超精密加工技術概述

超精密加工技術概述摘要：隨著社會的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品精細化程度逐步提高，傳統(tǒng)的機械加工技術已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求，機械加工向著更高精度的方向發(fā)展。本文主要介紹超精密加工技術的產(chǎn)生背景、概念、國內外的發(fā)展狀況、幾種超精密加工技術和對未來超精密加工技術發(fā)展的展望。關鍵詞：超精密加工技術背景概念發(fā)展狀況發(fā)展趨勢一.產(chǎn)生的背景制造技術的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷史，石器時代、銅器時代、鐵器時代都有著制造技術發(fā)展的足跡。直至近代，隨著第一次工業(yè)革命的完成，傳統(tǒng)的機械制造技術出現(xiàn)了，傳統(tǒng)的機械加工技術主要包括車削、銑削、鉆削和磨削。隨著人類社會的進一步發(fā)展，現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，機械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學工業(yè)等，尤其是國防工業(yè)部門，要求尖端科學技術產(chǎn)品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展，以及在高溫、高壓、重載荷或腐蝕環(huán)境下長期可靠地工作。為了適應這些要求，各種新結構、新材料和復雜形狀的精密零件大量出現(xiàn)，其結構和形狀越來越復雜，材料的性能越來越強韌，對精度要求越來越高，對加工表面粗糙度和完整性要求越來越嚴格，使機械制造面臨著一系列嚴峻的任務：（1）解決各種難切削材料的加工問題。如硬質合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼、金剛石、石英以及鍺、硅等各種高硬度，高強度、高韌性、高脆性的金屬及非加工。（2）解決各種特殊復雜型面的加工問題。如噴氣渦輪機葉片、整體渦輪、發(fā)動機機匣、鍛壓模等的立體成型表面，各種沖模、冷拔模等特殊斷面的型孔，炮管內膛線、噴油嘴，噴絲頭上的小孔、窄縫等的加工。（3）解決各種超精密、光整零件的加工問題。如對表面質量和精度要求很高的航天航空陀螺儀、精密光學透鏡、激光核聚變用的曲面鏡、高靈敏度的紅外傳感器等零件的精細表面加工，形狀和尺寸精度要求在0．1皮米以上，表面粗糙度尺寸要求在0．01微米以上。（4）特殊零件的加工問題。如大規(guī)模集成電路、光盤基片、復印機和打印機的感光鼓、微型機械和機器人零件、細長軸、薄壁零件、彈性元件等低剛度零件的加工。；要解決上述一系列問題，僅僅依靠傳統(tǒng)的切削加工方法很難實現(xiàn)，有些根本無法實現(xiàn)。在生產(chǎn)的迫切需求下，人們通過各種渠道，借助于多種能量形式，不斷研究和探索新的加工方法。超精密和特種加工技術就是在這種環(huán)境和條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。二.基本概念和范圍制造是用物理或化學的方法改變原材料的幾何形狀、性質和外觀，制成零件以及將零件裝配成產(chǎn)品的操作過程，通過這樣的過程將原材料轉變成具有使用價值和更大經(jīng)濟價值的產(chǎn)品。產(chǎn)品在機械制造的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，主要有（1）的加工機床的運動誤差，如導軌誤差、主軸回轉誤差等等；（2）刀具制造誤差與磨損；（3）工藝系統(tǒng)受力變形和受熱變形。傳統(tǒng)的機械加工技術的誤差范圍較大，而超精密加工技術由于應用了新的加工介質，改變了原有的加工機理，使加工誤差大大降低。超精密加工技術是一種先進的制造技術。超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03微米，表面粗糙度為Ra0.03～0.005微米)和納米級(精度誤差為0.03微米，表面粗糙度小于Ra0.005微米)精度的加工。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精密加工技術。超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理，超精密加工的設備制造技術，超精密加工工具及刀磨技術，超精密測量技術和誤差補償技術，超精密加工工作環(huán)境條件。人們把這種技術總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領域：（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0.1微米。