精密与超精密加工技术

1,机械制造技术,精密与超精密加工,2,第一节概述,精密加工-加工公差为10.00.1m，表面粗糙度Ra0.300.03m的加工精密加工,微细加工微小尺寸的精密加工超微细加工微小尺寸的超精密加工,在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。,纳米加工-加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工称为纳米加工。,超精密加工-加工公差为0.10.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工；,3,几种典型精密零件的加工精度,4,精密加工与超精密加工的发展,5,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展,精密与超精密加工地位,6,7,精密与超精密加工特点,8,9,机理、特点,第二节金刚石超精密加工技术,切削在晶粒内进行(吃刀量)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,10,加工设备,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。,关键技术,11,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形布局的金刚石车床,T形布局（如图）,12,金刚石车床主要性能指标,13,金刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。,14,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（如图）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,15,金刚石刀具刃磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨晶向选择应使晶向与主切削刃平行圆角半径越小越好（理论可达到1nm）,金刚石刀具角度（如图）,16,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,17,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,第三节超硬磨料砂轮精密与超精密磨削,18,电泳磨削,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。,19,塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。,20,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（右图）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。,精密与超精密砂带磨削,21,用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,22,几种常见砂带磨削方式,23,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra值可达0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（右图），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,24,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,游离磨料加工,抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.10.01m,25,工作原理（右图）抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。,工作原理（右图）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,液体动力抛光,机械化学抛光,26,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01m。,激光测量,27,激光高速扫描尺寸计量系统（如下图）,28,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（=f1f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。,该信号与参考信号比较，获得f2的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。,氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。,双频激光测量,7.2.1精密与超精密加工技术,29,双频激光测量系统,30,恒温要求：10.01实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器,精密与超精密加工环境,31,微细加工通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1m10m。超微细加工通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m0.1m。精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。,第四节微细与超微细加工技术,32,33,主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（右图）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。,34,微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。,微细机械加工设备,35,机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,FANUC微型超精密加工机床,FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床,36,载流导体：逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变。,直接线性驱动（直线电机驱动）,37,电磁驱动装置（直线电机）工作原理,38,直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）,39,直线驱动与伺服电机驱动比较,40,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（下图）。,线放电磨削法（WEDG）,41,电子束光刻大规模集成电路加工过程,光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,42,要求：定位精度0.1m，重复定位精度0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动伺服电机+滚珠丝杠微动压电晶体电致伸缩机构,工作台微动的形成：X运动：Py1Py2Px长度变化Y运动：Py1Py2Py1长度变化Z转动：Py1Py2,加工设备（电子束光刻大规模集成电路）,43,利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。,44,将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。,离子束溅射去除加工,四种工作方式,45,离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。,离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。,46,离子束溅射镀膜加工,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”,离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。,47,用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,离子束溅射注入加工,离子束曝光,用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。,48,通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。,纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。,第五节纳米技术,49,扫描隧道显微测量（STM）,扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning和H.Rohrer发明，可用于观察物体级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。,STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。,G.BinningH.Rohrer,50,STM,STM工作过程演示,STM实物照片,51,通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,用STM移动分子组成的IBM字样,用STM观察石墨原子排列,52,当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于势垒高度时，隧道电流密度为：,式中h普郎克常数；e电子电量；ka，k0系数。,由上式可见，探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。,53,两种测量模式,54,关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。,STM针尖,55,（2）隧道电流反馈控制,56,（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管,（4）信号采集与数据处理由软件完成。,压电陶瓷扫描管结构及工作原理,当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图b)。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。,压电陶瓷扫描管结构见图a，其工作原理见图b。,57,原子力显微镜（AFM）,当两原子间距离缩小到级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。,AFM两种测量模式：接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保