光机电一体化丛书--超精密加工技术与设备

超精密加工技术是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺，它的发展综合地利用了机床、工具、计量、环境技术、光电子技术、计算机技术、数控技术和材料科学等的进步成果，它是先进制造技术的重要支柱之一。超精密加工技术是发展尖端技术产品不可缺少的关键性加工手段，不管是国防工业，还是民用工业都需要这种先进的加工技术。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、精密机床仪器、录像机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术。目前，世界各主要发达国家对它都很重视，并投入大量人力、物力和财力，将其作为先进制造技术中的优先发展内容。

超精密加工就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至纳米级的形状与尺寸精度并获得纳米级的表面粗糙度，目前超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的技术，纳米技术是现代制造业的前沿，也是将来制造技术的基础。

近年来，我国的超精密加工技术获得了很大的发展，超精密加工技术已得到较多的生产应用，并对改造和提升我国的制造业水平及提高产品竞争力起到了很大的推动作用。但应看到我国的超精密加工技术水平与发达国家比较还有较大的差距，制约了我国的尖端技术和国防工业的发展，因此我国亟须加速发展这方面的技术。

21世纪工程教育的一个基本特征就是“适应性”。能适应，才能创业，才能发展。要能多方适应科学技术的突飞猛进和社会的不断进步，就得进一步合适地拓宽专业口径与专业基础，构建现代化的人才知识结构、能力结构和素质结构，努力实现培养模式的多样化。高等学校里成立多年的机械制造专业，也面临改进更新教学内容、增设新课程以跟上机械制造技术的发展的要求。鉴于超精密加工技术在国民经济发展中的重要地位，已有很多高等学校为机械制造及其自动化专业本科生和研究生设立超精密加工技术的选修课程。本书的出版希望能为超精密加工技术的推广和应用尽一份绵薄之力。

本书分10章，全面系统地讲述了超精密加工技术的主要内容，收集了国内、外超精密加工的大量文献资料和最新研究成果，内容丰富新颖，实例材料翔实。其中第1章对超精密加工技术及其应用发展等进行了较为全面的阐述；第2章～第4章介绍超精密加工方法与设备，包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光、超精密特种加工技术；第5、6、7章论述超精密加工的检测、误差补偿技术、超精密加工材料和环境控制技术；第8、9章介绍超精密加工应用实例；第10章介绍纳米加工技术。全书配有大量图例，尽量避免出现繁复冗长的公式推导，偏重普及性、实用性和新颖性，在内容深度和语言叙述方面力求面向不同层次的读者。本书可选作机械工程类研究生和本科生的选修教材和辅助教材，也可供从事机械制造精密超精密加工的科技人员作为参考书使用。

本书第1章由林宋编写，第2章由文秀兰、林宋编写，第5、10章由谭昕编写，第6章由钟建琳编写；其余章节由文秀兰编写；全书由文秀兰统稿，由徐盛林教授主审。

在本书的编写过程中，得到周鹏高级工程师，周仁魁研究员，盛步云教授，赵天婵、郭明康、周德魁、王琳、张一兵、余晓琴副教授的热心指导与帮助，在此一并表示衷心感谢。

在本书的编写过程中，作者参考了大量国内外专家学者的最新科研成果和资料图片，在此向这些专家学者表示诚挚的谢意。

超精密加工技术所涉及的内容广泛，学科跨度大，新技术发展迅猛，加之编者的水平和视野所限，本书存在的不足之处在所难免，在此恳请读者提出宝贵意见。



编者2006年1月

本书分10章，第1章对超精密加工技术及其应用发展等进行了较为全面的阐述；第2章～第4章介绍超精密加工方法与设备，包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光、超精密特种加工技术；第5、6、7章论述超精密加工的检测、误差补偿技术，超精密加工材料和环境控制技术；第8、9章介绍超精密加工应用实例；第10章介绍纳米加工技术。本书收集了国内、外超精密加工的大量文献资料和最新研究成果，内容丰富新颖，实例材料翔实。全书配有大量图例，尽量避免出现繁复冗长的公式推导，偏重普及性、实用性和新颖性，在内容深度和语言叙述方面力求面向不同层次的读者。

