精密及超精密加工(第2章)

原理：砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。接觸輪磁盤(pán)圖砂帶磨削示意圖砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進(jìn)給精密與超精密砂帶磨削Super-precisionabrasivebelt應(yīng)用:

模具是現(xiàn)代制造業(yè)使用越來(lái)越多的一種工具，模具型腔表面的加工精度直接影響制造工件的精度。為進(jìn)行模具型腔等復(fù)雜曲面的超精拋光加工，多采用精密砂帶拋光機(jī)進(jìn)行終加工。用細(xì)粒度磨料制成的砂帶加工出的表面粗糙度可達(dá)Ra0.02μm。精密與超精密砂帶磨削

精密砂帶拋光一般采用開(kāi)式砂帶加工方式。始終有新砂帶緩慢進(jìn)入加工區(qū)，砂帶一次性使用即報(bào)廢。這種開(kāi)式砂帶加工方法保持了加工工況的一致性，從而提高了生產(chǎn)過(guò)程中加工表面質(zhì)量的穩(wěn)定性。開(kāi)式砂帶磨削精密與超精密砂帶磨削

閉式砂帶磨削圖閉式砂帶磨削形式a）砂帶無(wú)心外圓磨削工件導(dǎo)輪接觸輪主動(dòng)輪砂帶工件接觸輪主動(dòng)輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削c）砂帶定心外圓磨削工件接觸輪主動(dòng)輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削工件支承板主動(dòng)輪砂帶工作臺(tái)e）砂帶平面磨削f）砂帶平面磨削支承輪工件砂帶接觸輪精密與超精密砂帶磨削

砂帶磨削特點(diǎn)砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好。

磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶圖靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)

靜電植砂制作的砂帶，磨粒有方向性，尖端向上,摩擦生熱小，磨屑不易堵塞，磨削性能好。精密與超精密砂帶磨削

拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料“彈性發(fā)射”進(jìn)行加工。工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉圖彈性發(fā)射加工原理

工作原理

機(jī)理：微切削＋被加工材料的微塑性流動(dòng)作用★彈性發(fā)射加工游離磨料加工拋光工具圖液體動(dòng)力拋光小間隙工件工具運(yùn)動(dòng)方向拋光液磨粒拋光工具活性?huà)伖庖簣D機(jī)械化學(xué)拋光小間隙工件工具運(yùn)動(dòng)方向加壓★液體動(dòng)力拋光

拋光工具上開(kāi)有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。

機(jī)理：微切削作用。

★機(jī)械化學(xué)拋光

活性?huà)伖庖号c工件表面產(chǎn)生固相反應(yīng)，形成軟化層，使其便于加工。

機(jī)理：機(jī)械作用+化學(xué)作用，稱(chēng)為“增壓活化”。

游離磨料加工精密與超精密砂帶磨削◆

ELID磨削◆超精密磨削◆鏡面磨削◆

塑性磨削

游離磨料加工

小結(jié)超硬磨料砂輪精密與超精密磨削超硬磨料砂輪精密與超精密磨削技術(shù)

微細(xì)加工的基本概念一般把尺寸在微米至毫米范圍內(nèi)的零件的加工都?xì)w屬為微細(xì)加工。由于尺寸微小，相應(yīng)的尺寸公差和形位公差更小，通常在100nm范圍內(nèi)，而表面粗糙度值更是小于10nm。因此，微細(xì)加工同時(shí)具備精密和超精密加工的特征。第四節(jié)微細(xì)加工微飛行器的發(fā)展

近年來(lái)隨著軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，微飛行器發(fā)展極為迅速。微飛行器可軍用也可民用。微飛行器實(shí)際上是一套可在空中飛行的高水平多功能微機(jī)電系統(tǒng),它一般都是由多套復(fù)雜的分系統(tǒng)組成。它可以完成飛行、升降、自動(dòng)導(dǎo)航、偵察、信息傳輸、對(duì)敵干擾等多種任務(wù)。微飛行器的等級(jí)：

