（机械工程专业论文）光纤连接器陶瓷插芯超精密加工与检测技术研究.pdf

上海交通大擘博士后出站报告 1 1 研究背景及意义 1 绪论 随着信息化时代的来临，人们生产及生活的信息量里爆炸式增长趋势，传统的通 信技术已经很难满足不断增长的通信容量的要求，于是以光纤通信为代表的新兴通信 技术应运而生。光通信凭借其高速、宽带、大容量、较低损耗等优点，已成为支撑通 信业务量增长的最重要因素现在世界上大约有6 0 8 0 业务经光纤传输，但从当前 通信整体水平来看，仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力远来完全开发。光纤连接 器从1 9 9 9 年开始出现了全球性的供不应求的局面，主要是由于光纤连接器中的关键元 件陶瓷插芯和陶瓷套管供应跟不上需求。我国光纤连接器的发展速度要快于世界平均 速度，据有关机构预测，2 0 0 3 年连接器的需求超过3 0 0 0 万p c s 。随着国内大型光纤通 信骨干网的建设和中国西部大开发、振兴东北老工业基地等发展战略的确立，以及 2 0 0 8 年北京奥运会、2 0 1 0 上海世博会等项目大规模的通信设施投入，今后几年的年发 展速度有可能超过3 0 ，中国将成为潜在的消费大户。 在光纤通信系统中，光无源器件( 连接器、耦台器分路器、滤波器和光开关等) 占据十分重要的地位而光纤连接器是光通信系统中最普遍和使用量最大的基础无源 器件。由于陶瓷材料与石英光纤熟匹配性好，理化性能稳定，因此目前这一行业主要 发展以直径为2 5 m m 的陶瓷插芯为核心器件的光纤连接器。陶瓷插针因使用陶瓷脆性 材料，难m t ，加工精度及表面质量要求高( 插芯内孔尺寸：d ) 0 1 2 5 _ + 0 0 0 f 毫米， 外径尺寸：中2 4 9 9 _ + 0 0 0 0 5 毫米，外径圆度：0 5 微米，外径与内孔的同轴度：1 微 米，袭面粗糙度r a 小于0 0 2 5 微米) ，附加值高，其成套制造技术被外国企业所垄断， 世界上陶瓷插芯几乎全由日本厂商生产，而a d a m a n t 、t o t 0 、k y o c b r a 三家公司占绝对 垄断地位。我国有关科研院所虽然在陶瓷插芯产品开发和相关制造技术的研究方面取 得了一定的突破，但在质量、可靠性、稳定性上与国外相比还存在一定的差距，目前 还未发展出针对陶瓷插芯制造的专有技术和成套生产设备，因此每年要花费大量外汇 圭查奎墨苎苎堡主曼! 竺苎墨生 购买陶瓷插芯或引进成套生产设备。国内已建成投产的几家规模较大陶瓷插芯生产厂 家如深圳富士康、天津连展、江苏今浩、武汉晨信、韩大源( 吴江) 等，其生产工艺、 原辅材料及设备都是从国外成套引进，自身也不具备产品和设备的开发能力，难以实 现规模效应和低成本扩产。 为了改变这种落后和被动局面，缩小与发达国家的差距，促进我国光通讯事业的健 康发展，必须大力开发陶瓷插芯制造方面的自有技术和专用设备。通过组织攻关尽快系 统全面地掌握该项技术( 包括加工设备制造技术) ，必将有力推动光通信组件的国产化 进程，提高开发拥有自主知识产权的新型陶瓷插针的能力，促进我国光通信事业的发 展和超精密加工技术的进步，特别是可以培养和建立一支我们自己的研发队伍，增强 创新实力。 1 2 超精密加工技术回顾 1 1 1 分类及应用 当前，精密加工是指加工精度为i - - 0 1i li i 】、表面粗糙度为l a 0 1 o 0 2 5um 的加 工技术；超精密加工是指加工精度高于0 1um 、表面粗糙度r a 小于0 0 2 5um 的加工 技术，因此，超精密加工又称之为亚微米级加工。从精密加工和超精密加工的范畴来 看，它应该包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。微细加工 技术是指制造微小尺寸零件的加工技术：超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的 加工技术。光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法， 不着重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实 际上，这些加工方法不仅能提高表面质量，而且可以提离加工精度。精整加工是近年 来提出的一个新的名词术语，它与光整加工是对应的，是指既要降低表面粗糙度和提 高表面层力学机械性质，又要提高加工精度( 包括尺寸、形状位置精度) 的加工方法。 根据加工方法的机理和特点，精密和超精密加工方法，可以分为去除加工、结合加工 和变形加工三大类，如表卜l 所示。 从材料在加工过程中的流动分析，去除加工是使材料逐渐减少，一部分材料变为 2 一 圭苎苎墨苎! 苎主量璺苎垫生 切屑，这种流动称为分散流：结合加工是使材料逐渐增加，这种流动称为汇合流；变 形加工是使材料基本不变这种流动称为直通流。从加工方法的机理、特点和传统来 分类，精密和超精密加工又可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指 刀具切削加工、固结磨料和游离磨料的磨削加工；非传统加工是指利用电能、磁能、 声能、光能、化学能和核能等对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法 的复合作用，进行优势互补。相辅相成当前，在制造业中，占主要地位的仍是传统 加工方法。 