先进制造技术-3精密与超精密加工技术.ppt

精密与超精密加工技术 山东理工大学精密模具省重点实验室黄雪梅 1 超精密加工技术概述2 超精密加工技术的发展历程3 超精密加工的范畴4 超精密加工的主要研究领域5 超精密加工的主要方法6 超精密加工的发展趋势 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺 目前成为衡量现代制造技术水平的重要指标之一 是现代制造技术中最活跃的因素 已成为一个国家制造技术水平的主体 精密与超精密加工技术 1 概述 美国的NNI Nationalnanotechnologyinitiative 纳米计划英国的多学科纳米研究合作计划IRC Interdisciplinaryresearchcollaborationinnanote chnology 日本的纳米技术支撑计划 世界发达国家均予以高度重视 最近启动的研究计划包括 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺 随着加工技术的发展 精密加工的技术指标也在不断变化 一般加工 精度值1 10 m左右 Ra0 1 0 8 m精密加工 精度值0 1 1 m左右 Ra0 1 m以下超精密加工 精度值0 1 m以下 Ra0 02 m以下纳米加工 精度值低于0 001 m Ra小于0 005 m 精密与超精密加工技术 2 超精密技术的发展历程 1 20世纪50年代至80年代为技术开创期 2 20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期 3 20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期 精密与超精密加工技术 Y 12核武器工厂 原子弹 小男孩 原件模型 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 促进超精密加工技术发展的因素 1 对产品高质量的追求 2 对产品小型化的追求 3 对产品高可靠性的追求 4 对产品高性能的追求 国际知名超精密加工研究单位与企业主要有 美国LLNL实验室和Moore公司英国Granfield大学和Tayler公司德国Zeiss 蔡司 公司和Kugler公司日本东芝机械 丰田工机和不二越公司等 国内主要的研究单位有北京机床研究所 清华大学 哈尔滨工业大学 中国科学院长春光机所应用光学重点实验室 大连理工大学和浙江工业大学等 精密与超精密加工技术 超精密切削 车削 铣削 超精密磨削超精密研磨 抛光微细 超微细 纳米 加工 精密与超精密加工技术 3 超精密加工的范畴 宏观加工技术 微观加工技术 微细 超微细 加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的 是大规模集成电路和计算机技术的基础 是信息时代 微电子时代 光电子时代的关键制造技术之一 超微细加工以电子束 离子束和激光束三束加工为基础 采用沉积 刻蚀 溅射和蒸镀等加工手段进行各种处理 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 4 超精密加工的主要研究领域包括 超精密加工技术是以高精度为目标的技术 它必须综合应用各种新技术 在各个方面精益求精的条件下 才有可能突破常规技术达不到的程度界限 实现新的高精度指标 1 超精密切削刀具 刀具材料 2 超精密加工设备 3 超精密加工环境控制 包括恒温 隔振 洁净控制等 4 超精密加工的测控技术 精密与超精密加工技术 1 超精密加工刀具 精密与超精密加工技术 超精密加工要求刀具能均匀地去除不大于工件加工精度且厚度极薄的金属层或非金属层 超精密切削中的加工刀具 一般指天然单晶金刚石刀具 超精密切削中必须保证金刚石刀具的刀面与刃口质量 超精密磨削的加工刀具砂轮的磨料品级与力度均匀性在加工中十分重要 2 超精密加工设备 精密与超精密加工技术 目前的超精密加工机床一般采用高精度空气静压轴承支撑主轴系统 空气静压导轨支撑进给系统的结构模式 另外 要实现超微量的切削 必须配有微量移动工作台的微进给驱动装置 摩擦驱动方式 和满足刀具角度微调的微量进给机构 并实现数字控制 1 主轴 要求极高的回转精度和刚度 