10～1kg量級(jí)的微飛行器,外形接近飛機(jī),已投入使用。<1kg～75g量級(jí)的微飛行器,保持飛機(jī)的外形,需一定時(shí)間才能達(dá)到實(shí)用階段。<75g～25g量級(jí)的微飛行器,樣機(jī)采用圓盤(pán)狀機(jī)翼。<25g量級(jí)的微飛行器,用直升機(jī)形式或撲翼式結(jié)構(gòu)。微飛行器的發(fā)展

飛機(jī)長(zhǎng)1.1m、翼展1.5m、重6kg以色列云雀?jìng)刹煳⑿蜔o(wú)人飛機(jī)微飛行器的發(fā)展

美國(guó)龍眼微型無(wú)人飛機(jī)

微飛行器的發(fā)展

偵察用履帶式微型機(jī)器人小車(chē)

(美Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)

微飛行器的發(fā)展

微機(jī)器人小車(chē)微飛行器的發(fā)展

微型機(jī)器人-人造昆蟲(chóng)微飛行器的發(fā)展

美國(guó)黃蜂微型無(wú)人飛機(jī)

微飛行器的發(fā)展

美國(guó)Sanders公司的微飛行器

翼展:15.24cm，重量:85g微飛行器的發(fā)展

美國(guó)Lehigh大學(xué)的微飛行器

翼展19.4cm,重量50g微飛行器的發(fā)展

微飛行器用微型發(fā)動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)速30000r/min,氣缸直徑6mm,重量14g,

外形體積3.8cm×2.7cm×3.7cm微飛行器的發(fā)展

美NASA的微飛行器

微飛行器的發(fā)展

微飛行器的圓盤(pán)狀機(jī)翼

微飛行器的發(fā)展

Εpson直升機(jī)型微飛行器重量:(12.3g)微飛行器的發(fā)展

美Berkeley的“飛行蠅”微飛行器

微飛行器的發(fā)展

微/小衛(wèi)星

微小衛(wèi)星的定義：質(zhì)量一般在100kg以下

微小衛(wèi)星的量級(jí)劃分：

100～10kg稱(chēng)為小型衛(wèi)星；10～1kg稱(chēng)為微型衛(wèi)星；小于1kg稱(chēng)為納米衛(wèi)星。

Aprize衛(wèi)星公司的微型實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

微/小衛(wèi)星清華-I微型衛(wèi)星

微/小衛(wèi)星試驗(yàn)衛(wèi)星1號(hào)與納米1號(hào)

微/小衛(wèi)星精度表示方法不同

一般尺寸加工的精度用其加工誤差與加工尺寸的比值來(lái)表示，這就是精度等級(jí)的概念。在微細(xì)加工時(shí)，由于加工尺寸很小，需要用誤差尺寸的絕對(duì)值來(lái)表示加工精度，即用去除一塊材料的大小來(lái)表示。微細(xì)加工的特點(diǎn)加工機(jī)理不同

微細(xì)加工時(shí)，由于切屑很小，切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒作為一個(gè)個(gè)不連續(xù)體而被切削。這與一般尺寸加工完全不同，一般尺寸加工時(shí)，由于吃刀量較大，晶粒大小可忽略而作為一個(gè)連續(xù)體來(lái)看待。因而常規(guī)的切削理論對(duì)微細(xì)加工不適用。微細(xì)加工的特點(diǎn)加工特征不同

一般尺寸加工以獲得一定的尺寸、形狀、位置精度為加工特征。而微細(xì)加工則以分離或結(jié)合分子或原子為特征，并常以能量束加工為基礎(chǔ)，采用許多有別于傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法進(jìn)行加工。微細(xì)加工的特點(diǎn)采用微型化的定形整體刀具或非定形磨料工具進(jìn)行機(jī)械加工：如車(chē)削、鉆削、銑削和磨削。采用電加工或在其基礎(chǔ)上的復(fù)合加工：如微細(xì)電火花加工、線(xiàn)放電磨削加工、線(xiàn)電化磨削、電化加工（又稱(chēng)電解液射流或微細(xì)噴射制模）等。微細(xì)加工方法采用光、聲等能量法加工：如微細(xì)激光束加工（MLBM）、微細(xì)超聲加工等。采用光化掩膜法加工：如光刻法等。采用層積增生法加工：如曲面的磁膜鍍覆、多層薄膜鍍覆等。微細(xì)加工方法微型加工件的銑削微細(xì)加工方法日Fanuc公司加工微型件五軸加工中心微細(xì)加工方法Φ4.5μm的微針