表卜1 精密和超精密加工 分类加工机理主要加工方法示例 去除加工电物理加工、电化学加工、电火花加工( 电火花成型、电火花线切割) ；电 ( 分离加工)力学加工、力溅射、热蒸发、 解加工、蚀刻( 电子柬曝光) 、化学机械抛光；切 热扩散、热溶解削、磨削、研磨、抛光、超精加工、珩磨、超声 波加工、离子溅射加工等离子加工和喷射加工； 电子柬加工、激光加工、脱碳处理、气割 综合加工附着加工化学、电化 化学镀、化学气相沉积；电镀、电铸：真空蒸 学热、热熔化镀、熔化镀、子镀( 离子沉积) 、物理气相沉积 力物理 注入加工 化学电化氧化、氯化、活性化学反应；阳极氧化；晶体 ( 渗入加工)学热热扩散生长、分子柬外延、掺杂、渗碳和烧结；离子束 力物理外延、离子注入 连接加工热物理、电激光焊接、气焊、电焊、快速成型加工；化学 物理化学 粘接 变形加工( 流热流动、表面热流动粘滞流锻造、热流动加工( 气体火焰、高频电流、热射 动加工)动分子定向线、电子束和激光) ；铸造、液体流动加工( 金属、 塑料等压铸、注塑) ：液晶定向 目前，超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多 种方法的综合运用，己成为现代制造技术中的一个重要组成部分，其产品涉及国防、 航空航天、计量检测、生物医学、仪器等多个领域。回顾已经过去的2 0 世纪，人类 取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在 某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技 术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争 3 上海交通大学博士看出站报告 中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超 视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与 超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真 正强大的国防。 导弹是现代战争的重要武器，其命中精度由惯性仪表的精度所决定，因而需要高 超的精密和超精密加工设备来制造这种仪表。例如，美国“民兵”型洲际导弹系统的 陀螺仪其漂移率为0 0 3 0 0 5 。h ，加速度计敏感元件不允许有0 0 5um 的尘粒，它 的命中精度的圆概率误差为5 0 0 m ：m x 战略导弹( 可装载1 0 个核弹头) ，由于其制导系 统陀螺仪精度比“民兵一”型导弹要高出一个数量级，因而其命中精度的圆概率误 差仅为5 0 1 5 0 m 。对射程4 0 0 0 k m 的潜射弹道导弹。当潜艇的位置误差对射程偏差的 影响为4 0 0 m 、潜艇速度误差对射程偏差的影响为8 0 0 m 、惯性平台的垂直对准精度对射 程偏差的影响为4 0 0 m 时，要求惯性导航的陀螺仪的漂移精度为0 0 0 1 。h 、航向精度 在17 以上、1 0 小时运行的定位精度为0 4 o 7 海里，因此，陀螺元件的加工精度必 须达到亚微米级，表面粗糙度达到r a o 0 1 2 0 0 0 81 1m 。由此可知，惯性仪表的制造 精度十分关键。如l k g 重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴为0 5 n m 时，就会造 成l o o m 的射程误差和5 0 m 的轨道误差：激光陀螺的平面反射镜的平面度为0 0 3 0 0 6um ，表面粗糙度要求为r a o 0 1 2t tm 以上；红外制导的导弹其红外探钡6 器 中接受红外线的反射镜，其表面租糙度要求达到r a o 0 1 5 0 0 1um 。 航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等，在制造中都有大量的精 密和超精密2 n ；i ：的需求，如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能影响很大。 该轴承为真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度要求为r y o 0 1um ，即l n m 其圆度 和圆柱度均要求纳米级精度。被送入太空的哈勃望远镜( h s t ) ，可摄取亿万千米远的星 球的图像，为了加工该望远镜中直径为2 4 m 、重达9 0 0 k g 的大型反光镜，专门研制了 一台形状精度为0 0 11 1m 的加工光学玻璃的六轴c n c 研磨抛光机。据英国r o l l s r o y c e 公司报道，若将飞机发动机转子叶片的加工度，由6 0um 提高到1 2 um 、表面租糙度 由r a o 5l am 减少到0 2pm ，发动机的加速效率将从8 9 提高到9 4 ：齿轮的齿形和齿 4 圭查耋堡垒曼主曼曼苎墨兰 距误差若能从目前的3 6pm ，降低到l “m ，则其单位重量所能传递的扭距可提高近 l 倍。 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( 唧s ) 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、固防工业的发展直接相关。 1 1 2 超精密技术的发展趋势 超精密加工技术是一门综合性的系统工程，它的发展综合地利用了机床、工具、 计量、环境技术、微电子技术、计算机技术、数控技术等的进步。目前在超精密磨削、 超精密研磨、超精密特种加工方法簪方面发展迅速。 超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜 面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺 因素外，还必须有高精度、i 茵刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的 影响，并采取高精度检测手段和补偿手段 目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范 成3 5 n m 的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。 