先进制造工艺技术..ppt课件

.,先进制造工艺技术,.,精密/超精密加工技术的内涵和特征,精密/超精密加工技术是适应现代化技术发展的一种机械加工新工艺，它综合应用了微电子技术，计算机技术，激光技术，使加工技术产生了飞跃发展,.,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1-10m左右，Ra0.10.8m精密加工：精度值0.1-1m左右，Ra0.1m以下超精密加工：精度值0.1m以下，Ra0.02m以下纳米加工：精度值低于0.001m，Ra小于0.005m,一精密/超精密加工技术的内涵,.,当前精密加工和超精密加工的水平,.,亚微米加工加工精度达到0.1微米级的加工纳米加工纳米级0.110nm材料的产品设计、加工、检验、控制等一系列技术微细加工制造微小尺寸零件的生产加工技术（半导体集成电路）光整加工降低加工工件表面粗糙度和提高表面层物理和力学性能的加工方法(抛光磁流加工磨料流加工）精整加工既能提高加工精度，又能提高表面质量的加工方法（研磨双端面研磨）,.,二精密与超精密加工技术的特点,1微量切削2综合性高技术3采用自动化技术来保证加工精度和表面质量（计算机控制在线控制自适应控制）4综合应用各种加工方法（传统切削和磨削特种加工复合加工）,.,三精密与超精密加工技术的应用,1超精密零件加工、2超精密异形零件加工3超精密光学零件加工,陀螺仪,飞机发动机的叶片,.,大规模集成电路,芯片局部显微图像,单晶硅切片制造芯片,切割封装,.,Hubble望远镜,微细齿轮,.,四精密与超精密加工技术加工方法,传统型主要依靠机械力去除工件材料特种型采用其他形式的能量去除工件材料复合型传统方法的复合特种方法的复合传统方法和特种方法的复合,.,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,宏观加工技术,微观加工技术,.,五精密与超精密加工技术关键技术,1加工机理（以金刚石刀具超精密切削为例）,1）刀具要非常锐利切削刃钝圆半径要很小,2）刀刃能承受巨大切应力,3）刀刃具有很强的高温强度和高温刚度,.,2）技术要求,超微量切削特征刀尖附近的极小局部区域能承受高温高压实现超薄切削刀刃平直工件材料的抗粘性好，化学亲和力好，摩擦系数小,.,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。,3）加工机床,.,1）主轴：要求极高的回转精度和刚度。,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,.,NAM800,LODTM超精密金刚石车床,.,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。,.,4）在线检测盒误差补偿,工件检测光波干涉测量隧道扫面显微镜机床本身精度检测主轴工作台径向跳动机床重复定位检测,.,5）工作环境,恒温超净防振恒湿,.,金刚石刀具切削,用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削称为金刚石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金属材料的精密加工,利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好,.,金刚石切削机理,切削在晶粒内进行切削力原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,.,刀尖附近二维切削模型,金刚石切削机理,金刚石切削刀尖的切削模型,金属切削模型弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,.,切削表面形成模型,金刚石切削机理,t0变质层深度；t1给定切深；t2实际切深；毛刺产生的粗糙度增量,切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映,.,切削表面形成模型,金刚石切削机理,理想刀具切削刃在工件表面的复印轮廓,切削刃的粗糙度切削刃口的复映性毛刺与加工变质层,影响表面形成的因素,.,金刚石切削刀具,超精密切削刀具应具备的条件：刀具刃口的锋利性好。刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。切削刃的粗糙度低。切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。刀具与被切削材料的亲和性低。以得到极好的加工表面完整性。切削刃强度高、耐磨损,不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石,.,金刚石的性能,金刚石刀具对超精密切削的适应性,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。,.,金刚石刀具刃口的锋利性最小圆弧半径可以达到2nm金刚石刀具刃口的粗糙度可达到Ry10nm金刚石刀具切削刃有良好的复印性金刚石刀具的热化学性能有较高的热导率和比热容，低的摩擦系数高温时易氧化和石墨化,金刚石刀具对超精密切削的适应性,最小圆弧半径的计算值,.,金刚石刀具的分类,天然单晶金刚石刀具人工合成金刚石刀具(如美国GE公司生产的COMPAX牌金刚石刀具)聚晶金刚石(PCD)（切割后焊在刀片上）金刚石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂层涂覆在超硬刀具基体上）,.,刀具切削刃比较,金刚石粉烧结体,立方氮化硼烧结体（CBN）,单晶金刚石,.,单晶金刚石刀具,金刚石的晶体结构和刃磨,.,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的硬度（努氏硬度）,.,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,金刚石的热稳定性与周围介质、硬度等有关,金刚石在不同介质条件下受热升温时所发生的状态,.,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,MBD6型金刚石在不同温度下保温1小时的抗压强度曲线,MBD6型金刚石在800加热不同时间的抗压强度曲线,.,单晶金刚石刀具,CBN和单晶金刚石的热稳定性比较,.,金刚石刀具可切削材料,可切削材料Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑胶,.,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等,金刚石切削机床,国内外典型超精密车床性能指标,.,典型金刚石切削机床,.,典型金刚石切削机床,T形布局的金刚石车床,车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,T形布局,.,金刚石车床主要性能指标,.,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球