先進制造技術(shù)課題作業(yè)

1、超精密加工技術(shù)成員： 王星辰 邢琳靜 張曉臣 朱乾坤 郜慶魁 杜海爽一、超精密加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到一個國家尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進行研究開發(fā)，同時實行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。 超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù). 超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.30.03m，表面粗糙度為Ra0.030.005m)和納米級(精度誤差為0.03m，表面粗糙度小于 Ra0.005m)精度的加工。實現(xiàn)這

2、些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。 二、工作原理 近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機理上均有所創(chuàng)新。三、3.1 設(shè)備要求對精密和超精密加工所用的加工設(shè)備有下列要求。 (1)高精度。包括高的靜精度和動精度，主要的性能指標(biāo)有幾何精度、定位精度和重復(fù)定位

3、精度、分辨率等，如主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運動精度、分度精度等； (2)高剛度。包括高的靜剛度和動剛度，除本身剛度外，還應(yīng)注意接觸剛度，以及由工件、機床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)剛度。 (3)高穩(wěn)定性。設(shè)備在經(jīng)運輸、存儲以后，在規(guī)定的工作環(huán)境下使用，應(yīng)能長時間保持精度、抗干擾、穩(wěn)定工作。設(shè)備應(yīng)有良好的耐磨性、抗振性等。 (4)高自動化。為了保證加工質(zhì)量，減少人為因素影響，加工設(shè)備多采用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動化。3.2 加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達到24nm，同時應(yīng)解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度

4、關(guān)系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。3.3 磨具的材料 磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。四、超精密加工主要包括三個領(lǐng)域（1）超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。 （2）超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 （3）超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1m。如用掃描隧道

5、電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達25nm。 4.1 超精密車削加工 超精密切削的主要目的是要切下一層極薄的金屬層，與普通切削相比，刀具前刀面參與切削部分面積減小，而刀刃附近區(qū)域卻要承擔(dān)大部分的切削工作，這對選擇的刀具材料提出了更高的要求。另外，背吃刀量從幾微米減小到一微米以下時，車刀的尖端局部區(qū)域到達極高的溫度。切削時采用的背吃刀量越小，就越要求使用的刀具耐熱性高、耐磨性強和硬度高。，而金剛石刀具恰恰能夠滿足上述要求。因此，金剛石刀具被普遍認為是超精密加工最為理想的的刀具。 在超精密加工中，刀具的幾何形狀、振動、刀具的磨機床的幾何運動精度和工件材料的變形等因素對超精密車削表面粗糙度具有顯著的

6、影響。4.2 超高速磨削 超高速磨削與普通磨削相比具有以下突出優(yōu)勢： 1、磨削力小，零件加工程度高。當(dāng)磨削效率相同時，磨削速度達200m/s時的磨削力僅為磨削速度的50%，但在相同的單顆磨粒切除條件下，磨削速度對磨削力影響極小，從而提高加工精度。 2、消除磨削熱溝道的影響，工件表面層可得到殘余壓變化，因此有利于工件的穩(wěn)定性。 3、可以實現(xiàn)磨削加工的自動化，同時能大幅度延長砂輪壽命。砂輪壽命與磨削速度成對數(shù)關(guān)系增長，使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時，磨削速度由30m/s提高到160m/s，砂輪磨削比由900提高到5100，有利于實現(xiàn)自動化磨削。 4、可以使工件表面更加高質(zhì)量、低粗糙度值。在材料磨除

7、率不變的條件下，提高磨削速度可以降低單顆磨粒的磨削深度，從而減小磨削力。降低工件表面粗糙度值且在加工低剛度工件時，易于保證加工精度。 5、可以大幅度提高磨削效率，降低設(shè)備使用成本。當(dāng)前高速磨削的材料磨除率已可與車削、銑削相比，為此磨削加工既可做精加工也可做粗加工，這樣可大大減少機床種類，簡化工藝流程。 在高速超高速磨削加工過程中，在保持其它參數(shù)不變的條件下，隨著砂輪速度的大幅度提高，單位時間內(nèi)磨削區(qū)的磨粒數(shù)增加，每個磨粒切下的磨屑厚度變小，則高速超高速磨削時每顆磨粒切削厚度變薄。這導(dǎo)致每個磨粒承受的磨削力大大變小，總磨削力也大大降低15。超高速磨削時，由于磨削速度很高，單個磨屑的形成時間極短。

8、在極短的時間內(nèi)完成的磨屑的高應(yīng)變率(可近似認為等于磨削速度)形成過程與普通磨削有很大的差別，表現(xiàn)為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側(cè)因塑性流動而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表面層硬化及殘余應(yīng)力傾向減小。4.3.1 超精密特種加工 電子束加工： 電子束加工是利用高能量的會聚電子束的熱效應(yīng)或電離效應(yīng)對材料進行的加工。利用電子束的熱效應(yīng)可以對材料進行表面熱處理、焊接、刻蝕、鉆孔、熔煉，或直接使材料升華。電子束曝光則是一種利用電子束輻射效應(yīng)的加工方法。作為加熱工具，電子束的特點是功率高和功率密度大，能在瞬間把能量傳給工件，電子束的參數(shù)和位置可以精確和迅速地調(diào)節(jié)，能用

9、計算機控制并在無污染的真空中進行加工。根據(jù)電子束功率密度和電子束與材料作用時間的不同，可以完成各種不同的加工。電子束加工是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106109w/cm2的極細束流高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。4.3.2 超精密特種加工離子束加工：離子束加工是在真空條件下，先由電子槍產(chǎn)生電子束，再引入已抽成真空切充滿惰性氣體之電離室中，使低壓惰性氣體離子化。由負極引出陽離子又經(jīng)加速、集束等步驟，獲得具有一定速度的離子投射到材料表面，產(chǎn)生濺

10、射效應(yīng)和注入效應(yīng)。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，所以離子束比電子束具有更大的撞擊動能，是靠微觀的機械撞擊能量來加工的。離子束加工主要特點：1、加工精度高 2、污染少 3、加工應(yīng)力、熱變形等極小、加工精度高 離子束加工應(yīng)用1、蝕刻加工： 離子蝕刻用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達上的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。 離子束蝕刻應(yīng)用的另一個方面是蝕刻高精度圖形，如集成電路、光電器件和光集成器件等征電子學(xué)構(gòu)件。 太陽能電池表面具有非反射紋理表面。 離子束蝕刻還應(yīng)用于減薄材料，制作穿透式電子顯微鏡試片。2、離子束鍍膜加工： 離子束鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種形式。離子鍍可鍍材料范圍廣泛，不論金屬、非金屬表面上均可鍍制金屬或非金屬薄膜，各種合金、化合物、或某些合成材料、半導(dǎo)體材料、高熔點材料亦均可鍍覆。 離子束鍍膜技術(shù)可用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。離子束裝飾膜。 離子束鍍膜代替鍍鉻硬膜，可減少鍍鉻公害。提高刀具的壽命。五、發(fā)展前景 超精密加工，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一,在提高機電產(chǎn)品