[分享]現(xiàn)代超精密加工技術介紹 [復制鏈接]

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關鍵詞：超精密加工

機械制造技術從提高精度與生產率兩個方面同時迅速發(fā)展起來。在提高生產率方面，提高自動化程度是各國致力發(fā)展的方向，近年來，從C N C到C I M S發(fā)展迅速，并且在一定范圍內得到了應用。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工，這也是世界各主要發(fā)達國家致力發(fā)展的方向。其精度從微米到亞微米，乃至納米，其應用范圍日趨廣泛，在高技術領域和軍用工業(yè)以及民用工業(yè)中都有廣泛應用。如激光核聚變系統(tǒng)、超大規(guī)模集成電路、高密度磁盤、精密雷達、導彈火控系統(tǒng)、慣導級陀螺、精密機床、精密儀器、錄象機磁頭、復印機磁鼓、煤氣灶轉閥等都要采用超精密加工技術。
它與當代一些主要科學技術的發(fā)展有密切的關系，是當代科學發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，超精密加工技術的發(fā)展促進了機械、液壓、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發(fā)展。

1超精密加工技術概述
超精密加工目前就其質來說是要實現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達不到的高精度加工，就其量來說是要加工出亞微米乃至毫微米級的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要視零件大小、復雜程度以及是否容易變形等因素而定。
超精密加工主要包括超精密切削(車、銑) 超精密磨削、超精密研磨
(機械研磨、機械化學研磨、研拋、非接觸式浮動研磨、彈性發(fā)射加工等)以及超精密特種加工(電子束、離子束以及激光束加工等)。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達不到的尺寸精度、形狀精度和表面質量。每種超精密加工方法都是針對不同零件的要求而選擇的。

1．1超精密切削加工
超精密切削加工的特點是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度、耐磨性以及導熱性都非常優(yōu)越，且能刃磨得非常鋒利(刃口圓弧半徑可小于 ρ0．01 μm，實際應用一般ρ0，05 μm) 可加工出優(yōu)于Ra0．01 μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工還采用了高精度的基礎元部件(如空氣軸承、氣浮導軌等)、高精度的定位檢測元件(如光柵、激光檢測系統(tǒng)等)以及高分辨率的微量進給機構。機床本身采取恒溫、防振以及隔振等措施，還要有防止污染工件的裝置。機床必須安裝在潔凈室內。進行超精密切削加工的零件材料必須質地均勻，沒有缺陷。在這種情況下加工無氧銅，表面粗糙度可達到Ba0．005μm，加工φ800mm的非球面透鏡，形狀精度可達0．2／μm。超精密加工技術在航空航天、光學及民用等領域的應用十分廣泛(見表1) 并向更高精度等方向發(fā)展(見表2)。

1．2超精密磨削
超精密磨削技術是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的。超精密磨削不僅要提供鏡面級的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。為此，除要考慮各種工藝因素外，還必須有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基準部件，消除各種動態(tài)誤差的影響，并采取高精度檢測手段和補償手段。
目前超精密磨削的加工對象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目標是范成3—5nm的平滑表面，也就是通過磨削加工而不需拋光即可達到要求的表面粗糙度。作為納米級磨削加工，要求機床具有高精度及高剛度，脆性材料可進行可延性磨削(Ductile Grinding)。納米磨削技術對燃氣渦輪發(fā)動機，特別是對要求高疲勞強度材料(如飛機的噴氣發(fā)動機渦輪用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技術。
此外，砂輪的修整技術也相當關鍵。盡管磨削比研磨更能有效地去除
物質，但在磨削玻璃或陶瓷時很難獲得鏡面，主要是由于砂輪粒度太細時，砂輪表面容易被切屑堵塞。日本理化學研究所學者大森整博士發(fā)明的電解在線修整(ELID)鑄鐵纖維結合劑(CIFB)砂輪技術可以很好地解決這個問題。
當前的超精密磨削技術能加工出0．0 1μm圓度， O．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圓柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm的平面。

1．3超精密研磨
超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)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不球度達0．025ttm，表面粗糙度達 RaO．003μm。利用彈性發(fā)射加工可加工出無變質層的鏡面，粗糙度可達5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度為λ／200的零件。超精密研磨的的關鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細小而均勻的研磨劑。此外高精度檢測方法也比不可少。

1．4超精密特種加工
1．4．1電子束加工
離子束加工是指在真空中將陰極(電子槍)不斷發(fā)射出來的負電子向正極加速，并聚焦成極細的、能量密度極高的束流，高速運動的電子撞擊到工件表面，動能轉化為勢能，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走。控制電子束的強弱和偏轉方向，配合工作臺 X Y方向的數(shù)控位移，可實現(xiàn)打孔、成型切割、刻蝕、光刻曝光等工藝。集成電路制造中廣泛采用波長比可見光短得多的電子束光刻曝光，所以可以達到高達 O.25μm的線條圖形分辨串。

1．4．2離子束加工
在真空將離子源產生的離子加速、聚焦使之撞擊工件表面。由于離子是帶正電荷且質量比電子大數(shù)千萬倍，加速以后可以獲得更大的動能，它是靠微觀的機械撞擊能量而不是靠動能轉化為熱能來加工的，可用于表面刻蝕、超凈清洗，實現(xiàn)原子、分子級的切削加工。

1．4．3激光束加工
由激光發(fā)生器將高能量密度的激光進一步聚焦后照．射到工件表面，光能被吸收瞬時轉化為熱能。根據(jù)能量密度的高低，可實現(xiàn)打孔、精密切割、加工精微防偽標志等。

1．4．4微細電火花加工
電火花加工是指在絕緣的工作液中通過工具電極和工件間脈沖火花放電產生的瞬時局部高溫來熔化和氣化去除金屬的。加工過程中工具與工件間沒有宏觀的切削力，只要精密地控制單個脈沖放電能量并配合精密微量進給就可實現(xiàn)極微細的金屬材料的去除，可加工微細軸、孔、窄縫、平面以及曲面等。

1．4．5微細電解加工
導電的工作液中水離解為氫離子和氫氧根離子，工件作為陽極，其表面的金屬原子成為金屬正離子溶入電解液而被逐層地電解下來，隨后即與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應形成金屬氫氧化物沉淀，而工件陰極并不損耗，加工過程中工具與工件間也不存在宏觀的切削力，只要精細地控制電流密度和電解部位，就可實現(xiàn)納米級精度的電解加工，而且表面不會加工應力。常用于鏡面拋光、精密減薄以及一些需要無應力加工的場合。

1．4．6復合加工
復合加工是指采用幾種不同能量形式、幾種不同的工藝方法，互相取長補短、復合作用的加工技術，例如電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花、超聲切削加工等，可比單一加工方法更有效，適用范圍更廣。

2納米技術(Nanotechnology)
2．1概述

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