超精密加工技术

超精密加工技术 机械 二 班5506120028徐士豪 精密及超精密加工 概念与范畴 通常 按加工精度划分 机械加工可分为一般加工 精密加工 超精密加工三个阶段 目前 精密加工是指加工精度为1 0 1 m 表面粗糙度为Ra0 1 0 01 m的加工技术 但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的 今天的精密加工可能就是明天的一般加工 超精密加工是现代制造业的永恒追求其目的是提高产品的性能 质量以及可靠性 超精密加工技术是精加工的重要手段超精密加工技术已经成为全球市场竞争的关键技术 是衡量一个国家先进技术水平的重要指标之一 超精密切削加工 主要有超精密车削 镜面磨削和研磨等 在超精密车床上用经过精细研磨的单晶金刚石车刀进行微量车削 切削厚度仅1微米左右 常用于加工有色金属材料的球面 非球面和平面的反射镜等高精度 表面高度光洁的零件 例如加工核聚变装置用的直径为800毫米的非球面反射镜 最高精度可达0 1微米 表面粗糙度为Rz0 05微米 超精密特种加工 加工精度以纳米 甚至最终以原子单位 原子晶格距离为0 1 0 2纳米 为目标时 切削加工方法已不能适应 需要借助特种加工的方法 即应用化学能 电化学能 热能或电能等 使这些能量超越原子间的结合能 从而去除工件表面的部分原子间的附着 结合或晶格变形 以达到超精密加工的目的 属于这类加工的有机械化学抛光 离子溅射和离子注入 电子束曝射 激光束加工 金属蒸镀和分子束外延等 这些方法的特点是对表面层物质去除或添加的量可以作极细微的控制 但是要获得超精密的加工精度 仍有赖于精密的加工设备和精确的控制系统 并采用超精密掩膜作中介物 例如超大规模集成电路的制版就是采用电子束对掩膜上的光致抗蚀剂 见光刻 进行曝射 使光致抗蚀剂的原子在电子撞击下直接聚合 或分解 再用显影剂把聚合过的或未聚合过的部分溶解掉 制成掩膜 电子束曝射制版需要采用工作台定位精度高达 0 01微米的超精密加工设备 超精密加工方法 超精密切削超精密切削以SPDT技术开始 该技术以空气轴承主轴 气动滑板 高刚性 高精度工具 反馈控制和环境温度控制为支撑 可获得纳米级表面粗糙度 多采用金刚石刀具铣削 广泛用于铜的平面和非球面光学元件 有机玻璃 塑料制品 如照相机的塑料镜片 隐形眼镜镜片等 陶瓷及复合材料的加工等 未来的发展趋势是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗 超精密磨削超精密磨削是在一般精密磨削基础上发展起来的一种镜面磨削方法 其关键技术是金刚石砂轮的修整 使磨粒具有微刃性和等高性 超精密磨削的加工对象主要是脆硬的金属材料 半导体材料 陶瓷 玻璃等 磨削后 被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹 残留高度极小 加上微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 可获得高精度和低表面粗糙度的加工表面 当前超精密磨削能加工出圆度0 01 m 尺寸精度0 1 m和表面粗糙度为Ra0 005 m的圆柱形零件 超精密研磨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 超精密研磨加工出的球面度达0 025 m 表面粗糙度Ra达0 003 m 精密及超精密加工 超精密加工发展趋势 将向高精度 高效率 大型化 微型化 智能化 工艺整合化 在线加工检测一体化 绿色化等方向发展 a 高精度 高效率 随着科学技术的不断进步 对精度 效率 质量的要求愈来愈高 高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题 超精密切削 磨削技术能有效提高加工效率 CMP EEM技术能够保证加工精度 而半固着磨粒加工方法及电解磁力研磨 磁流变磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加工方法 成为超精密加工的趋势 大型化 微型化 由于航天航空等技术的发展 大型光电子器件要求大型超精密加工设备 如美国研制的加工直径为2 4 4m的大型光学器件超精密加工机床 同时随着微型机械电子 光电信息等领域的发展 超精密加工技术向微型化发展 如微型传感器 微型驱动元件和动力装置 微型航空航天器件等都需要微型超精密加工设备 c 智能化 以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标 加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率 这一点在超精密加工中体现更为明显 工艺整合化 当今企业间的竞争趋于白热化 高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件 在这样的背景下 出现了 以磨代研 甚至 以磨代抛 的呼声 另一方面 使用一台设备完成多种加工 如车削 钻削 铣削 磨削 光整 的趋势越来越明显 e 在线加工检测一体化 由于超精密加工的精度很高 必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率 同时由于加工设备本身的精度有时很难满足要求 采用在线检测 工况监控和误差补偿的方法可以提高精度 保证加工质量的要求 绿色化 磨料加工是超精密加工的主要手段 磨料本身的制造 磨料在加工中的消耗 加工中造成的能源及材料的消耗 以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担 我国是磨料 磨具产量及消耗的第一大国 大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及中国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液 废气排量及标准实施严格管制 超精密加工对刀具要求 1极高的硬度 和耐用度 弹性模量 以保证刀具有较高的刀具耐用度2刃口能磨的极其锋利 刃口半径值极小 能实现超薄的切削厚度 3刀刃应无缺陷 因切削时刃形将复印在加工表面上 不能得到超光滑的镜面 4与工件材料的抗粘性好 化学亲和性小 摩擦因数低 能得到极好的加工表面完整性 我国精密和超精密加工发展策略我国精密和超精密加工经过数十年的努力 日趋成熟 不论是精密机床 金刚石工具 还是精密加工工艺