作为纳米级磨削加工，要求机床具有商精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削 ( d u c t i l eg r i n d i n g ) 。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机。特别是对要求高疲劳强度材 料( 如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材科) 的加工，是重要而有效的加工技术。此外， 砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或 陶瓷时很难获得镜面主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。f 1 本 理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整( e l i d ) 铸铁纤维结合剂( c i f b ) 砂轮 技术可以很好地解决这个问题。 当前的超糟密磨削技术能加工出0 0 1 i l m 圆度，0 1u i l l 尺寸精度和r a 0 0 0 5 u m 粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出0 0 3 弘功1 0 0 m m 的平面。 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研 磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度达0 0 2 5 t t m ，表面粗糙度达 r a 0 0 0 3um 。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5 a 。最高精 5 上净交通大学博士后出站报告 度的超精密研磨可加工出平面度为凡2 0 0 的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎 无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高 精度检测方法也比不可少。 超精密特种加工包括：电子束加工、离子束加工、激光束加工、微细电火花加工、 微细电解加工、复合加工等。 电子束加工是指在真空中将阴极( 电子枪) 不断发射出来的负电子向正极加速，并 聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为 势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工 作台xy 方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电 路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到商达 0 2 5 hm 的线条图形分辨串。 离子束加工是在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离 子是带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，它是靠微观 的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的，可用于表面刻蚀、超净清洗，实 现原子、分子级的切削加工。 激光束加工是由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表葡， 光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精 微防伪标志等。 微细电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生 的瞬时局部高温来熔化和气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削 力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材 料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。 微细电解加工是指导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳 极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来。随后即与电 解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氨氧化物沉淀。而工件阴极并不损耗，加工过 程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，只要精细地控制电流密度和电解部位，就 6 圭查奎璺苎兰! ! 圭生! 苎苎墨生 可实现纳米级精度的电解加工。而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄 以及一些需要无应力加工的场合。 复合加工是指采用几种不同能量形式、几种不同的工艺方法，互相取长补短、复 合作用的加工技术，例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花、超 声切削加工等，可比单一加工方法更有效，适用范围更广。 