第三章 38 超精密加工技術(shù)

1、3.8 超精密加工技術(shù)華北電力大學(xué)機(jī)械工程系花廣如3.8.1 概述3.8.1 超精密加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇o 超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的精密加工工藝，隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也是不斷變化的。o 目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及納米加工可以劃分如下：o (1)一般加工。加工精度在10um左右、表面粗糙度值0.300.81um的加工技術(shù)，如車(chē)、銑、刨、磨、鏜、鉸等， o (2)精密加工。加工精度100.1um，表面粗糙度值在030.03um的加工技術(shù)，如金剛車(chē)、金剛鏜、研磨、珩磨、超精加工、砂帶磨削、等。o (3)超精密加工。加工精度在01001um，表

2、面粗糙度值在0.030.051um的加工技術(shù)，如金剛石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特種加工和復(fù)合加工等。目前，超精密加工的精度正處在亞納米級(jí)工藝，正在向納米級(jí)工藝發(fā)展。o (4)納米加工。加工精度高于1nm，表面粗糙度小于0.005um的加工技術(shù)，其加工方法大多已不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子分子單位加工等方法。超精密切削加工3.8.1.2 超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域 o 超精密加工技術(shù)從加工技術(shù)范疇來(lái)說(shuō)，其包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、精整和光整加工。 o 超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包含了以下幾個(gè)方面； (1)加工技術(shù)即加工方法與加工機(jī)理，主要有超精密切削、超精密磨料加工

3、、超精密特種加工及復(fù)合加工。 (2)材料技術(shù)即加工工具和被加工材料，如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制備及刃磨技術(shù)。工件材料對(duì)超精密切削也有重要影響。 o (3)加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件，主要加工設(shè)備有超精密切削機(jī)床、各種研磨機(jī)、拋光機(jī)以及各種特種精密加工、復(fù)合加工設(shè)備，對(duì)于這些加工設(shè)備有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高度自動(dòng)化的要求。 (4)測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)，必須有相應(yīng)精度級(jí)別的測(cè)量技術(shù)和裝置，即超精密加工要求測(cè)量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室于1983年7月研制成功DTM-3型大型超精密金剛石車(chē)床，用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡。采用嚴(yán)格

4、的恒溫控制、流體溫度控制(2000006)。 (5)工作環(huán)境 加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度，使超精密加工達(dá)不到預(yù)期目的，因此，超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進(jìn)行，必須具備各種物理效應(yīng)恒定的工作環(huán)境，如恒溫室、凈化間、防振和隔振地基等。(6)工件的定位與夾緊。3.8.1.3 超精密加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀o 國(guó)際上在超精密加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美國(guó)、英國(guó)和日本。這些國(guó)家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高,而且商品化的程度也非常高。在超精密加工機(jī)床的研制和生產(chǎn)方面,除美、英、日等國(guó)家外,德國(guó)、荷蘭和中國(guó)臺(tái)灣也比較先進(jìn)。o 我國(guó)從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始研究超精密加工

5、技術(shù),主要的研究單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航天精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。北京機(jī)床研究所研制出了多種不同類(lèi)型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器。o 我國(guó)超精密機(jī)床雖然近幾年有了很大發(fā)展，但和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，主要表現(xiàn)在超精密非球面車(chē)床還不能生產(chǎn)；機(jī)床的精度一般比國(guó)外要低一個(gè)等級(jí)；機(jī)床精度的保持時(shí)間大大低于國(guó)外；精密空氣主軸、微位移機(jī)構(gòu)、精密CNC 伺服系統(tǒng)，機(jī)床熱變形和精密恒溫控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防振隔振技術(shù)都亟待深入研究，因此精度要求高的精密和超精密機(jī)床，還不得不從國(guó)外進(jìn)口。3.8.2 超精密切削加工o 超精密切削加工主要指金剛石刀具

6、超精密車(chē)削，主要用于加工軟金屬材料，如銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石和碳素纖維板等非金屬材料，主要加工對(duì)象是精度要求很高的鏡面零件。 3.8.3 超精密磨削和磨料加工o 超精密磨削和磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉主要對(duì)黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，可分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類(lèi)加工方式。其中固結(jié)磨料加工主要有： 超精密砂輪磨削和超硬材料微粉砂輪磨削 超精密帶磨削 ELID磨削 雙端面精密磨削 電泳磨削3.8.3.1 超精密砂輪磨削技術(shù)o 超精密磨削即是加工精度在0.1um以下、表面粗糙度0.025um以下的砂輪磨削方法，此時(shí)因磨粒去除切屑極薄，將承受很高的壓力，其切削刃表面受

7、到高溫和高壓作用，因此，需要用人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等超硬磨料砂輪。3.8.2 超精密砂帶磨削技術(shù)o 隨著砂帶制作質(zhì)量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達(dá)到高精度和低表面粗糙度值。 油石研磨 3.8.3.3 ELID（電解在線修整）超精密鏡面磨削技術(shù)o 金屬結(jié)合劑的金剛石和立方氮化硼砂輪制造后的整形、砂輪在磨削中形成堵塞和磨損后的修銳技術(shù)。o 在線電解修整（ ELID ）的基本原理是利用在線的電解作用對(duì)金屬基砂輪進(jìn)行修整，即在磨削過(guò)程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽(yáng)

