先进制造技术课题作业

1、超精密加工技术成员： 王星辰 邢琳静 张晓臣 朱乾坤 郜庆魁 杜海爽一、超精密加工技术的发展状况 超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。 超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术. 超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.30.03m，表面粗糙度为Ra0.030.005m)和纳米级(精度误差为0.03m，表面粗糙度小于 Ra0.005m)精度的加工。实现这

2、些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。 二、工作原理 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。三、3.1 设备要求对精密和超精密加工所用的加工设备有下列要求。 (1)高精度。包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位

3、精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；(2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。(3)高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。 (4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。3.2 加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到24nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系

4、密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。3.3 磨具的材料 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。四、超精密加工主要包括三个领域（1）超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。 （2）超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。 （3）超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1m。如用扫描隧道电子

5、显微镜(STM)加工，线宽可达25nm。 4.1 超精密车削加工 超精密切削的主要目的是要切下一层极薄的金属层，与普通切削相比，刀具前刀面参与切削部分面积减小，而刀刃附近区域却要承担大部分的切削工作，这对选择的刀具材料提出了更高的要求。另外，背吃刀量从几微米减小到一微米以下时，车刀的尖端局部区域到达极高的温度。切削时采用的背吃刀量越小，就越要求使用的刀具耐热性高、耐磨性强和硬度高。，而金刚石刀具恰恰能够满足上述要求。因此，金刚石刀具被普遍认为是超精密加工最为理想的的刀具。 在超精密加工中，刀具的几何形状、振动、刀具的磨机床的几何运动精度和工件材料的变形等因素对超精密车削表面粗糙度具有显著的影响

6、。4.2 超高速磨削 超高速磨削与普通磨削相比具有以下突出优势： 1、磨削力小，零件加工程度高。当磨削效率相同时，磨削速度达200m/s时的磨削力仅为磨削速度的50%，但在相同的单颗磨粒切除条件下，磨削速度对磨削力影响极小，从而提高加工精度。 2、消除磨削热沟道的影响，工件表面层可得到残余压变化，因此有利于工件的稳定性。 3、可以实现磨削加工的自动化，同时能大幅度延长砂轮寿命。砂轮寿命与磨削速度成对数关系增长，使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时，磨削速度由30m/s提高到160m/s，砂轮磨削比由900提高到5100，有利于实现自动化磨削。 4、可以使工件表面更加高质量、低粗糙度值。在材料磨除率不

7、变的条件下，提高磨削速度可以降低单颗磨粒的磨削深度，从而减小磨削力。降低工件表面粗糙度值且在加工低刚度工件时，易于保证加工精度。 5、可以大幅度提高磨削效率，降低设备使用成本。当前高速磨削的材料磨除率已可与车削、铣削相比，为此磨削加工既可做精加工也可做粗加工，这样可大大减少机床种类，简化工艺流程。 在高速超高速磨削加工过程中，在保持其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的大幅度提高，单位时间内磨削区的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，则高速超高速磨削时每颗磨粒切削厚度变薄。这导致每个磨粒承受的磨削力大大变小，总磨削力也大大降低15。超高速磨削时，由于磨削速度很高，单个磨屑的形成时间极短。在极

8、短的时间内完成的磨屑的高应变率(可近似认为等于磨削速度)形成过程与普通磨削有很大的差别，表现为工件表面的弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及残余应力倾向减小。4.3.1 超精密特种加工电子束加工：电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控

9、制并在无污染的真空中进行加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。4.3.2 超精密特种加工离子束加工：离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空切充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，获得具有一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和

10、注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，是靠微观的机械撞击能量来加工的。离子束加工主要特点：1、加工精度高 2、污染少 3、加工应力、热变形等极小、加工精度高 离子束加工应用1、蚀刻加工： 离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。 离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。 太阳能电池表面具有非反射纹理表面。 离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。2、离子束镀膜加工： 离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。 离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。离子束装饰膜。 离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。提高刀具的寿命。五、发展前景 超精密加工，是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品