日本津和秀夫教授形象地将超精密加工比作富士山的山顶，所以在某种意义上说， 己到达了精密加工的顶峰，日本的文献上，经常出现向极限靠拢的提法，虽然从技术 的角度来说，有些模糊，但是很形象化。实际上。加工精度在现破的水平上再提高一 步已是相当困难，以现在的产品而言，凡是要求高的尺寸，大部分是趣越现有标准的。 这从另一个侧面反映了超精密的实际情况相当多的要求，均以技术条件的形式来表 示，或标明具体的特殊公差，而今天除了精度以外。对表面还提出了新的要求一表面 完整性。日本谷1 ：3 纪男教授往往将超精密加工技术与微细加工综合在一起来加以介绍， 客观上反映了两种技术的交叉，也体现了时代的特征。 总之，超精密加工技术随着时间的推延，精度、难度、复杂性等都在向更高层次 发展，使加工技术也随之需要不断加以更新，来与之相适应。以金刚石切削为例，其 刃! e l 圆弧半径一直在向更小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙 度，与光学镜面的反射率直接有关，而今反射率要求越来越高，如激光陀螺反射镜的 反射率己提出了9 9 9 9 ，必然要求金刚石刀具更加锋利，根据日本大阪大学岛田尚 一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度1 r i m ，其刃1 ：3 圆弧半径趋近 2 4 n m ，直至今日这个水平仍为世界最高的为了达到这个高度，促使金刚石研磨 机也改变了传统的结构，而采用了空气轴承作为支承，研磨盘的端面跳动能在机床上 自行修正，使其端面跳动控制在0 5ui n 以下，我国航空系统3 0 3 所研制的刃磨机就 是一例，刃口锋利了，接着其检测又成为一个难题，起先日本横滨大学的中山一雄教 授用金丝压痕的方法：后来发展到采用扫描电子显微镜( s e m ) ，其测量精度可达到 5 0 n m ：随着精度的再提高，日本的刀尖评价委员会又在s e m 上增加了= 次电子的发制 装置，这时也只能测定到2 0 4 0 n m ；1 9 9 3 年，该小组再提出采用扫描隧道显微镜( s t m ) 7 圭苎奎墨查兰堡主生生苎墨童 或原子力显微镜( a f m ) 来进行检测，但以后就未见报道，直到1 9 9 6 年，我国的华中理 工大学发表了用a p m 检测的报道。1 9 9 8 年，哈工大又再次作了报道，用a f m 成功地 检测了刃口圆弧半径。检测技术的突破，为微量切削机理的进一步探索创造了前提。 当前硬脆材料的加工已是当务之急，历来采用磨削的途径，但是在技术上存在比 较难克服的问题，往往满足不了光学等方面的要求，有的还将附加采用难度不小的抛 光，为了突破这个难题，世界各国都开始摸索新的途径，后来出现在超精密机床上加 工硬脆材料，控制极小切深和走刀量，首先从磨削突破了硬脆材料延性方式的技术， 紧接着也很快采用大负前角的金刚石车刀获得成功，当然在掌握上，仍然存在难度， 近期又有建议在金刚石的切削上如果复合振动切削，便能更易实现硬脆材料延性方式 的切削。日本足利大学的宫下政和教授发表了采用金刚石砂轮，控制切削深度和走刀 量，在超精密磨床上，可以进行延性方式磨削，即使是玻璃的表面也可以获得光学镜 面，这在技术上是一次很大的突破，接着，又发展到了直接采用大负前角度的金刚石 车刀在上述的类似条件下，也可以获得同样的结果，但车削的效率则明显的提高，今 天又提出如果将超声波技术与金刚石切削结合，更有利于发挥出功效。我国吉林工大 等也作了这种尝试，并取得了一定的成果。 砂轮采用金属结合剂，一般指的是铜，而为了提高砂轮的寿命，日本东京工业大 学的中川威雄教授采用了铸铁结合剂，使砂轮的寿命明显提高，这是很大的突破，随 之，引起了各种结合剂的研究热潮，后来日本理化学研究所的大森整就在这个基础上， 发展了砂轮的在线电解修整( e l i d ) 技术，又使超精密加工技术的途径得到了拓宽，在 镜面加工方面取得了进步。 金刚石技术的发展，近几十年来，给了科技人员很大的激励，从天然金刚石到人 造金刚石，从超硬金刚石薄膜到厚膜的形成，逐渐为在超精密制造技术方面广泛采用 金刚石工具创造了美好的前景。为了金刚石应用领域的拓宽，为突破金刚石切削黑色 金属，一直在进行大量的实践，如深冷切削、富碳大气中的切削等，都先后取得一些 效果，也有在金刚石的成份中掺入硼，使之与黑色金属的亲和力明显改善。而今金刚 石的刃磨已在探索其他的途径，如热化学研磨即为一例a 微量切削的机理一直是技术人员所关切的一个大问题，但是要直接对切削点观察 8 圭兰奎璺苎兰堡主墨生苎墨童 是异常困难的，现在有提议将切削装置小型化，放置于s e m 的镜头下进行切削并观察： 日本大阪大学井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步在向揭开微量切削的奥秘迫 近。 超精密机床的发展，已经相当成熟。它是最重要的硬件，它集大量成果于一体， 如高精度主轴、微量进给装置、高精度定位系统、气浮导轨技术、熟稳定性技术、n c 系统等。特别是美国的l l n l 实验室、日本的不二越、东芝机械等公司、英国的 c r a n f i e l d 、p n e u m op r e c i s i o n 等的产品都己商品化。超精密机床从机床的主轴、直 到床身，几乎均被认为到了精度的极限，因此每种型号特色都比鞍躜显，而商品化的 也有一些，但从已发表的文献中来看，只是少数，前者如美国的l 时国家实验室的 大型光学金剐石车床l o d t m 等，后者如p n e u m op r o c i s i o n 公司的s m g 3 2 5 超精密机 床。即使是大量生产磁盘的车床其需要量也是很有限的，以日本东芝机械公司为例， 据其公司的介绍，每年在日本的补充量也仅三十多台，或者更少。这是超精密机床的 特点。 