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，其上植有細微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。接觸輪磁盤圖砂帶磨削示意圖砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給精密與超精密砂帶磨削Super-precisionabrasivebelt應用:

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

精密砂帶拋光一般采用開式砂帶加工方式。始終有新砂帶緩慢進入加工區(qū)，砂帶一次性使用即報廢。這種開式砂帶加工方法保持了加工工況的一致性，從而提高了生產過程中加工表面質量的穩(wěn)定性。開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）砂帶無心外圓磨削工件導輪接觸輪主動輪砂帶工件接觸輪主動輪砂帶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輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內圓磨削工件支承板主動輪砂帶工作臺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，加工質量好。

磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶圖靜電植砂砂帶結構

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，拋光輪高速回轉造成磨料“彈性發(fā)射”進行加工。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

機理：微切削＋被加工材料的微塑性流動作用★彈性發(fā)射加工游離磨料加工拋光工具圖液體動力拋光小間隙工件工具運動方向拋光液磨粒拋光工具活性拋光液圖機械化學拋光小間隙工件工具運動方向加壓★液體動力拋光

拋光工具上開有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。

機理：微切削作用。

★機械化學拋光

活性拋光液與工件表面產生固相反應，形成軟化層，使其便于加工。

機理：機械作用+化學作用，稱為“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

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

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

10～1kg量級的微飛行器,外形接近飛機,已投入使用。<1kg～75g量級的微飛行器,保持飛機的外形,需一定時間才能達到實用階段。<75g～25g量級的微飛行器,樣機采用圓盤狀機翼。<25g量級的微飛行器,用直升機形式或撲翼式結構。微飛行器的發(fā)展

飛機長1.1m、翼展1.5m、重6kg以色列云雀偵察微型無人飛機微飛行器的發(fā)展

美國龍眼微型無人飛機

微飛行器的發(fā)展

偵察用履帶式微型機器人小車

(美Sandia國家實驗室)

微飛行器的發(fā)展

微機器人小車微飛行器的發(fā)展

微型機器人-人造昆蟲微飛行器的發(fā)展

美國黃蜂微型無人飛機

微飛行器的發(fā)展

美國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Lehigh大學的微飛行器

翼展19.4cm,重量50g微飛行器的發(fā)展

微飛行器用微型發(fā)動機

轉速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

微飛行器的圓盤狀機翼

微飛行器的發(fā)展

Εpson直升機型微飛行器重量:(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：質量一般在100kg以下

微小衛(wèi)星的量級劃分：

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

Aprize衛(wèi)星公司的微型實驗衛(wèi)星

微/小衛(wèi)星清華-I微型衛(wèi)星

微/小衛(wèi)星試驗衛(wèi)星1號與納米1號

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表示，這就是精度等級的概念。在微細加工時，由于加工尺寸很小，需要用誤差尺寸的絕對值來表示加工精度，即用去除一塊材料的大小來表示。微細加工的特點加工機理不同

微細加工時，由于切屑很小，切削在晶粒內進行，晶粒作為一個個不連續(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，由于吃刀量較大，晶粒大小可忽略而作為一個連續(xù)體來看待。因而常規(guī)的切削理論對微細加工不適用。微細加工的特點加工特征不同

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。而微細加工則以分離或結合分子或原子為特征，并常以能量束加工為基礎，采用許多有別于傳統(tǒng)機械加工的方法進行加工。微細加工的特點采用微型化的定形整體刀具或非定形磨料工具進行機械加工：如車削、鉆削、銑削和磨削。采用電加工或在其基礎上的復合加工：如微細電火花加工、線放電磨削加工、線電化磨削、電化加工（又稱電解液射流或微細噴射制模）等。微細加工方法采用光、聲等能量法加工：如微細激光束加工（MLBM）、微細超聲加工等。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。微細加工方法微型加工件的銑削微細加工方法日Fanuc公司加工微型件五軸加工中心微細加工方法Φ4.5μm的微針