微細(xì)加工方法電火花加工Φ5μm孔微細(xì)加工方法電火花加工微型汽車(chē)模具微細(xì)加工方法超聲加工玻璃上的Φ5μm孔微細(xì)加工方法激光加工鈦合金

微細(xì)加工方法用準(zhǔn)分子激光在頭發(fā)上刻的字

微細(xì)加工方法對(duì)于工件的平面、內(nèi)腔、孔或相對(duì)較大直徑外圓的加工，由于工件尺寸相對(duì)較大，有一定的剛度，因此可用切削加工的方法進(jìn)行加工，包括銑、鉆和車(chē)三種形式。車(chē)或銑多用單晶金剛石車(chē)刀或銑刀。對(duì)于孔加工，孔的直徑?jīng)Q定于鉆頭的直徑。用于微細(xì)加工的麻花鉆的直徑可小到50μm。微細(xì)加工方法加工技術(shù)光刻加工的主要過(guò)程涂膠把光致抗蝕劑涂在已鍍有氧化膜的半導(dǎo)體基片上。曝光將光束聚焦形成細(xì)小束斑，通過(guò)掃描在光致抗蝕劑涂層上繪制圖形，稱(chēng)為掃描曝光。常用光源有電子束、離子束等。光刻加工微細(xì)加工方法顯影與烘片曝光后的光致抗蝕劑在一定的溶劑中將曝光圖形顯示出來(lái)，稱(chēng)為顯影。顯影后進(jìn)行200～250℃的高溫處理，以提高光致抗蝕劑的強(qiáng)度，稱(chēng)為烘片。刻蝕利用化學(xué)或物理方法，將沒(méi)有光致抗蝕劑部分的氧化膜除去。常用的刻蝕方法有化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。剝膜（去膠）用剝膜液去除光致抗蝕劑。剝膜后需進(jìn)行水洗和干燥處理。

微細(xì)加工方法光刻加工微細(xì)加工方法光刻加工

圖電致伸縮微動(dòng)工作臺(tái)xy0L2

微動(dòng)工作臺(tái)L3L1電致伸縮微動(dòng)工作臺(tái)當(dāng)L1伸縮時(shí)，將使工作臺(tái)在x方向產(chǎn)生微動(dòng)；當(dāng)L2、L3長(zhǎng)度同時(shí)發(fā)生變化，則工作臺(tái)將在y方向產(chǎn)生微動(dòng)；而當(dāng)L2與L3做相反運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)將產(chǎn)生微量轉(zhuǎn)動(dòng)。微細(xì)加工方法微細(xì)加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)微小位移機(jī)構(gòu)為達(dá)到很小的單位去除率，需要能實(shí)現(xiàn)足夠小的微量移動(dòng)，微量移動(dòng)應(yīng)可小至幾十個(gè)納米。高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)它要求低摩擦的傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。高平穩(wěn)性的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)盡量減少由于制造和裝配誤差引起各軸的運(yùn)動(dòng)誤差。微細(xì)加工設(shè)備高的定位精度和重復(fù)定位精度。低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。高的主軸轉(zhuǎn)速及動(dòng)平衡。穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動(dòng)干擾。具有刀具破損檢測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)。微細(xì)加工設(shè)備圖FANUC微型超精密加工機(jī)床

機(jī)床有X、Z、C、B四個(gè)軸，在B

軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上增加A軸轉(zhuǎn)臺(tái)后，可實(shí)現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設(shè)定單位為1nm?？蛇M(jìn)行車(chē)、銑、磨和電火花加工。微細(xì)加工設(shè)備日本FANUC微型超精密加工機(jī)床