本书可选作机械工程类研究生和本科生的选修教材和辅助教材，也可供从事机械制造精密超精密加工的科技人员作为参考书使用。

第1章超精密加工技术概论1

11超精密加工技术的内容1

111超精密加工的范畴1

112超精密加工方法1

113纳米加工技术4

12超精密加工技术的作用5

121超精密加工技术的重要性5

122超精密加工的需求6

13超精密加工的关键技术9

131超精密主轴9

132超精密导轨9

133传动系统10

134超精密刀具11

135精密测量技术11

136微进给技术12

137加工原理12

138环境控制技术12

139超精密数控技术13

14超精密加工技术的发展状况与趋势13

141超精密加工技术的发展状况13

142超精密加工机理研究前沿16

143超精密加工技术的发展特点与趋势18

144新形势下面临的任务19

第2章超精密机械加工方法21

21超精密切削加工22

211概述22

212超精密切削加工的机理22

213超精密切削加工的特点27

214保证超精密切削加工质量的措施与方法28

215硬脆光学晶体材料的超精密切削简介30

22超精密磨削加工32

221超精密磨削机理32

222超精密磨削的工艺特点33

223超硬材料微粉砂轮超精密磨削技术34

224超精密砂带磨削技术38

225硬脆材料的塑性域超精密磨削加工40

23超精密研磨与抛光41

231研磨加工的机理42

232抛光加工的机理42

233影响超精密研磨、抛光的主要工艺因素43

234化学机械抛光43

235利用新原理的超精密研磨抛光47

第3章超精密加工机床与设备51

31超精密加工机床51

311概况51

312超精密机床的分类54

313对超精密机床的基本要求55

314超精密机床的基础元部件及其关键技术55

315超精密加工机床实例78

32超精密加工刀具与刃磨技术86

321超精密切削对刀具的要求86

322金刚石的性能与结构特性87

323金刚石刀具的刃磨88

324超精密切削刀具材料的发展92

33超精密夹具设计95

331夹具定位的稳定性与可靠性95

332夹具对工件的定位精度95

333采取有效措施保证精密夹具的设计要求96

334超精密夹具设计应用实例96

第4章超精密特种加工技术99

41概述99

411超精密特种加工技术特点99

412超精密特种加工的适用范围99

413超精密特种加工技术的内容99

42激光加工100

421激光加工原理100

422激光加工的特点100

423激光加工设备的组成101

424激光微细加工技术与应用实例101

43电子束微细加工110

431电子束加工原理110

432电子束加工的特点与应用范围110

433电子束加工装置的组成111

434电子束微细加工应用技术112

44离子束微细加工116

441离子束微细加工原理116

442离子束微细加工的特点116

443离子束微细加工设备116

444离子束加工的应用117

45微细电火花加工120

451概述120

452微细电火花加工特点121

453微细电火花加工的工艺和设备技术121

454加工应用125

46超声波微细加工126

461超声加工原理126

462超声微细加工的特点127

463超声加工机床组成127

464超声微细复合加工128

47电化学加工133

471电解抛光134

472电化学机械复合加工137

48ELID镜面磨削技术141

481ELID磨削镜面形成机理141

482ELID磨削技术的工艺特点141

483ELID磨削装置的组成142

484ELID磨削技术的应用实例143

49微细磨料流动加工144

491磨料流加工的基本原理144

492磨料流加工的三大要素144

493磨料流加工的基本特性146

494磨料流加工的工艺特点146

495磨料流复合加工应用实例146

410磁力研磨加工和磁力电解研磨加工148

4101磁力研磨加工148

4102磁力电解研磨151

411磁流变抛光技术152

4111磁流变抛光机理153

4112磁流变液的组成及性质153

4113磁流变抛光方法的特点与关键技术154

4114磁流变抛光的应用155

412等离子体加工155

4121等离子体155

4122等离子弧加工155

4123等离子体辅助抛光157

413基于微机器人的超精密加工技术157

4131概述157

4132微机器人超精密加工的类型及应用158

第5章超精密加工的检测、误差补偿技术160

51超精密加工精度检测160

511精密测量技术160