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。三.國內外發(fā)展現(xiàn)狀目前，先進制造技術已經(jīng)是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要手段之一，許多發(fā)達國家都十分重視先進制造技術的水平和發(fā)展，利用它進行產(chǎn)品革新、擴大生產(chǎn)和提高國際經(jīng)濟競爭能力。超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、日本和英國等。美國是開展超精密加工技術最早的國家。早在上世紀五十年代末，由于航天等尖端技術的需要，美國首先發(fā)展了結果是刀具的超精密切削技術，并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用的球面和非球面的大型零件等等。如美國的LLL實驗室和Y-12工廠在美國能源部的支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM-3型，該機床可加工各種大型光學設備，加工精度可達到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機床與該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認的技術水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。在超精密加工技術領域，英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（CUPE）享有較高的聲譽，他是當今世界上精密工程的研究中心之一，是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre既可以進行超精密車削，又帶有磨頭，也可以進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1微米，表面粗糙度Ra小于10nm。日本對超精密加工技術的研究相對于美國和英國來說起步較晚，但日本是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。日本通產(chǎn)省于1986年制訂了一個“超尖端加工系統(tǒng)研究開發(fā)”的大型計劃,該計劃1987年1月開始執(zhí)行,約需8年時間完成，計劃總經(jīng)費為150到200億日元。大型計劃由二部份組成：高密度、高能量受激射束技術和三維曲面超高性能機械加工技術。為了保證超精密加工技術成為可能,還有二項輔助技術：超精密測量技術和加工環(huán)境的控制技術。高密度、高能量射束技術的研究內容,主要有大輸出功率長壽命的準分子激器和高能量離子束技術。當準分子激光照射氮、氯等氣體時,其分子分解,蒸發(fā)到金屬、陶瓷、高分子材料等基礎材料表面,形成高性能的薄膜。高密度高能量離子束技術是利用非熱平衡過程對材料進行選擇性極高的處理或高速處理,以達到局部處理的目的。因此,射束技術的研究,主要為解決難合成材料和高性能材料的合成,高品位薄膜的形成,材料表面質量改進等方面的應用。三維曲面超高性能機械加工技術以超精密加工為中心,包括切削、磨削、研磨和利用射束的新型復合加工技術,主要內容是研制超精密機械加工裝置。用切削的方法不可能達到原子級的精度,所以需進一步研究切削機理,發(fā)展特種加工技術。機械化學研磨和彈性發(fā)射切削加工等方法將從實驗室向工業(yè)應用發(fā)展。我國目前已是一個”制造大國”，制造業(yè)規(guī)模名列世界第四位，僅次于美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個”制造強國”，與發(fā)達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產(chǎn)品出口，但多數(shù)是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產(chǎn)品；而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產(chǎn)品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產(chǎn)的精密數(shù)控機床設備和儀器。由于國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設備儀器正是我國發(fā)展國防工業(yè)和尖端技術所迫切需要的，因此，為了使我國的國防和科技發(fā)展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發(fā)展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。