料难加工的重新认识,难加工材料不再难加工,可优化零件的加工工艺过程,传统加工：加工 淬火加工,特种加工：淬火 加工（电解）,重新衡量结构工艺性的优劣,对零件结构设计带来变革,传统加工中方孔的工艺性差,23,23,第1章 绪 论,国家制造技术水平的重要指标之一,发展高技术和新产品的技术基础,1.4.5 精密、超精密加工技术的重要性,当代高技术的产品，都是靠当代最高的加工技术超精密加工来实现的。,超精密加工的直接效果是促进了各种产品技术性能的提高，也就相应地促进了机械、电子、航空、航天、激光核聚变等高技术的发展。,精密和超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志。,精密和超精密加工技术水平的高低是一个国力和国威的标志，它与高质量民品及现代化国防工业密切相关。,24,超精密加工技术的基础,测量技术,加工技术,25,第2章 超精密切削与金刚石刀具,26,大型光学元件超精密加工？检测？,第2章 超精密切削与金刚石刀具,27,特种型面光学元件超精密加工？,第2章 超精密切削与金刚石刀具,28,第2章 超精密切削与金刚石刀具,2.1 金刚石超精密加工技术概述,SPDT主要应用：激光或红外平面非球面反射镜磁盘铝基底多面棱镜等,超精密切削可以分为超精密车削、超精密铣削、超精密镗削和超精密钻削，其中最常用的是金刚石刀具超精密车削，一般称为单刃金刚石车削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT) 。,SPDT加工精度：粗糙度Ra=0.02-0.005m非球面形状精度 0.1m平面度0.06 m,光学棱镜、镜头,无氧铜、铝合金件,29,第2章 超精密切削与金刚石刀具,（1）平面镜切削示例,塑性域加工 脆塑过渡切削 脆性域切削,30,第2章 超精密切削与金刚石刀具,31,第2章 超精密切削与金刚石刀具,（2）球面镜切削示例,球面镜加工原理 1-主轴；2-凹面镜；3-刀具轴,32,第2章 超精密切削与金刚石刀具,（3）大型金刚石刀具切削机床示例,33,第2章 超精密切削与金刚石刀具,平面度0.06 m；表面粗糙度Rmax0.02 m 具备加工面型检测功能，以补偿刀具磨损,(4) 微构形或曲面加工,菲涅耳(Fresnel)透镜,34,第2章 超精密切削与金刚石刀具,2.2 金刚石刀具结构与特性,2.2.1 刀具角度知识的复习,前刀面A,后刀面Aa,刀尖,刚形成的切屑沿其流出的刀面, 与工件加工表面相对的刀面, 主、副切削刃的实际交点，为了强化刀尖，一般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。,切削刃S, 前刀面与后刀面的交线，承担主要切削工作,35,第2章 超精密切削与金刚石刀具,1）前角0,-前刀面与基面间夹角,3）主偏角kr,-主切削刃在基面上投影与进给方向间夹角,4）刀尖角r,-主切削刃与副切削刃在基面上投影间夹角,5）刃倾角s,- 主切削刃与基面之间夹角,2）后角0,- 后刀面与切削平面间 夹角,36,第2章 超精密切削与金刚石刀具,2.2.2 超精密切削对刀具性能的要求,3) 切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度, 普通刀刃的粗糙度Ry0.35 m，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.10.2 m，特殊情况Ry1nm，极难刃磨。,1) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。,2) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。,4) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。,37,第2章 超精密切削与金刚石刀具,5) 刀具刃口锋锐度,刃口圆弧半径越小，切削厚度就越薄，越能够减小切削表面弹性恢复和表面变质层。,与切削刃的加工方位有关，普通刀具530m，金刚石刀具10nm，最好能够 5nm；,从物理学的观点，刃口半径有一极限（后续介绍）。,38,第2章 超精密切削与金刚石刀具,2.2.3 天然金刚石的特性, 硬度特性,人造金刚石磨料,39,第2章 超精密切削与金刚石刀具,2.2.3 天然金刚石的特性,（1）良好的导热特性（热导率和比热容高）；, 热化学特性,（3）膨胀系数低，抗热冲击；,（2）在相同条件下计算其摩擦面的温升，仅为其它工具材料的1/5；,（4）耐热性和耐热损伤性有一限度。最大问题是金刚石的氧化和石墨化；,（5）超过700 ，会发生氧化现象；,（6）温度大于773K时，稳定结构分解，产生石墨化。,40,第2章 超精密切削与金刚石刀具,41,每日一题,一种非球面镜的加工方案,加工方法的选择及理由？加工工具？加工设备选择？加工工艺参数？,