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。
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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。
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第1章 绪 论
1.4 精密和超精密加工技术概述
1.4.1 精密和超精密加工的概念和含义
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：
现阶段精密、超精密加工精度范围：
一般加工： 加工精度10μm左右, Ra > 0.1μm 精密加工： 加工精度0.1~1μm, Ra=0.02~0.1μm 超精密加工： 加工精度< 0.1μm, Ra < 0.01μm 发展方向：加工精度 < 1nm(10-3μm), Ra<0.005μm纳米加工
般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。
34
第2章 超精密切削与金刚石刀具
1）前角γ0 --前刀面与基面间夹角
2）后角α0 -- 后刀面与切削平面间 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εr --主切削刃与副切削刃 在基面上投影间夹角
5）刃倾角λs -- 主切削刃与基面之间夹角
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第2章 超精密切削与金刚石刀具
5) 刀具刃口锋锐度ρ ➢ 刃口圆弧半径ρ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。 ➢ ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具5~30μm，金刚石
刀具<10nm，最好能够< 5nm； ➢ 从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限（后续介绍）。
37
ρ
第2章 超精密切削与金刚石刀具
• 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。
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第1章 绪 论
18 18
第1章 绪 论
高尺寸精度
金刚石切削
超
高精度 高形位精度 加工
超精密磨削
磨料加工
精
低粗糙度
精密研磨、抛光 (无磨料研抛)
密 加
物理加工
电火花加工 等离子加工 激光加工 电子束加工
工
超声波加工
方
法
微细尺寸加工
喷射加工 微波加工 原子束加工
精密特 种加工
化学加工
化学能加工 电解加工 精密电铸
光刻加工
3
第1章 绪 论
1.3 加工方法分类
Manufacturing Machining Fabrication
1.3.1 根据加工方法机理和特点分类
Processing
可以分为三大类：去除加工、结合加工、变形加工
（1） 去除加工 ——从工件上去除不需要那部分材料的加工方法。
主要包括:
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。
（3） 变形加工 ——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。
主要包括： 锻造、热流动加工、铸造、液体流动加工等。
77
第1章 绪 论
1.3.2 根据加工过程中材料的流动形态来分类
——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；
——结合加工是使材料逐渐增加，这种流动称之为汇合流； ——变形加工是使材料形变而量不变，这种流动称之为直通
SPDT加工精度： • 粗糙度Ra=0.02-0.005μm • 非球面形状精度≤ 0.1μm • 平面度≤0.06 μm
光学棱镜、镜头 无氧铜、铝合金件28
第2章 超精密切削与金刚石刀具
（1）平面镜切削示例
0. 5μm
塑性域加工 脆塑过渡切削 脆性域切削
29
第2章 超精密切削与金刚石刀具
30
第2章 超精密切削与金刚石刀具
44
第1章 绪 论
（2） 结合加工 ——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。
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： 化学镀、化学气相沉积、电镀、真空蒸镀、离子镀、物理气相沉ຫໍສະໝຸດ 等；55第1章 绪 论
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，
16 16
第1章 绪 论
实现精密、超精密加工的基本条件：
超精密加工 工具
超精密加工 环境
超精密加工 设备
精密超精密 加工技术
工件材料
超精密 测量技术
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第1章 绪 论
1.4.3 超精密加工技术的范畴与种类
超精密加工技术的研究内容主要包括： • 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
（1）良好的导热特性（热导率和比热容高）； （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； （3）膨胀系数低，抗热冲击； （4）耐热性和耐热损伤性有一限度。最大问题是金刚石
（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
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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
LLNL的LODTM超精密车床
• Work table: 1.65 m dia
• Figure accuracy: 0.028 μm
• Surface finish :3.5-9.0 nm
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第2章 超精密切削与金刚石刀具
(4) 微构形或曲面加工
菲涅耳(Fresnel)透镜
平面度<0.06 µm；表面粗糙度Rmax<0.02 µm
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具备加工面型检测功能，以补偿刀具磨损
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Aγ ——刚形成的切屑沿其流出的刀面 • 后刀面Aa —— 与工件加工表面相对的刀面 • 切削刃S—— 前刀面与后刀面的交线，承担主要切削工作 • 刀尖 —— 主、副切削刃的实际交点，为了强化刀尖，一
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；
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；
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第1章 绪 论
20 20
第1章 绪 论
工件材料与加工方法
无机 硬脆 材料
材料 半导体材料、陶瓷 … 玻璃、石英 … 蓝宝石、金刚石 …
软质金属塑料
耐热合复合材料
超精密加工方法 超精密磨削 超精密研磨 超精密抛光
超精密金刚石切削
超精密磨削 超精密研磨、抛光
21 21
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）
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(μm)级尺寸去除，则表现为位错，这一层次的加工属于精 密加工。
14 14
第1章 绪 论
按去除尺寸单位划分精度等级
Ⅲ一Ⅳ区间称为普通精度 Ⅱ一Ⅲ区间为精密加工 I一Ⅱ区间为超精密加工
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第1章 绪 论
1.4.2 精密、超精密加工精度的范围与条件
27
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
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
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第1章 绪 论
1.4.4 超精密加工的材料对象与应用
高硬度、高强度耐热合金
超
金属
（应用：航空、 航天、原子能工业）
精
材料
非铁金属材料
密
（应用：激光技术、光学、电子工业）
加
工
的
材
料
非金属
材料
高分子有机材料 （应用：光学、化学、电子工业）
复合材料 （应用：航天、能源工业） 无机硬脆材料
（应用：电子、原子能、能源工业）
对零件结构设计带来变革 重新衡量结构工艺性的优劣
传统加工中方孔的工艺性差 22 22
第1章 绪 论
1.4.5 精密、超精密加工技术的重要性
发展高技术和新产品的技术基础 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。
加工 精度 概念 的时 代发 展性
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第1章 绪 论
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。