1超精密加工技术的含义由于加工技术水平的发展,超精密加工划分的界限逐渐向前推移,但在具体 数值上没有固定的界定.根据目前技术水平及国内外专家的看法,对中小型零件的加工形状误差△ 和表面粗糙Ra的数量级可分为3个档次:1)精密加工:△=1.0~0.1μm,Ra=0. 1~0.03μm;2)超精密加工:△=0.1~0.01μm,Ra=0.03~0.005 μm;3)纳微米加工:△<0.01μm,Ra<0.005μm;2超精密加工方法的发展超 精密加工技术是先进制造技术领域的前沿课题,它对国防、航空航天、核能及国民经济各高新技术 领域的精密零件的研制具有重要作用,是体现一个国家制造技术水平高低和参与国际市场竞争实力 的标志,因此受到各工业发达国家的重视.根据最近的报道,美国、日本、英国等国对几种轻金属 材料的纳米车削研究已取得一系列成果,我国一些研究机构如哈尔滨工业大学、航空航天933研 究所等在超精密车削和磨削加工技术等方面的研究也取得较大进展.3超精密加工方法的发展超精 密加工方法根据零件的不同形态、加工精度、表面质量及材料特性(主要是有色金属、硬脆材料) 等进行选择.根据加工机理可将加工方法分为3类:1)机械能量法(切削加工、磨削加工、切断 (割)加工、磨粒加工等);2)热能量法(激光加工、电子束加工、离子束加工等);3)电气 、化学能量法(电解加工、电解研磨、化学研磨等).常用的加工方法有以下几种:(1)超精密 切削.随着一些关键技术,特别是气体静压轴承技术突破以后,以镜面切削加工为主,面向不同零 件的超精密金刚石切削机床相继研制成功,技术水平也越来越高,在美国、日本和西欧等工业发达 国家,超精密切削加工技术日趋成熟.超精密切削的实现依赖于锐利的金刚石切削刀具和高精度、 高刚度的切削装置及其它周边技术的支持.金刚石刀具刃口半径ρ关系到切削变形和最小切削厚度 ,因而影响加工表面质量.如何使超精密刃磨的刀具刃口半径达到尽可能小,是超精密切削技术的 关键问题.此外,超精密切削加工还采用了高精度的基础元件(气体静压轴承、气浮导轨等)、高 精度的定位检测元件(光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构.机床本身采取恒温 、防振和隔振措施,还要有防止工件污染的装置.机床必须安装在洁净室内,被加工的材料必须质 地均匀、性能稳定、没有缺陷.在这种情况下,加工Φ800mm的非球面透镜,形状精度可达0 .2μm.(2)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.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0.01μm、尺寸精度0.1μm和表面粗糙度为 Ra0.005μm的圆柱形零件.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.金刚石砂轮的修整方法有单粒金刚石修整、金刚石超声波修整、金刚石粉末烧结型 修整器修整等.日本物理化学研究所研究出电解在线修整铸铁纤维结合剂金刚石砂轮,获得了很好 的效果.(3)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.超精密研磨加工出的球面度达0.025μm,表面粗糙度Ra达0. 003μm.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.另外,还须有高精度的检测方法作基础.(4)超精密特种加工.超精密特 种加工主要包括以下几种:1)激光束加工:由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射 到工件表面,光能在瞬时被转化为热能.依据能量密度的高低可实现打孔、精密切割、加工激光防 伪标志等.2)电子束加工:指在真空中将阴极不断发射出来的负电子向下极加速,并聚集成极细 的能量密度极高的电子束流.高速运动的电子束撞击到工件表面,动能转化为热能,使材料熔化、 汽化,并在真空中被抽走.它能聚焦成极小的点,并在高速下进行精确定位,控制电子束的强弱和 偏转方向,配合工作台的数控位移,可实现打孔、成形切割、刻蚀、光刻曝光等工艺.3)离子束 加工:在真空中将离子源产生的离子加速、聚焦,使之撞击工件表面.由于离子带正电荷且质量比 电子大数千万倍,加速后可获得更大的动能,它是靠微观的机械撞击能量,将离子作为工具,利用 弹性碰撞将原子从工件表面轰击出来,而不是靠动能转化成热能来加工的.可用于表面刻蚀、非球 面加工、金刚石压头的锐化、金刚石切片刀的锐化等方面,实现原子、分子级的切削加工.4)微 细电火花加工:在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化 和汽化去除金属的.