超精密机床的特点扩大到整个超精密加工技术来看，有类似的情况，超精密加工 技术也都是在其有关的各项技术支撑的条件下，逐步发展起来的，同时又往往取各项 技术的崭新成果来加以充实、提高，例如金刚石车刀的刃口圆弧半径达到2 4 n m ，就 可切削下小于i n m 厚度的切屑，这为更高精度的加工创造了前提：摩擦驱动的出现， 完全解决了滚珠丝杆的发热、振动、振摆和噪音等的不足，使获得更佳的质量具有可 能性；冷却掖的温度能控制到2 0 土0 0 0 0 5 ：，在喷淋下切削可以保证高精度；静压 轴承的高精度为主轴的高精度回转提供了条件；双频激光干涉仪达到了当前的最高定 位精度：喻为零膨胀系数的微晶玻璃为超精密机床向更高层次的发展提供了可能。这 许多崭新的技术成就为整个超精密加工技术向纵深发展创造了依据。今f ：| 的超精密加 工技术就是以这许多先进技术作为支撑的，但是如何运用好这些技术，还有待更高超 的整合和重组的技巧。这是趣精密加工技术方面的重要课题。 总之，超精密制造技术是综合的、系统的技术组合，而且随着时间的推延，其内 涵始终在演变，因此必须及时跟踪、分析，综合地将其各方面的进步，以新颖的构思 巧妙地加以重组，来不断地提高超精密加工技术水平，适应时代的要求。 9 上海交通夫学博士后出站报告 1 3 研究内容及研究方法 l _ 3 1 技术要求及研究内容 陶瓷插芯制造的技术指标和技术要求为： 1 ) 采用氧化锆粉末注射成型，最高脱脂温度为5 0 0 。c ，最高烧结温度为1 4 5 0 c ： 2 ) 满足插芯中o 1 2 5 0 0 0 1 毫米的内孔和中2 4 9 9 o 0 0 0 5 毫米的外径尺寸公差 要求； 3 ) 保证插芯外径0 5 微米的圆度及内孔1 微米的同轴度要求； 4 ) 保证表面粗糙度r a 小于0 0 2 5 微米； 5 ) 9 5 以上的产品合格率和8 0 的单模率； 6 ) 加工设备采用自动上、下料系统： 7 ) 设备寿命和可靠性不低于进口同类设备水平； 根据陶瓷插芯制造的技术要求和技术指标，可以认定：陶瓷插芯的制造具有非常 明显的传统微细去除脆性超硬材料的超精密加工特征。其加工工艺主要为粗磨、光整 加工及研磨等。其难点和技术核心是实现脆性超硬材料塑性域的超精密加工及检铡。 为此，本项研究的关键技术为以下内容展开： 1 ) 陶瓷超硬材料塑性域超精密加工机理研究。”迸化加工”及”超越性加工”机理研 究；微观表面完接性研究；在超精密范畴内的对各种材料( 包括被加工材料和 刀具磨具材料) 的加工过程、现象、性能以及j ：艺参数进行提示性研究 2 ) 精密加工工具及刃磨在线修整技术研究。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉 砂轮及其修整技术研究。 3 ) 超精密测量技术和误差补偿技术研究。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测 量仪器研究；空间误差补偿技术研究：测量集成技术研究。 4 ) 超精密加工工作环境条件研究。超糟密测量、控温系统、消振技术研究；超精 密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。 5 ) 超精密、高速回转主轴单元制造技术、微量进给单元制造技术研究a 超精密车 1 0 圭堂塞墨查! 堡主生! 苎! ! ! ! 童 床工程化研究；超精密磨床研究：关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系 统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。 6 ) 光纤连接器陶瓷插芯制造工艺的研究。氧化锆材料的成型工艺、烧结工艺、超 精密加工工艺、清洗工艺、检测技术及质量保证体系的建立等。 7 ) 光纤连接器陶瓷插芯关键制造设备的研制。在关键设备制造方面，必须攻克高 回转精度的空气轴承或液体静压主轴系统、高分辨率微量气浮进给系统、高精度砂轮 在线修整系统及高精度非接触几何量及三维形面的光电检测四大子系统及其将四大子 系统集成的技术等难关。需要研制最终可工业化生产的内孔磨床、光学同轴度检测仪、 倒角机、捣碎机、切边机、同轴度磨床、p c 磨床、脱脂炉、烧结，研磨机、抛光机 等专用设备。 1 3 2 研究方法及技术路线 宁波韵升集团公司于2 0 0 2 年从韩国p r i m p o t e k 、日本精工精机株式会社及日本大 和精机株式会社等引进了一套具有9 0 年代国际先进水平的陶瓷插芯生产线。本项研究 将采用逆向思维的方法，先消化吸收国外先进技术，在此基础上对制造工艺和设备改进 提高和自主创新。即首先对这套生产线进行详细的结构性能分析和工艺试验，以掌握 陶瓷插芯加工工艺中关键工序的加工工艺要求，并借助现有技术及开展广泛的技术合 作攻克设备制造的关键技术，然后仿制重点关键设备，在此基础上改进或自主剖新设 计。 本项目实施的技术路线为：氧化锆材料的成型、烧结工艺研究一氧化锆材料超精 密磨削试验一氧化锫材料磨削工艺参数确定一选择砂轮及修整方法一回转主轴单元 设计、制造及性能测试一微量进给单元设计、制造及性能测试一高精度伺服控制及运 动补偿技术研究一超精密磨削机床结构设计及各子系统集袋一在线测量及质量控制研 究一专用生产及检测设备开发 上潭空通太学博士后出站报告 床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轼系、导轨副、数控伺服系 统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造披术研究。 6 ) 光纤连接器陶瓷插芯制造工艺的研究。氧化锆丰才料的成型工艺、烧结工艺、超 精密加工工艺、清洗工艺、检测技术及质量保证体系的建立等。 7 ) 光纤连接器陶瓷插芯关键制造设备的研制。在关键设备制造方面，必须攻克高 回转精度的空气轴承或液体静压主轴系统、高分辨率微量气浮进给系统、高精度砂轮 在线修整系统及高精度非接触几何量及三维形面的光电检测四大子系统及其将四大子 系统集成的技术等难关。