精密与超精密加工机械制造技术ppt课件

1、1u精细加工精细加工-加工公差为加工公差为10.00.1m，外表粗糙度外表粗糙度Ra0.300.03m的加工精细的加工精细加工加工 在高精度加工范围内，根据加工精度程度的不同，可进一步划分为精细加工、超精细加工和纳米加工三个档次。u纳米加工纳米加工-加工公差小于加工公差小于0.01m、外、外表粗糙度表粗糙度Ra小于小于0.005m的加工称为纳的加工称为纳米加工。米加工。 u超精细加工超精细加工-加工公差为加工公差为0.10.01m、外表粗糙度外表粗糙度Ra0.030.005m的加工超精的加工超精细加工；细加工；2 零件 加 工 精 度 外表粗糙度 激光光学零件 外形误差 0.1m Ra 0.0

2、10.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 外形误差 0.03m Ra 0.01m 几种典型精细零件的加工精度3精细加工与超精细加工的开展普通加工精细加工超精细加工超高精细磨床超精细研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备丈量仪器精细车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精细磨床光学磁尺电子比较仪超精细磨床精细研

3、磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差m10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份4q 精细与超精细加工位置5结合加工 分类 加工机理 加工方法例如去除加工电物理加工 电火花加工电火花成形，电火花线切割电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、放射加工热蒸发分散、溶解 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相堆积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离

4、子束外延延续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精细锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精细铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向精细与超精细加工分类6背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进展，与传统切削机理完全不同。传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精细与超精细加工特点7要到达加工要求，需综合思索工件资料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、任务环境等诸多要素，是一项复杂的系统工程，难度较大。广泛采用计算机控制、顺应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的要素影响，保证加工质量。精细与超精细加工设备造价高，难成系列。经常针对某一特定产品

5、设计如加工直径3m射电天文望远镜的超精细车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备。精细检测是精细与超精细加工的必要条件，并经常成为精细与超精细加工的关键。8map19Moore金刚石车床回转任务台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器10车床主轴装在横向滑台X轴上，刀架装在纵向滑台Z轴上。可处理两滑台的相互影响问题，而且纵、横两挪动轴的垂直度可以经过装配调整保证，消费本钱较低，已成为当前金刚石车床的主流规划。 T形规划的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板11数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11

6、/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min反复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承100mm的刚度 /N/m主轴后静压轴承80mm的刚度 /N/m纵横滑台的静压支承刚度 /N/m金刚石车床主要性能目的主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m12a4 次对称轴和100晶面L4100110L2L3111b2 次对称轴和110晶面c3 次对称轴和111晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面13111面网C原子分布和解理劈开面劈开面14单晶金刚石456.46.412AA6

7、6A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000金刚石刀具角度15金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片16可在线修整17进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮铁纤维结合剂冷却液冷却液电刷1819接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上 砂带磨削表示图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给径向进给f-径向振动径向振动2021几种砂带磨削方式a砂带无心外圆磨削导轮式 工件导轮接触轮 自动轮砂带工件 接触轮自动轮砂带b砂带定心外圆磨削接触轮式c砂带定心外圆磨削接触轮式工件接触轮自动轮砂带接触轮砂带工件d砂带内圆磨削回转式工件支承板自动轮砂带任务台

8、e砂带平面磨削支承板式f砂带平面磨削支承轮式支承轮工件砂带接触轮221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，磨削比切除工件分量与砂轮磨耗分量之比高，有“高效磨削之称。 4制造简单，价钱低廉，运用方便。5可用于内外外表及成形外表加工。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带构造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。23工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)弹性发射加工原理抛光轮与工件外表构成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转呵斥磨料的“弹性发射进展加工。24抛光工具液体动力抛光

9、小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒抛光工具活性抛光液机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压25q 激光丈量26受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器激光扫描尺寸计量系统27由于挪动反射棱镜随被测件挪动，频率f2变成 f2f2 。两路反射回来的光经偏振分光镜集合一同，再经反射镜和干涉丈量仪获得拍频信号，其频率为：f1 f2 f2 = f + f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉丈量仪获得拍频f= f1 f2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；程度线偏振光 f2全部透射，再经挪动反射棱镜反射回

10、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。由于运用频率差f 进展丈量，使其不受环境变化影响，可获得高的丈量精度和丈量稳定性。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波片构成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的程度线偏振光。经透镜组成平行光束。固定反射棱镜 双频激光丈量系统原理图干涉丈量仪f2 +f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2挪动反射棱镜f2f2 +f2偏振分光镜f1f1ff +f228双频激光丈量系统29q 精细与超精细加工环境3031热流动加工火焰，高频，热射线，激光压铸，挤压

11、，放射，浇注微离子流动加工热外表流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀电镀，电铸氧化，氮化阳极氧化真空蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，侵镀，熔化镀溅射堆积，离子堆积离子镀离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着分散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工分散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发分散与熔化溅射分别加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法32单晶金刚石铣刀刀头外形333

12、4BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C CFANUC 微型超精细加工机床3536电磁驱动安装直线电机任务原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1挪动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧37直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司 38直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm

13、) 510 0.51.0 反复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 5000039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。如导丝器经过数字控制造相应的运动，还可加工出各种外形的杆件以下图。WEDG 可加工的各种截形杆WEDG任务原理任务原理工件金属丝导丝器40离子束4. 刻蚀刻蚀构成沟槽构成沟槽5. 堆积堆积构成电路构成电路6. 剥膜剥膜去除光致抗蚀剂去除光致抗蚀剂3. 显影、烘片显影、烘片构成窗口构成窗口窗口2. 曝光曝光投影或扫描投影或扫描掩膜电子束电

14、子束光刻大规模集成电路加工过程1. 涂胶涂胶光致抗蚀剂光致抗蚀剂氧化膜光致抗蚀剂基片41要求：定位精度 0.1m，反复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液气静压导轨任务台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微开任务台XY0Py1Py2Px微开任务台任务台微动的构成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 42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“轰击工件外表，进展“溅射加工。离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离

15、子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件外表工件真空43惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦安装摆动安装工件三坐标任务台 离子束去除加工安装离子束去除加工安装44离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具45离子束源靶溅射资料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工464748q 扫描隧道显微丈量STMA49STMSTM任务过程演示STM实物照片 50经过扫描隧道显微镜支配氙原子用35个原子排出的“IBM字样 石墨三维图像 用STM挪动分子组成的IB

16、M字样用STM察看石墨原子陈列5124212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常数； e 电子电量； ka，k0 系数。12d试件STM探针UbSTM隧道结隧道结522恒电流丈量方式：探针在试件外表扫描，运用反响电路驱动探针，使探针与试件外表之间间隔隧道间隙不变。此时探针挪动直接描画了试件外表形貌。此种丈量方式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反响电路驱动电压与位移之间的关系上，防止了非线性，提高了丈量精度和丈量范围。b试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器STM任务原理任务原理扫描器检测电路a输出试件运动轨迹1等高丈量方式：探针以不变高度在试件外表扫描，隧道电流随试件外表起伏而变化，从而得到试件外表形貌信息。53STM针尖针尖542隧道电流反响控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大线性化探针压电陶瓷试件隧道电流反响控制系统原理框图D/A553纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管4信号采集与数据处置由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZaLL0b压电陶瓷扫描管构造及任务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，构成X方向扫描(图b ) 。假设两外壁电极电压一样，那么陶瓷管伸长或缩短，构成Z方向位移。压电陶瓷扫描管构造见图a ，其任