只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密进给就可以实现极微细的金属材 料的去除,可加工微细轴、孔、窄缝平面及曲面.5)精细电解加工:导电的电解液中水电解为氢 离子和氢氧根离子,工作极为阳极,其表面的金属原子成为正离子溶入电解液被逐层电解下来,随 后,即与电解液中的氢氧根离子反应形成金属氢氧化物沉淀,而工具阴极并不损耗.只要精细地控 制电流密度和电解部位,就可实现纳米级精度的电解加工,而且表面不会产生加工应力,常用于镜 面抛光、镜面减薄以及一些需要无应力加工的场合.6)复合加工:指采用几种不同形式的能量、几种不同的工艺方法,互相取长补短、复合作用的加工技术.例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花等,比单一加工方法更有效,适用范围更广.7)LIGA(LithographicGalvanoforming Abforming)技术:这是最新发展的光于磨床上.1984年,日本江黑制造所和京陶公司 又联合研制成一台全陶瓷的超精密机床,引起人们的广泛重视.实践证明,陶瓷材料又优于花岗岩.目前,机床的结构材料仍在发展中.玻璃陶瓷、Invar合金及Superlnvar都是超精密机床结构材料的佼佼者.主轴是超精密机床最重要的部件之一,是保证加工精 度的核心,其关键在于所用的精密轴承.超精密机床中以以气体静压轴承居多.当前最小振摆可达 到的精度为0.02~0.05μm.我国北京机床研究所、上海机械学院等单位研制的主轴均达 到了这种水平.虽然气体静压轴承刚度较低,承载能力不高.但超精密加工时切削力很小,所以足 可胜任.大型超精密机床中有时仍采用液体静压轴承.在英国CUPE公司已批量生产的Nano centre超精密车床就使用液体静压轴承,机床的加工精度可达0.1μm,表面粗糙度Ra <10nm.超精密机床中采用滚珠丝杠作为驱动系统较为普遍,但随着走刀速度加快,热影响就 成为严重的问题.因此有的采用静压丝杠、中空丝杠代替,但这类结构复杂.1979年,美国L LNL公司将摩擦驱动装胃应用到超精密机床上,取得良好效果.目前,摩擦驱动机构已成为超精 密机床精确定位的重要手段.超精密机床的高精度定位测试手段应用较广泛的是双频激光干涉仪, 其定位精度可在0.1μm以下.美国、英国、日本等国家很重视新型超精密机床的研究.图1是 美国LLL实验室的大型光学金刚石机床(LODTM),它是为镜面加工大直径光学镜头而开发 的.采用双立柱式立式车床结构,多重光路激光干涉测长进给反馈,六角刀盘驱动,大型超精密主 轴系统,低热膨胀材料组合等技术,对超精密机床的发展有很大影响.图2为英国SERC与Cr anfield公司联合研制的OAGM2500大型多功能超精刻、电铸和模铸复合微细加工技 术.它采用深层同步辐射X射线光刻,可以制造微型器件最大高度为1000μm,高宽比为20 0的立体微结构,加工精度可达0.1/μm.8)STM(扫描隧道显微镜)技术:C.Bin ning和H.Robrer发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以单个原子的分辨率来观测物 体的表面结构,而且也可为以单个原子为单位的纳米级加工提供理想途径,应用扫描隧道显微镜技 术可以进行原子级操作、装配和改型.4超精密加工基础技术的发展从超精密加工所涉及的内容来 看,它是一项系统工程,要能成功的进行精密和超精密加工就必须综合的考虑机床设备、金刚石刀 具、切削加工工艺、测量和误差补偿技术、操作者的技术水平、工件材料、环境支持等因素,否则 ,很难达到预期效果.4.1超精密工具技术它是超精密加工的关键技术之一,应能保证切削厚度 (或切削深度)在亚微米和纳米条件下,精确的切除切屑.因此切削工具的切削刃必须极其锋利. 金刚石刀具、金刚石砂轮在超精密加工中被广泛应用,成为超精密加工的标志.其技术已日趋成熟 .美国、日本在这一领域处于领先地位,我国航天部628所及哈尔滨工业大学等院校已开展这方 面的研究工作.天然金刚石切削刀具的锋利性取决于刃磨.1984年,日本刃磨金刚石刀尖圆弧 半径已达到2~4nm.曲面加工中的圆弧金刚石刀具,其圆弧半径的精度直接影响到加工精度, 但圆弧的刃磨因金刚石的各向异性而极难进行.日本人阪金刚石刀具厂可刃磨出0.1-0.05 /μm的形状精度.1986年大阪大学和美国LLL实验室合作进行了切薄试验,切削厚度达到 了1nm.金刚石刀具刃磨技术中,十分重要的是研磨机的研制.研磨机必须有极高的回转精度; 研磨盘平面跳动量必须控制到极小,一般在0.5μm以下;研磨盘的材料一般是高磷铸铁,质地 均匀,研磨面不允许有夹渣、气孔、砂眼,硬度均匀;通常主轴采用空气静压轴承.金刚石刀具用 于超精密切削,美国LLL实验室进行的磨损实验结果显示:金刚石刀具切削有色金属,切削路程 达20km后,加工表面粗糙度仍小于0.01;μm.因此用金刚石刀具加工的工件具有非常好的一致性.4.2超精密机床技术超精密机床是实现超精密加工的首要条件.对机床的要求主要有以下几个方面:1)高静态、高动态刚度,高热稳定性的机
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