精密和超精密加工技术及其发展展望.ppt

1 1发展精密和超精密加工技术的重要性1 2超精密加工技术的现状1 3超精密加工技术发展展望 第一章精密和超精密加工技术及其发展展望 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段 通常 按加工精度划分 可将机械加工分为一般加工 精密加工 超精密加工三个阶段 精密加工 加工精度在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之间的加工方法称为精密加工 超精密加工 加工精度高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m的加工方法称为超精密加工 微细加工 超微细加工 光整加工 精整加工等 一精密和超精密加工 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 提高制造精度后可提高产品的性能和质量 提高产品稳定性和可靠性 促进产品小型化 增强零件的互换性 提高装配生产率 并促进自动化装配 二提高加工精度的原因 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 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之一 金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数 日本声称已达到2nm 而我国尚处于亚微米水平 相差一个数量级 国际上公认0 1nm 100nm为纳米尺度空间 100nm 1000nm为亚微米体系 小于1个纳米为原子团簇 金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产 使制造水平有了大幅度提高 突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 1超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 三发展超精密加工的重要性 计算机工业的发展不仅要在软件上 还要在硬件上 即在集成电路芯片上有很强的能力 我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展 美国制造工程研究者提出的汽车制造业的 两毫米工程 车身尺寸变动量控制在 以内 使汽车质量赶上欧 日水平 其中的举措都是实实在在的制造技术 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 2精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 超精密加工的需求 国防工业上的需求 超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要地位 例如 对于导弹来说 具有决定意义的是导弹的命中精度 而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的 制造惯性仪表 需要有超精密加工技术和相应的设备 例如 美国民兵 型洲际导弹系统 12500公里 陀螺仪的精度为0 03 0 05 h 其命中精度的圆概率误差为500m 而MX战略导弹 11000公里可装载l0个核弹头 制导系统陀螺仪精度比民兵 型导弹高出一个数量级 从而保证命中精度的圆概率误差只有50 l50m 美国 民兵 型洲际弹道导弹发射 美国 民兵 弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机 如果lkg重的陀螺转子 其质量中心偏离其对称轴0 5nm 则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差 美国 民兵 弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机 如果lkg重的陀螺转子 其质量中心偏离其对称轴0 5nm 则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差 信息产品中的需求 航天与民用产品中的需求 又如 已被美国航天飞机送入空间轨道的 用来摄制140亿光年远星球图象的哈勃望远镜 其一次镜要求使用直径2 4m 重达900kg的大型反光镜 并且具有很高的分辨率 为此 专门研制了超精密加工 形状精度为0 01 m 光学玻璃用的6轴CNC研磨抛光机 红外线探测器反射镜 其抛物面反射镜形状精度为1 m 表面粗糙度为Ra0 01 m 其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率 激光核聚变用的曲面镜 其形状精度小于1 m 表面粗糙度小于Ra0 01 m 其质量直接影响激光的光源性能 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 3国防工业上的需求 计算机上的芯片 磁板基片 光盘基片等都需要超精密加工技术来制造 录像机的磁鼓 复印机的感光鼓 各种磁头 激光打印机的多面体 喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工 才能达到质量要求 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 4信息产品中的需求 硬盘工作原理 盘体由多个盘片组成 磁头读取数据时 盘片高速旋转 磁头处于离盘面数据区0 2 0 5微米高度的 飞行状态 既不与盘面接触造成磨损 又能很好的读取数据 磁头之所以能够飘浮起来 完全是靠空气的浮力 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 5民用产品中的需求 现代小型 超小型的成像设备 如摄相机 照相机等上的各种透镜 特别是光学曲面透镜 激光打印机 激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成 至于超精密加工机床 设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造 1 1发展精密和超精密加工技术的重要性 四精密和超精密加工目前包含三个领域超精密切削精密金刚石刀具切削精密和超精密磨削研磨解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等加工精密特种加工电子束 离子束加工 使美国超大规模集成电路线宽达到0 1 m 1 2超精密加工技术的现状 美国是开展研究最早的国家 单件大型零件加工 日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 中小零件加工 我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步 80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件 近年来 在传统加工方法中 金刚石刀具超精密切削 金刚石微粉砂轮超精密磨削 精密高速切削 精密砂带磨削等已占有重要地位 在非传统加工中 出现了电子束 离子束 激光束等高能加工 微波加工 超声加工 刻蚀 电火花和电化学加工等多种方法 特别是复合加工 如磁性研磨 磁流体抛光 电解研磨 超声珩磨等 在加工机理上均有所创新 1 2超精密加工技术的现状 影响精密和超精密加工的因素 1加工机理 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10 2 10 3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10 5 10 6数量级 材料在冶炼 铸造 辗轧 热处理等工艺过程中 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被加工材料 1 2超精密加工技术的现状 1 高精度 2 高刚度 3 高稳定性 4 高自动化 加工设备的质量与基础元部件 如主轴系统 导轨 直线运动单元和分度转台等密切相关 应注意这些元部件质量 此外 夹具 辅具等也要求有相应的高精度 高刚度和高稳定性 3加工设备及其基础元部件 1 2超精密加工技术的现状 加工工具主要是指刀具 磨具及刃磨技术 用金刚石刀具超精密切削 值得研究的问题有 金刚石刀具的超精密刃磨 其刃口钝圆半径应达到2 4nm 同时应解决其检测方法 刃口钝圆半径与切削厚度关系密切 若切削的厚度欲达到10nm 则刃口钝圆半径应为2nm 4加工工具 1 2超精密加工技术的现状 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削 这种砂轮有磨料粒度 粘接剂 修整等问题 通常 采用粒度为W20 W0 5的微粉金刚石 粘接剂采用树脂 铜 纤维铸铁等 4加工工具 1 2超精密加工技术的现状 尺寸和形位精度可用电子测微仪 电感测微仪 电容测微仪 自准直仪和激光干涉仪来测量 表面粗糙度可用电感式 压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量 或用光纤法 电容法 超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量 表面应力 表面变质层深度 表面微裂纹等缺陷 可用X光衍射法 激光干涉法等来测量 检测可采取离线的 在位的和在线的三种方式 1 2超精密加工技术的现状 5检测与误差补偿 误差预防通过提高机床制造精度 保证加工环境条件等来减少误差源及其影响 误差补偿是在误差分离的基础上 利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿 以消除误差本身的影响 静态误差补偿是根据事先测出的误差值 在加工时通过硬件或软件进行补偿 动态误差补偿是在在线检测基础上 在加工时进行实时补偿 1 2超精密加工技术的现状 5检测与误差补偿 超稳定环境条件是指恒温 防振 超净和恒湿四方面的条件 环境温度可根据加工要求控制在 1 0 02 甚至达到 0 0005 在恒温室内 一般湿度应保持在55 60 防止机器的锈蚀 石材膨胀 以及一些仪器 如激光干涉仪的零点漂移等 洁净度要求1000 100级 100级是指每立方英尺空气中所含大于0 5 m的尘埃不超过100个 依此类推 6工作环境 1 2超精密加工技术的现状 1 3超精密加工技术发展展望 向更高精度 更高效率方向发展 向大型化 微型化方向发展 向加工检测一体化方向发展 机床向多功能模块化方向发展 不断探讨适合于超精密加工的新原理 新方法 新材料 1技术发展趋势 1 超精密切削 磨削的基本理论和工艺 2 超精密设备的关键技术 精度 动特性和热稳定性 3 超精密加工的精度检测 在线检测和误差补偿 4 超精密加工的环境条件 5 超精密加工的材料 2主要研究内容 1 3超精密加工技术发展展望 LODTM 美国立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床