精密与超精密加工技术 空气静压轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的回转精度 2 导轨及进给驱动装置 动作灵活 无爬行等不连续动作 直线精度好 通常采用空气静压导轨 空气静压导轨 摩擦驱动原理图 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 3 超精密加工的工作环境 超精密加工必须在超稳定的环境下进行 主要衡量指标有三个 超净防振恒温 6 超精密加工的主要方法 精密与超精密加工技术 6 1金刚石刀具镜面切削 1 金刚石刀头的特性 2 金刚石刀头的制造 3 刀头的使用特性 4 刀头的形状 精密与超精密加工技术 1 金刚石的颜色和硬度选用黄色金刚石 韧性较好 硬度较高 一般用于金属材料和硬度较低的材料的加工茶色金刚石 韧性差 硬度最高 一般用于难切削材料的镜面加工中 2 热传导率金刚石的热传导率是矿物中最大的 切削加工中发热量非常小 天然金刚石的加工多采用研磨加工方法 通常采用空气轴承研磨机 由于振动小 可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径 精密与超精密加工技术 1 刀尖的磨损在切削距离到达100km以前 后刀面磨损急剧上升 以后磨损逐渐减慢 注 由于积屑瘤的原因 一般将研磨好的锋利刀尖有意加工成理想的稳定的磨损状态 2 切削速度和振动提高切削速度有利于获得良好的加工表面 但注意以不产生振动为准则 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 6 2超精密磨削 加工精度 0 1um Ra0 002 0 02um的磨削方法 超精密磨削一般采用细粒度 80 400 砂轮 经过精细修整 光磨4 6次 便可获得粗糙度为Ra0 005 0 02um的加工表面 精密与超精密加工技术 1 超精密磨削表面的形成机制 超精密磨削获得的极低的表面粗糙度 主要靠砂轮精细修整得到的大量的 等高性很好的微刃来实现微量切削作用 随着磨削时间的增加 微刃被磨的平坦 等高性获得改善 作用在每一个微刃上的磨削力减小 随着磨削作用力的减小 磨粒的摩擦抛光作用加强 这种摩擦 抛光作用在精密磨削过程中对稳定尺寸 降低表面粗糙度都起至关重要的作用 硬脆材料超精密磨削的主要方式 延性磨削在硬脆材料磨削加工中 为了使加工表面不产生脆性断裂现象 使材料以 塑性 流动方式去除 必须保证未变形切削厚度小于脆性 塑性 或称延性 转换临界值 该临界值因材料而异 大约为0 1 m 能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式 精密与超精密加工技术 2 影响超精密磨削质量的主要因素 1 砂轮特性的影响 磨料材料 粒度 结合剂 磨料材料与工件材料的选配应遵循以下基本规律 钢件和铸铁零件应选用单晶刚玉砂轮 对铜合金和铝合金零件 单晶刚玉和碳化硅磨料均可 硬脆材料零件的超精密磨削 应选用立方氮化堋 金刚石磨料的砂轮 具备形成微刃的粒度才是超精密磨削砂轮选用的粒度 超精密磨削所选用的磨料粒度为 80 400 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 普通工件材料的零件宜选用硬度中软 使用陶瓷结合剂且组织紧密的砂轮 且磨粒分布要均匀 超硬磨料砂轮采用金属结合剂 2 砂轮修整的影响砂轮的修整通常采用车削法和电解法 车削法适用普通磨料砂轮的修整 而电解法适用超硬磨料砂轮的修整 ELID砂轮修整方法1987年日本学者大森整提出的在线电解砂轮修整 electrolyticinprocessdressing ELID 方法 可以用于超精密延性磨削 ELID修整方法中 砂轮在工作中接正电极 安装在机床上的修整电极为负电极 通过砂轮与电极之间浇注的电解液进行电化学作用在线修整砂轮 使砂轮保持锋利 精密与超精密加工技术 大森整使用ELID方法加工光学玻璃非球面透镜 精度达到0 2 m 表面粗糙度Ra达20nm 砂轮的修整用量对超精密磨削质量也有一定的影响 修整参数包括 修整导程 修整切深 修整次数以及光修次数 精密与超精密加工技术 3 磨削用量对超精密磨削表面的影响 包括砂轮速度 工作台速度 