512典型几何量的测量与误差评定方法166

513超精密加工测量技术应用与实例178

52在线检测187

521概述187

522在线检测的基本原理189

523在线检测实例190

53误差补偿191

531误差补偿方法191

532误差补偿系统应用实例192

54检测设备与仪器195

541双频激光干涉仪195

542光栅检测系统201

第6章超精密加工材料207

61概述207

611超精密加工对材料的基本要求207

612超精密加工材料的分类207

62工件材料方面诸因素对切削加工性的影响208

621工件材料的物理、力学性能对切削加工性的影响208

622金属材料的化学成分对切削加工性的影响209

623热处理状态和金相组织对切削加工性的影响210

63超精密加工常用金属材料211

631钢211

632铸铁214

633有色金属214

634精密合金216

64常用非金属材料217

641陶瓷217

642工程塑料227

643复合材料227

644其他材料231

第7章超精密加工的环境控制234

71空气环境234

711空气中微粒的分布情况及对超精密加工的影响234

712空气的洁净度标准235

713净化空气的方法和措施236

72温度环境242

721温度对超精密加工的影响242

722恒温条件242

723环境温度的控制242

73湿度环境245

731湿度概念245

732湿度对超精密加工的影响245

733湿度的范围与控制标准245

734温湿度的控制方法与实例245

74振动环境248

741振动对超精密加工的影响248

742主要振源及防震措施248

743超精密机床防震实例250

75噪声环境253

751噪声及其危害253

752噪声源253

753控制噪声的基本途径254

76其他环境257

761静电环境257

762光环境257

763电磁波环境257

77超精密加工环境设施257

第8章光学非球面零件的超精密加工技术与设备259

81概述259

811光学非球面零件的性能特点259

812光学非球面零件的制作工艺260

813非球面的切除加工方法260

82非球面零件超精密加工技术261

821非球面零件超精密切削机床262

822非球面零件超精密磨削加工技术262

823光学非球面零件的ELID镜面磨削技术263

824非球面零件的超精密抛光(研磨)技术264

825非球面零件复制技术265

826非球面零件离子束加工265

827非球面磁流变研磨加工265

83光学非球面零件的检测技术266

831光学非球面零件的形状精度266

832非球面的非接触测试仪266

84大型非球面镜的研抛加工268

841计算机控制光学表面成形技术268

842应力盘抛光技术270

843离子束成形技术272

85超精密非球曲面加工机床实例274

851大型非球面加工机床的设计274

852超精密非球面加工机床Nanosystem300276

8６超精密非球面加工技术的发展趋势279

第9章大直径硅片的超精密加工281

91概述281

92硅片的加工工艺281

921硅片的传统加工工艺281

922大直径硅片的现代加工工艺283

93大直径硅片的高效超精密磨削加工技术284

931旋转工作台式磨削284

932硅片自旋转磨削285

933微粉金刚石磨盘的研磨和磨抛工艺287

94硅片背面减薄加工技术287

941硅片背面减薄技术的分类288

942硅片背面磨削减薄技术289

95大尺寸硅片的超精密平坦化技术291

951保证硅片平坦化的方法——化学机械抛光292

952硅片平坦化技术的新进展293

第10章纳米加工技术297

101纳米加工技术概述297

1011纳米加工技术的特点298

1012纳米加工的方法及设备298

1013发展纳米加工技术的途径301

102扫描隧道显微加工技术302

1021扫描隧道显微技术的原理302

1022STM在纳米加工中的应用304

1023SPM在纳米加工中的应用308

103LIGA技术310

1031LIGA技术310

1032准LIGA技术进展313

1033SLIGA技术315

1034M2LIGA技术316

1035抗蚀剂回流LIGA技术316

104纳米材料制造技术317

1041纳米材料的分类与应用318

1042纳米材料的制备方法及特点320

105纳米加工检测技术332

1051纳米测量与定位控制技术332

1052基于自然基准的纳米检测技术334

1053纳米微粒粒径的检测方法336

参考文献338