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

微細加工方法用準分子激光在頭發(fā)上刻的字

微細加工方法對于工件的平面、內腔、孔或相對較大直徑外圓的加工，由于工件尺寸相對較大，有一定的剛度，因此可用切削加工的方法進行加工，包括銑、鉆和車三種形式。車或銑多用單晶金剛石車刀或銑刀。對于孔加工，孔的直徑決定于鉆頭的直徑。用于微細加工的麻花鉆的直徑可小到50μm。微細加工方法加工技術光刻加工的主要過程涂膠把光致抗蝕劑涂在已鍍有氧化膜的半導體基片上。曝光將光束聚焦形成細小束斑，通過掃描在光致抗蝕劑涂層上繪制圖形，稱為掃描曝光。常用光源有電子束、離子束等。光刻加工微細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，稱為顯影。顯影后進行200～250℃的高溫處理，以提高光致抗蝕劑的強度，稱為烘片?？涛g利用化學或物理方法，將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜除去。常用的刻蝕方法有化學刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。剝膜（去膠）用剝膜液去除光致抗蝕劑。剝膜后需進行水洗和干燥處理。

微細加工方法光刻加工微細加工方法光刻加工

圖電致伸縮微動工作臺xy0L2

微動工作臺L3L1電致伸縮微動工作臺當L1伸縮時，將使工作臺在x方向產生微動；當L2、L3長度同時發(fā)生變化，則工作臺將在y方向產生微動；而當L2與L3做相反運動時，工作臺將產生微量轉動。微細加工方法微細加工機床的結構特點微小位移機構為達到很小的單位去除率，需要能實現(xiàn)足夠小的微量移動，微量移動應可小至幾十個納米。高靈敏的伺服進給系統(tǒng)它要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。高平穩(wěn)性的進給運動盡量減少由于制造和裝配誤差引起各軸的運動誤差。微細加工設備高的定位精度和重復定位精度。低熱變形結構設計。刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。高的主軸轉速及動平衡。穩(wěn)固的床身構件并隔絕外界的振動干擾。具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)。微細加工設備圖FANUC微型超精密加工機床

機床有X、Z、C、B四個軸，在B

軸回轉工作臺上增加A軸轉臺后，可實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設定單位為1nm?？蛇M行車、銑、磨和電火花加工。微細加工設備日本FANUC微型超精密加工機床

圖低摩擦伺服進給系統(tǒng)微細加工設備日本FANUC微型超精密加工機床直線電機驅動

工作原理：載流導體在電場作用下產生微小形變，并轉化為微位移。

載流導體：

◎逆壓電材料——電場作用引起晶體內正負電荷重心位移，導致晶體發(fā)生形變。特點：◎結構簡單，運行可靠，傳動效率高。◎進給量可調，進給速度范圍寬，加速度大?！蛐谐滩皇芟拗啤！蜻\動精度高。

微細加工設備直線電機工作原理圖高速加工機床直線電機原理圖直線電機工作原理微細加工設備問題1：直線電機是如何實現(xiàn)微位移的？直線電機工作原理微細加工設備逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵磁，夾緊（電磁鐵與逆壓電元件之間絕緣，機械連接）逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵磁電壓，伸長Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵磁，夾緊電磁鐵1去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵磁電壓，恢復原長，電磁鐵1移動Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2直線電機工作原理微細加工設備

直線驅動與伺服電機驅動比較表直線驅動與伺服電機驅動比較性能伺服電機＋滾珠絲杠直線驅動定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復定位精度(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微細加工設備指納米級0.1nm-100nm的材料、設計、制造、測量、控制和產品的技術。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的工程現(xiàn)象和規(guī)律，而量子效應、物質的波動特性等已不可忽略，甚至成為主導因素。第五節(jié)納米技術概述X射線干涉測量技術

X射線的波長和晶體中原子間距均為同樣的數(shù)量級。均一的單晶硅尺寸穩(wěn)定，其晶格間距可以用作長度基準。X射線入射單晶硅片后產生干涉條紋。被測物位移一個晶格間距0.2nm，干涉信號變化一個周期，由干涉條紋數(shù)和相位，可以實現(xiàn)0.05nm分辨率的位移測量。第五節(jié)納米技術納米級測量技術掃描隧道顯微測量技術（STM)

基于量子力學的隧道效應。當把兩電極間距縮短到1nm時，由于量子力學中粒子的波動性，電流會在外加電場的作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當其中一個電極是尖銳的探針時，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，將它感覺到的原子高低的信息采集起來，就可得到表面的納米級三維的表面形貌。納米技術

納米級測量技術

當探針與試件表面距離達1nm時，形成隧道結。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隧道結納米技術

納米級測量技術

關鍵技術

STM探針——金屬絲經化學腐蝕，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

納米級測量技術納米技術

由上式可見，探針與試件表面距離d對隧道電流密度非常敏感，這正是STM的基礎。計算機差分比較積分放大比例放大高壓放大A/DD/AXYZ控制信號設