磨削深度 精密与超精密加工技术 砂轮速度对磨削表面粗糙度无显著影响 但速度增加 机床振动变大 对工件加工不利 工作台速度对磨削表面质量影响很大 应选用低一点的工作台速度 磨削深度不能过大 一般小于0 003mm 4 光磨次数的影响 5 冷却润滑液的影响 精密与超精密加工技术 6 3超精密研磨 抛光 研磨和抛光利用研磨剂使工件和研具之间通过相对复杂的轨迹而获得高质量 高精度的加工方法 通常 研磨为次终加工工序 将平面度降低至数微米以下 并去前道工序 通常为磨削 产生的损伤层 抛光是目前主要的终加工手段 目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的损伤层 获得光滑 无损伤的加工表面 抛光过程中材料去除量十分微小 约为几个微米 6 3 1研磨加工的机制和特点 通常使用尺寸为几个um至十几um大小的氧化铝和碳化硅做研磨剂 磨料 铸铁等硬质材料做研具 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术 6 3 2抛光加工的机制与特点 通常使用1um以下的微细磨粒 而抛光器则需要使用沥青 石蜡 合成树脂 人造革 特富隆等软制材料制成 超精密研磨 抛光 通常选用粒度大小只有几个或几十个纳米的研磨微粒 对加工表面进行长时间的研磨以达到极高表面质量 超精密研磨机床的要求很高 弹性发射研磨抛光加工 弹性发射加工 ElasticEmissioMachining EEM 是一种新的 原子级尺寸加工方法 EEM使用软 在微小压力下很容易发生变形 的聚亚胺酯球作为抛光工具 研磨工具 同时控制旋转轴与加工工件的接触线保持在45 角 抛光时 垂直工件方向施加载荷 并且保持载荷是1个常量 EEM采用亚微米 纳米 尺寸微粉 氧化锆 微粉与水混合 通过强迫微粉在旋转的聚亚胺酯球表面下方与工件间距近似1 m 也就是大于研磨微粉尺寸 加工工件 弹性发射加工研磨抛光 磁力研磨抛光 磁力研磨抛光是利用磁场作用进行研磨加工的新方法 它能高效 快速地对各种材料 尺寸和结构的零件进行超精密加工 是一种投资少 效率高 用途广 质量好的研磨加工方法 磁力研磨抛光 化学机械 研磨抛光 CMP 化学机械抛光分为干式和湿式抛光两种 干式抛光是报道较多的用于加工蓝宝石材料的抛光方法 湿式抛光法已被世界上广泛接受为一种加工半导体硅片的标准方法 化学机械 研磨抛光 CMP 化学 机械研磨抛光 粗研 精研 粗抛 精抛 CMP 化学 机械研磨抛光 水合研磨抛光是一种积极利用在工件临界面上生成水合化反应的研磨抛光方法 其主要特点是不使用磨粒和加工液 而加工装置又与目前使用的研磨盘或抛光机相似 只是在水蒸汽环境中进行加工 为此 要尽量避免使用能与工件产生固相反应的材料抛光盘 水合研磨抛光 水合研磨抛光 悬浮抛光 悬浮抛光是在微粉粒子的撞击和研磨液的化学作用下产生研磨作用 去除工件表面的微量材料 该方法经济性好 生产率高 不仅可达到很高的表面粗糙度等级 而且加工的几何精度也很高 并在被加工表面几乎不产生变质层 这对微电子功能材料的加工有很重要的应用价值 悬浮抛光 离子束抛光 离子束抛光是把中性离子在电场中加速 撞击工件表面的原子或分子 使其逸出表面从而将材料去除 由于被加工材料以原子或分子为单位去除 可获得纳米级高质量加工表面 等离子体辅助抛光又称化学蒸发加工 chemicalvaporizationmachining CVM 是在真空环境下进行将化学气体 通常为卤素类气体 如CF Cl2等 激发成活性等离子体 与加工面产生化学反应 生成挥发性物质从而达到材料去除的目的 这种加工方法实用化的一种就是等离子腐蚀 等离子体辅助抛光 PACE 7 超精密加工的发展趋势 高精度 高效率工艺整合化两极化 大型化 微型化 在线检测智能化绿色化 精密与超精密加工技术 超精密加工的设备 超精密加工设备是实现精密加工的重要组成部分 目前 在超精密加工设备的开发方面 美国 日本和英国走在前列 超精密加工设备应由精密结构化 温度控制 振动控制和先进驱动装置组成 加工平面 Ra 0 005um 超精密数控车床 北京机床研究所 超精密光学镜面铣床 Ra0 01 m 北京机床研究所 主轴回转精度 0 05 m 导轨直线度 0 2 m 200mm 恒温油温控精度 0 004 微量进给精度 0