我國的超精密機床發(fā)展現(xiàn)狀在過去相當長一段時期，由于受到西方國家的禁運限制，我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數(shù)控超精密機床研制成功后，西方國家馬上對我國開禁，我國現(xiàn)在已經(jīng)進口了多臺超精密機床。我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機床。如北京航空精密機械研究所，多年來，自行研制了11臺包括超精密車床、超精密鏜床、超精密平面磨床、超精密外圓磨床、精密金剛石刀具研磨機、超精密平面研磨機、精密端齒盤研磨機，以及Nanosys-300非球面超精密復合加工機床、偶件超精密磨床等。由303所研制的”非球面曲面超精密加工系統(tǒng)”、”超精密外圓磨床”等超精密加工設備研究成果填補了國內空白，使我國超精密加工技術水平躍上一個新臺階，研究水平跨入國際先進行列。如北京機床研究所研制的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業(yè)大學研制的超精密車床；還有哈爾濱工業(yè)大學研制了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用于光學倍頻，是大功率激光系統(tǒng)中的重要元件。必須承認，在超棈密機床技術方面，我們與國外先進水平相比還有相當大的差距，國產(chǎn)超精密機床的質量水平尚待進一步提高。在大型超精密機床方面，目前美、英、俄等國都擁有自行開發(fā)的大型超精密機床，而我國由于沒有大型超精密機床，因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件，國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限制，從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發(fā)展?，F(xiàn)在我國正在加緊研制加工直徑1m以上的立式超精密機床。在多功能和高效專用超精密機床方面，目前我國基本上仍是空白。四.幾種主要的超精密加工技術1.高速精密切削技術相對與常規(guī)切削而言，用高出很多的切削速度對工件進行切削；通常把切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍的切削稱為高速切削（有時也稱為超高速切削）。高速精密切削技術的優(yōu)點：高單位時間切除率，縮短制造時間;提高加工表面質量，提高產(chǎn)品質量；切削力，降低加工系統(tǒng)力變形；高激勵頻率，避免自激振蕩；切削熱由切屑快速帶走，減少工件熱變形；減少后續(xù)工序，降低加工成本。高速銑削典型工件如鋁合金整體零件其特點是整體零件“掏空”，切除量大；零件有薄壁，要求小切削力；小直徑刀具；較長的刀具懸伸。2.金剛石車削技術用天然單晶金剛石刀具切削銅、鋁等有色金屬材料，能得到尺寸精度為0.1微米數(shù)量級和表面粗糙度為0.01微米數(shù)量級的超高精度加工表面。金剛石車床與鏡面銑床相比，其機械結構更為復雜，技術要求更為嚴格。除了必須滿足很高的運動平穩(wěn)性外，還必須具有很高的定位精度和重復精度。鏡面銑削平面時，對主軸只需很高的軸向運動精度，而對徑向運動精度要求較低。金剛石車床則須兼?zhèn)浜芨叩妮S向和徑向運動精度，才能減少對工件的形狀精度和表面粗糙度的影響。金剛石車削早期主要用來加工有色金屬如元氧鈾或鋁合金等，其主要產(chǎn)品是各種光學系統(tǒng)中的反射鏡，如射電望遠鏡的主鏡面，LiDA（激光探測）系統(tǒng)中的各鏡面以及激光切割機床中的反射鏡等。在東西方軍備競賽時期，各種紅外光學元件的需求量猛增，金剛石車削可加工各種紅外光學材料如鍺、硅等，工件的形狀多為非球面，這樣就可大大減少光學元件的數(shù)量，因為紅外材料的透射率較低，元件少可提高光學系統(tǒng)的透光性能，另外還可節(jié)約昂貴的紅外材料。在大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中，光學元件多采用擠壓成形或壓注成形。成形所用的型腔多采用金剛石車削來完成的。型腔材料除超高強度鎳鋼外還有工具鋼和陶瓷等。超高強度鎳鋼是模壓成形時應用最廣的材料，因為它既滿足模具的硬度要求，又可用金剛石車削出最佳的形狀精度和表面質量。用金剛石刀具加工工具鋼時，刀具易產(chǎn)生化學磨損這是因為工具鋼中碳元素與金剛石產(chǎn)生化學反應之故。所以此時要在刀架上附加一個超聲振動裝置，或者改用立方氮化硼刀具進行加工。