需要研制最终可工业化生产的内孔磨床、光学同轴度检测仪、 倒角机、捣碎机、切边机、同轴度磨床、p c 磨床、脱脂炉、烧绩i ，。讲磨机、抛光机 等专用设备。 l _ 3 2 研究方法及技术路线 宁波韵升集团公司于2 0 0 2 年从韩国p r i l f p o t e k 、日本精工糟机株式会社及日本大 和精机株式会社等引进了一套具有9 0 年代国际先进水平的陶瓷插芯生产线。本项研究 将采用逆向愚维的方_ ；去，先消化吸收国外先进技术，在此基础上对弗4 造工艺和设备改进 提高和自主创新。即首先对这套生产线进行详细的结构性能分析和工艺试验以掌握 陶瓷插芯加工工艺中关键工_ l 芋的加工工艺要求，并借助现有技术及开展广泛的拄术合 作攻克设备制造的关键技术，然后仿制重点关镗设备，在此基础上改进或自主创新设 计。 本项目实施的技术路线为：氧化钴材料的成型、烧结工艺研究一氧化锫材料超精 密磨削试验一氧化钴材料磨削工艺参散确定一选择砂轮及修整方法一回转主轴单元 设计、制造及性能测试一微量进给单元设计、制造及性能测试一离精度伺服控制及运 动补偿技术研究一超精密磨削机床结构设计及各子系统集成一在线测量及质量控制研 究一专用生产及检测设备开发 究一专用生产及检测设备开发 上海交通大学博士后出站报告 2 1 概述 2 硬脆材料的超精密加工技术 1 9 6 0 年代后半期，软质金属光学零件的加工可以用金刚石切削从而达到光学零 件所要求的精度。超精密金刚石切削床的出现，表示具有悠久历史的切i t 1 ) m 工技术有 了创新。在精密工程方面，出现了“超精密”这一新的领域。在基于将工具和工件的 相对运动作为形状复印在工件上的“运动复印原理”基础上，机床具有形状创成功能， 在一定条件下，能得到所要求的光学精度。这就要求机床运动精度的不断提高，此时 美国等国家研制成功了各种型号的超精密车床。由于机床具有很高的运动精度，工件 和工具的相对运动精度在加工过程中能被正确地复印，这段时间进行了切屑生成机理、 材料去除机理以及工具等方面的研究，得到了许多成果。 在脆性材料的精密加工领域中，主要还是通过研磨、抛光作为其关键加工技术，即 使对脆性材料进行磨削加工，也是靠材料脆性破坏生成加工表面。由于运动复印精度 低。加工表面层损伤多，磨b , i ；b l l 工只能作为研磨加工的前道工序加以利用。 1 9 8 0 年代前半期，有报导利用进给量分辨率比原来高1 0 倍的的新型磨床，进行水 晶磨削加工时，若能减小工件和工具的干涉量，对于水晶这样的脆性材料，则靠塑性 流动能生成切屑，这说明基于“运动复印原理”的超精密磨削是可能实现的。从这开 始，欧美的国的研究人员开始研究脆性材料的超精密磨削，并且以切削方面的超精密 切削加工为基础，提出了脆性材料的延性方式磨削。在1 9 8 7 年的美国精密工程学会的 年度大会上，论述了工具和工件的干涉量和从切屑生成方面的脆性破坏迁移到延性破 坏的关系的实验及其结果。在欧美，有关延性方式磨削的研究从基础水平开始踏实地 在进行，之后有关脆性一延性迁移的研究、超精密磨床、超精密运动机理、砂轮的研 究，也陆续地在发表。 1 9 8 7 年，n c s u 精密工程中心进行了单晶锗的金刚石切削实验，得到了延性、脆性 迁移点d c 值，这个值表示了刀具与工件间的干涉量一切削深度，这是根据“运动复 上海交通大擘博士后出站报告 印原理”作为前提从脆性方式加工转变到延性方式加工最早的实验结果。d c 值在设 计运动复印型机床进行延性方式切削乃至延性方式磨削时，是最关键的基准值。 随着玻璃等脆性材料延性加工机理研究的进行，利用微小负荷压入脆性材抖引起 塑性变形，微小进给引起脆性材料连续型切削的生成等现象的观察，1 9 8 9 年第1 5 届 p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g 研讨会报告中出现了脆性材料延性方式的磨削、切削论文。 宫下等在原来脆性破坏的基础上，利用砂轮在磨削过程中的创成和提高磨粒自锐作用 为前提而形成的塑性领域的加工理论，称为微细磨削。换言之，使用微细修正的砂轮， 在塑性领域进行磨削实验，使用s i c 砂轮磨削玻璃，生成了全面塑性流动的表面。 在一定条件下，玻璃和陶瓷等脆性材料能用金刚石砂轮，在塑1 酵：试( 无裂纹) 下 加工，这种过程称为延性方式磨削。这对于复杂且高精度的光学零件和陶瓷零件的加 工具有很重要的意义。 硬脆材料的硬度高、脆性大，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比 有很大差异。一般，硬脆材料用断裂韧性和断裂强度表征材料属性，对于硬脆材料在 韧性和强度方面相互之间差异大，所以硬脆材料的磨削既不同于金属材料的塑性剪切 过程，又不同于一般高脆性材料( 如金刚石) 的纯脆性断裂过程。随着尖端科技的不断 发展，更加需要高质量的硬脆材料产品，如激光与红外光学晶体、陶瓷、石英玻璃等， 这些高质量的产品一般采用研抛技术获得，但生产周期长，产品成本高。近年来，超 精密磨削技术的进步，使得磨削表面的质量同研抛表面的质量十分接近，并且加工效 率大幅度提高。 1 9 7 0 年代开始实用化的超精密金刚石车削技术的加工精度，可以说满足了光学零 件上所要求的精度。利用这种技术加工的光学零件，如多面体镜，各种非球面透镜模 具，红外用各种透镜，非球面金属镜等。最近，随着短波长光学，特别是x 射线光学 领域研究的进展，x 射线反射镜等的需要明显增多。这些x 射线领域的光学元件多采 用非球面透镜，形状精度要求n m 级，表面粗糙度埃级，为了达到这种要求，单利用 超精密车削及研抛己不能满足要求。为范成更高精度的形状，可利用研性磨削工艺， 而这些x 射线光学零件，要求无加工变质层，所以急需解决的问题是延性方式磨削的 实用化。 