圖低摩擦伺服進(jìn)給系統(tǒng)微細(xì)加工設(shè)備日本FANUC微型超精密加工機(jī)床直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

工作原理：載流導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生微小形變，并轉(zhuǎn)化為微位移。

載流導(dǎo)體：

◎逆壓電材料——電場(chǎng)作用引起晶體內(nèi)正負(fù)電荷重心位移，導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。特點(diǎn)：◎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，傳動(dòng)效率高。◎進(jìn)給量可調(diào)，進(jìn)給速度范圍寬，加速度大?！蛐谐滩皇芟拗??！蜻\(yùn)動(dòng)精度高。

微細(xì)加工設(shè)備直線(xiàn)電機(jī)工作原理圖高速加工機(jī)床直線(xiàn)電機(jī)原理圖直線(xiàn)電機(jī)工作原理微細(xì)加工設(shè)備問(wèn)題1：直線(xiàn)電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)微位移的？直線(xiàn)電機(jī)工作原理微細(xì)加工設(shè)備逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵(lì)磁，夾緊（電磁鐵與逆壓電元件之間絕緣，機(jī)械連接）逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵(lì)磁，松開(kāi)逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵(lì)磁電壓，伸長(zhǎng)Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵(lì)磁，夾緊電磁鐵1去掉勵(lì)磁，松開(kāi)逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵(lì)磁電壓，恢復(fù)原長(zhǎng)，電磁鐵1移動(dòng)Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2直線(xiàn)電機(jī)工作原理微細(xì)加工設(shè)備

直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較表直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較性能伺服電機(jī)＋滾珠絲杠直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復(fù)定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10壽命(h)6000～1000050000微細(xì)加工設(shè)備指納米級(jí)0.1nm-100nm的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。在納米層次上，一些宏觀物理量已要求重新定義，在工程中常用的定理都已不能正常描述納米級(jí)的工程現(xiàn)象和規(guī)律，而量子效應(yīng)、物質(zhì)的波動(dòng)特性等已不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。第五節(jié)納米技術(shù)概述X射線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)

X射線(xiàn)的波長(zhǎng)和晶體中原子間距均為同樣的數(shù)量級(jí)。均一的單晶硅尺寸穩(wěn)定，其晶格間距可以用作長(zhǎng)度基準(zhǔn)。X射線(xiàn)入射單晶硅片后產(chǎn)生干涉條紋。被測(cè)物位移一個(gè)晶格間距0.2nm，干涉信號(hào)變化一個(gè)周期，由干涉條紋數(shù)和相位，可以實(shí)現(xiàn)0.05nm分辨率的位移測(cè)量。第五節(jié)納米技術(shù)納米級(jí)測(cè)量技術(shù)掃描隧道顯微測(cè)量技術(shù)（STM)

基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)把兩電極間距縮短到1nm時(shí)，由于量子力學(xué)中粒子的波動(dòng)性，電流會(huì)在外加電場(chǎng)的作用下，穿過(guò)絕緣勢(shì)壘，從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。當(dāng)其中一個(gè)電極是尖銳的探針時(shí)，由于尖端放電現(xiàn)象而使隧道電流加大。用探針在試件表面掃描，將它感覺(jué)到的原子高低的信息采集起來(lái)，就可得到表面的納米級(jí)三維的表面形貌。納米技術(shù)

納米級(jí)測(cè)量技術(shù)

當(dāng)探針與試件表面距離達(dá)1nm時(shí)，形成隧道結(jié)。隧道電流密度為：式中：h——普郎克常數(shù)；

e——電子電量；

ka，k0——系數(shù)。φ1φ2d試件STM探針Ub圖STM隧道結(jié)納米技術(shù)

納米級(jí)測(cè)量技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)

STM探針——金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。

隧道電流反饋控制

納米級(jí)測(cè)量技術(shù)納米技術(shù)

由上式可見(jiàn)，探針與試件表面距離d對(duì)隧道電流密度非常敏感，這正是STM的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)差分比較積分放大比例放大高壓放大A/DD/AXYZ控制信號(hào)設(shè)