用金剛石車削直徑在100毫米以下的工件時，形狀誤差可控制在0.1微米以下。工件表面粗糙度除與切削參數(shù)及機床特性有關外，還取決于材料的特性，絕大多數(shù)可用金剛石車削的材料的表面粗糙度可達到Ra1～5納米。3.超聲振動精密加工超聲振動加工是在工具或工件上沿一定方向施加高于20kHz的超聲波振動而進行加工和處理的種工藝方法。超聲振動加工系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞裝置和加工工具或處理工具組成。超聲振動加工技術是一種多學科交叉的高新技術，在聲能、機械能、電能的綜合效應作用下，實現(xiàn)各種各樣的加工和處理。大量實踐證明，當在加工工具或工件上附加了超聲振動后，材料在加工過程中的變形行為、加工機制和工具受力狀態(tài)等就會發(fā)生完全不同于常規(guī)機械加工的變化，因而具有其它加工方法無法比擬的工藝效果，所以其應用的范圍相當廣泛。如以超聲振動切削為例，在超聲振動切削時，由于其切削力只有普通切削的1／3—1／10，可使被加工表面的溫度大幅度降低，因而可有效地降低表面粗糙度和顯著地提高加工精度，大幅度地提高刀具的使用壽命，解決了許多普通加工方法難以解決的加工問題。其主要的優(yōu)勢有(1)加工材料種類廣泛，不受材料導電特性限制，既可加工玻璃、陶瓷、寶石、石英、硅、石墨、金剛石等不導電的非金屬材料，又可加工淬火鋼、硬質合金、不銹鋼、高溫合金等硬質或耐熱導電的金屬材料；(2)特別是加工超硬和脆性材料時具有高效率；(3)由于去除材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，所以工件表面的宏觀切削力小、切削溫度低，殘余應力小，減少表面損傷和微裂紋；具有較高的加工精度和表面質量。4.磁流體拋光技術磁流體拋光技術是在一定磁場作用下，拋光區(qū)內的磁流變液中形成的一定硬度的“小磨頭”代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光過程中的剛性拋光盤來加工零件表面的一種新技術。當施加外磁場作用時，磁流變液中的磁性顆粒迅速凝聚，磁流變液粘度增大。由于“小磨頭”的形狀和硬度可以通過磁場的強度和方向實時控制，而影響拋光的其它因素固定不變，使得磁流體拋光技術既能通過控制磁場的強度和方向來控制拋光區(qū)的大小和形狀，又能確保在一定磁場強度下拋光區(qū)的穩(wěn)定性、定剛度和韌性的拋光液流體層，提高磨頭與工件的吻合性，降低加工過程中元件支撐變形的要求，這些優(yōu)點是傳統(tǒng)剛性拋光盤無法比擬的。磁流體拋光關鍵技術主要有兩點：1、磁流體拋光液的研制。磁流體拋光液要求在無磁場作用時流動性好,有外加磁場作用時流變性好，硬度高且響應快。2、磁流體拋光過程的數(shù)字化控制。通過確定磁流體拋光材料的去除率函數(shù)，利用材料去除量控制設備監(jiān)控工件表面的去除量，進而實現(xiàn)閉環(huán)控制，達到拋光過程的數(shù)字化控制。磁流體拋光這種新興的零件加工方法由于其加工速度快，效率高，能耗低，不產(chǎn)生下表面破壞層及易于實現(xiàn)微機數(shù)控等優(yōu)點,具有極大的市場價值和廣闊的應用前景。五.超精密加工的發(fā)展展望超精密加工將向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工藝整合化、在線加工檢測一體化、綠色化等方向發(fā)展。1.高精度、高效率隨著科學技術的不斷進步，對精度、效率、質量的要求。來愈高,高精度與高效率成為超精密加工永恒的主題。超精密切削、磨削技術能有效提高加工效率，CMP、EEM技術能夠保證加工精度，而半固著磨粒加工方法及電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法由于能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工的趨勢。2.大型化、微型化由于航天航空等技術的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加工設備，如美國研制的加工直徑為2.4～4m的大型光學器件超精密加工機床。同時隨著微型機械電子、光電信息等領域的發(fā)展，超精密加工技術向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅動元件和動力裝置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工設備。3.智能化以智能化設備降低加工結果對人工經(jīng)驗的依賴性一直是制造領域追求的目標。加工設備的智能化程度直接關系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點在超