1 3 圭查奎墨苎兰堡主曼生苎垫童 光学玻璃用磨削范成形状后，经过研磨、抛光工序，最终精加工成光学零件，但 成本较高。近年来，随着模压非球面光学元侔应用的增加，零件数量减少和装配工序 简单化，实现了成本的下降和零件性能的提高。而硬质合会制造的非球面透镜模具， 能通过磨削加工成镜面，这只适用于小型的非一球面透镜的制作。但是，对于中型和 大型的玻璃光学元件，并且批量少时，可应用延性磨削技术或研磨、抛光作最后的加 工。光学用非球面透镜利用磨削加工，加工表面粗糙度为r m a x lum 左右，并且有很高 的形状精度，但要迸一步提高加工表面粗糙度使之达到研抛面的水平极难，最终还是 要通过研抛达到零件最终要求，但这又有可能破坏以有的磨削精度。因此，在非球面 光学元件的加工中，在磨削阶段达到所要求的形状精度的同时，应尽可能减少 研抛的加工量。所以磨削的最终目标是得到接近研抛面质量的加工面。 用碗型树脂结合剂金刚石砂轮超精密平面磨削为代表的光学玻璃b k 7 的结果，能 得到表面粗糙度r a o i n m ，r m a x l b r i m ，这个水平与原来的研磨面相比是一个数量 级的。所以只用无研磨工序的超精密磨削精加工光学材料成为可能。但是为了进一步 实用化，新型磨床的开发，加工面的加工变质层或残余应力层的研究十分必要。应用 延性磨削技术，会产生加工面的残余应力比研磨抛光大，磨粒的切削刃磨损等问题， 若解决这些问题，原来广泛使用的硬脆材料的镜面加工可由超精密磨削加工替代研磨 加工。 2 2 加工机理 脆性材料最突出的一个特性就是材料的脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和 强度非常接近，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比有很大差异。当材 料所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏，在已加工表面产生裂纹和凹坑，严 重影响其表面质量和性能，所以脆性材料的可加工性极差。过去，人们一直沿用古老 的研磨、抛光工艺对脆性材料进行光整加工。这些加工方法生产效率低，加工精度不 易保证，而且加工过程不易实现计算机控制，对于曲面形状复杂的工件甚至无法加工， 因此已经远远不能适应现代高科技发展和高效率的要求。 1 4 圭查墨墨苎兰堡主墨生苎垫童 近年来，人们对脆性材料的) j o t 做了大量的探索和尝试。待别是随着科学技术的 高速发晨，金刚石刀具和超精密机床的制造技术都已发展剐极高的水平，使得对脆性 材料进行超精密切削加工成为可能。单纯通过金刚石切削脆性材料表面是近十几年来 才发展起来的新兴技术。它主要是通过对脆性材料实现塑性域的超精密切削来获得高 质量表面。这种方法由于具有 生产效率高、生产过程易于控 制、可加工形状复杂的工件等 优点，有着十分广泛的应用前 景。 2 2 1 尖锐压头对脆性材料 印压实验的脆塑变形理论 用锋利的金刚石刀具对 脆性材料的超糖密车削的可 能性是以脆性材料在尖锐的 专十 ( 8 墨) 十十 图2 - 1 尖锐压头下的材料变形过程 金刚石压头下能够产生塑性变形为基础的。在过去的几十年里，许多学者对各种硬脆 材料进行了大量的印压实验，即以一定的垂直力将金刚石压头压入材料内部一定的深 度，观察材料的变形情况。在印压实验的加载到卸载一个完整的循环中，破坏裂纹由 产生到扩展的过程如图2 一l 所示。 从图2 1 中可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的 塑性变形。当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内 部和表面上产生脆性裂纹。在这个转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷 称为临界载荷，此时压头压入的深度称为临界压深。这两个概念对描述脆性材料在外 力作用下何时由塑性变形方式向脆性破坏发生转变有很重要的意义。 a ) 初始加载：接触区产生一永久塑性变形区，没有任何裂纹破坏。变形区尺寸随载 荷增加而变大。 上海交通大学博士后出站报告 b ) 临界区：载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力集中处产生中介裂纹 ( m e d i a n c r a c i e ) 。 c ) 裂纹增长区：载荷增加，中介裂纹也随之增长。 d ) 初始卸载阶段：中介裂纹开始闭合，但不愈台。 e ) 侧向裂纹产生：进一步卸载，由于接触区弹塑性应力不匹配，产生一个拉应力叠 加在应力场中，产生系列向侧边扩展的横向裂纹( l a t e r a l c r a c k ) 。 f ) 完全卸载：侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。 临界压深的计算公式如下式所示： 小y ( 争) ( 2 - i ) 式中，d c 是临界压深，e 是材料的弹性模量，h 为材料硬度，k c 是材料的断裂韧性， 1 l r 是一个和压头的几何形状有关的常数。 在对脆性材料的印压过程中，中介裂纹总是首先产生的，而且它垂直于材料表面 向内部扩展，对材料的破坏最为严重，所以学者们对中介裂纹产生的长度和所施加的 垂直载荷之间的关系进行了详细的研究，得到如下关系式： c = 声( e h ) “2 c t g 妒2 ”p k 。 ( 2 2 ) 式中，c 表示裂纹长度，p 为所施加的垂直载荷，0 是取决于压头几何形状的常数， 中是压头的半顶角。 正是由于人们从印压和亥0 划实验中认识到即便是脆性材料，在压入深度很小时， 也会产生塑性变形，而且裂纹产生的长度和施加载荷存在一定关系，于是才提出了已 裂纹不扩展到己加工表面的脆性材料的延性域切削方式。 2 2 2 脆性材料超精密磨削 超精密磨削技术是近期发展起来的一种新的脆性材料加工方法，它是在高刚度超 精密磨床上，用金刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。即在一定条件下，玻璃和陶瓷 等脆性材料能用金刚石砂轮，在塑性方式( 无裂纹) 下加工，这种过程称为延性方式磨 削。这对于复杂且高精度的光学零件和陶瓷零件的加工具有很重要的意义。实现脆性 上海交通大擘博士后出站报告 材料的延性方式磨削主要基于两种原理，一是“压力复印原理”，另一则是“运动复 印原理”。工件和工具闻的支持刚性或高或低，从加工压力的控制功能来看，刚性低 时比较容易实现脆性材料的延性 磨削。但是，当刚性高时，如果 p 机床同时具备很高的运动精度， 磨削砂轮也有很高的形状精度， 而且磨粒切削刃高度分布均匀， 则可以进行象研磨、抛光一样的 低接触压力磨削加工。这两种情 况就是为了实现脆性材料的延性 侧 方式加工而设计的压力复印型机 床和运动复印型机床。现分述如 下： 硬脆材料的磨削既有别于金 属材料的塑性剪切过程，又不同 中介裂纹 图2 - 2 磨粒作用下的脆性裂纹系统 于一般高脆性材料( 如金刚石) 的纯性断裂过程。e v a n s 和m a r s h a l l 通过用金刚石压头 刻划过玻璃等脆性材料表面来模拟金刚石砂轮上的微小磨粒的切自0 过程。当所施加载 荷大于临界荷时，磨粒作用下的脆性裂纹系统如图2 - 2 所示。 实现对脆性材料的超精密磨削，关键是使材料以塑性变形方式去除。在磨粒的作 用下，材料表面刚好产生微裂纹，磨粒切入的厚度叫临界切削厚度。有许多学者对磨 削条件下脆性材料的脆塑转变进行了研究，美国学者t g b i f a n o 在对玻璃、陶瓷 等脆性材料做了大量的磨削实验的基础上，得到了超精密磨削中的临界切削厚度公式： d c = 0 1 5 , ( 剐鲁) 。， 式中，d c 是临界切削厚度，e 是材料的弹性模量，h 为材料硬度，k 是材料的断裂韧 性。 1 7 圭查圣垒垄竺堡主墨塞苎壁 8 0 年代后期，美国北卡罗莱那州立大学精密工程中心研制成功一台超精密磨床， 机床主轴刚度为5 0 i n m 。在该机床上用经过特别精密修整的金刚石砂轮对单晶硅、 单晶锗、非晶玻璃等多种光学脆性材料进行磨削，可以加工出没有裂纹的光滑表面。 另外，英国和日本也都自己研制成功了超精密磨床，其中英国的克兰菲尔德精密工程 中心的磨床是世界上主铀刚度最大的机床，日本的丰田精机公司开发出了用陶瓷材料 研制的零膨胀系数主轴的超精密磨床。 从脆性材料塑性域超精密加工的研究现状可以看出，脆性材料的超精密加工研究 取得了重要进展，对切削过程有比较深刻的认识。但是人们对脆性材料在超薄切削条 件下发生脆一塑转变的机制缺乏深入的研究，因此对临界切深的确定还只是建立在实 验测量的基础上，缺少理论的指导。同塑性材料超精密加工的研究水平相比，脆性材 料塑陛域超精密加工的研究尚属f i l l e t 起步，其中仍然存在许多问题值得探讨、研究。 2 3 被加工材料 用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能 均有严格要求。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷； 其化学成分的误差应在l o 1 0 4 数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强 度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到1 0 一1 0 “数量级：材料在 冶炼、铸造、辗轧、熟处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等， 使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。 2 4 超精密机床主轴单元及微量进给单元 通过研究发现，陶瓷等脆性材料超精密磨削，要求磨床必须能保证作0 1um 的 进给。为提高主轴刚性，选用大直径轴承；为提高运动精度，多采用液体或气体静压 支承方式主轴及导轨；为防止陶瓷表面出现裂纹，砂轮线速度以2 0 一3 0 n i s 为宜； 主轴回转精度提高到n x l 0 - 1 i i m 甚至n 1 0 2 um ，使能作镜面磨削；主轴转速需能 无级变速，以便选取最佳磨削条件。此外，还需要砂轮修整及平衡装置、机械电气性 圭苎苎璺叁兰堡圭生苎苎墨童 能稳定的运动系统等。 为了提高机床的热稳定性，机床普遍采用温控装置，采取适当措施消除磨床本体、 磁力吸盘、磨头电机、主轴轴承和液压系统的发热，使机床在整个工作过程中保持精 度稳定性。 有的机床还有振动监视系统，消除由于弹性振动而产生的工件表面容削痕迹。超 精密平面磨床不仅适用平面磨削，更应适用各类高精度成型表面和沟槽磨削。既可作 常规复式磨削，也可作缓进给成型磨削。 要实现脆性材料的延性方式磨削机床设计主要基于两种原理，一是“压力复印 原理”，另- n 是“运动复印原理”。现分述如下： 2 4 1 压力复印加工及其机床的设计 对脆性材料破坏机理的研究，最早是通过金刚石压头的挤压试验、刻划试验进行 的。玻璃和金属材料比较，抗张强度小，成为多发生脆性破坏。 谷口等作了球面压头压下时材料发生变形的实验，从材料的破坏情况可以表明： 当压头半径和压力小时，玻璃也和金属一样发生塑性变形。此外材料上的缺陷和应力 分布都会影响到脆性和塑性的转变。应力场的扩大，会像裂纹那样，在应力集中上， 发生脆性破坏。这就是压力复印加工的基本原理。 根据b r o w n 长年的光学玻璃加工经验，根据磨粒粒径不同，材料去除机理有脆性 方式加工微细裂纹加工和延性方式加工三种，每种方式材料去除率变化明显。当压 力设定在1 n c m 2 左右进行压力加工时，或像