8、極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽(yáng)極溶解效應(yīng)而被逐漸去除，磨料不斷地凸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整，并在加工過(guò)程中始終保持砂輪的鋒銳性。oELID磨削技術(shù)由于采用ELID技術(shù)，使得用超微(甚至超微粉)的超硬磨料制造砂輪并用于磨削成為可能，其可代替普通磨削、研磨及拋光并實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。3.8.3.4 雙端面精密磨削技術(shù)o 近期新出現(xiàn)了作平面研磨運(yùn)動(dòng)的雙端面精磨技術(shù)，其雙端面精磨的磨削運(yùn)動(dòng)和作行星運(yùn)動(dòng)的雙面研磨一樣，工件既作公轉(zhuǎn)又作自轉(zhuǎn) 。該技術(shù)目前取代金剛石車(chē)削成為磁盤(pán)基片等零件的主要超精加工方法。 3.8.3.5 電泳磨削技術(shù)o 電泳磨削技術(shù)是一種新的超精密及納米級(jí)磨削技術(shù)，其磨削機(jī)

9、理是利用超細(xì)磨粒的電泳特性，在加工過(guò)程中使磨粒在電場(chǎng)力作用下向磨具表面運(yùn)動(dòng)，并在磨具表面沉積形成一超細(xì)磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對(duì)工件進(jìn)行磨削加工，同時(shí)新的磨粒又不斷補(bǔ)充(如圖)。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性，同時(shí)，磨具每旋轉(zhuǎn)一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補(bǔ)充，使微刃始終保持鋒利尖銳。 o通過(guò)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、液體及磨粒特性等影響因素加以控制，就可使磨粒層在加工過(guò)程中呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：o 一種是在加工過(guò)程中使磨料的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到加工過(guò)程中使磨料的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可

10、以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到一個(gè)表面不斷自我修整而尺寸不變的超細(xì)砂輪；o 另一種狀態(tài)是在加工過(guò)程中，使磨料的吸附量超過(guò)脫落量，那么磨粒層厚度就會(huì)不斷增加，這樣就可以在機(jī)床無(wú)切深進(jìn)給條件下實(shí)現(xiàn)磨削深度的不斷增加，即所謂的自進(jìn)給電泳磨削。3.8.3.6 超精密研磨與拋光技術(shù)o 游離磨料加工指在加工時(shí)，磨粒或微粉成游離狀態(tài)，如研磨時(shí)的研磨劑、拋光時(shí)的拋光液，其中的磨?；蛭⒎墼诩庸r(shí)不是固結(jié)在一起的。游離磨料加工的典型方法是超精密研磨與拋光加工。主要有： 超精密研磨、 磁流體精研、 磁力研磨、 電解研磨復(fù)合加工、 軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光 磁流體拋光 超精研拋等。 o1超精密研磨技術(shù) 研磨是在被加工表面和研具之間

11、置以游離磨料和潤(rùn)滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高。o2.磁流體精研技術(shù) 磁性流體為強(qiáng)磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動(dòng)性，其特性是：每一個(gè)粒子的磁力矩極大，不會(huì)因重力而沉降：磁性曲線無(wú)磁滯，磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)增加而增加。當(dāng)將非磁性材料的磨料混入磁流體，置于磁場(chǎng)中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行研磨。 o 3磁力研磨技術(shù) 磁力研磨是利用磁場(chǎng)作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的研磨刷，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨作用。o4電解研磨技術(shù) 電

12、解研磨是電解和研磨的復(fù)合加工，研具是一個(gè)與工件表面接觸的研磨頭，它既起研磨作用，又是電解加工用的陰極，工件接陽(yáng)極。研磨加工時(shí)，以精度較高電解成形所采用的硝酸鈉水溶液為主，加入既能保持其精度又能提高其蝕除速度組成電解液，電解液通過(guò)研磨頭的出口流經(jīng)金屬工件表面，工件表面在電解作用下發(fā)生陽(yáng)極溶解，在溶解過(guò)程中，工件表面形成一層極薄的氧化物，但剛剛在工件表面凸起部分形成的陽(yáng)極膜被研磨頭研磨掉，于是陽(yáng)極工件表面上又露出新的表面并繼續(xù)電解，這樣，電解作用與研磨頭刮除陽(yáng)極膜作用交替進(jìn)行，在極短時(shí)間內(nèi)，可獲得十分光潔的鏡面。o 5軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光 典型的軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光是彈性發(fā)射加工其最小切除量可以達(dá)原子級(jí)，

13、即可小于0001m，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。o 6. 磁流體拋光 磁流體是由強(qiáng)磁性微粉(1015nm大小的Fe304)、表面活化劑和運(yùn)載液體所構(gòu)成的懸浮液，在重力或磁場(chǎng)作用下呈穩(wěn)定的膠體分散狀態(tài)，具有很強(qiáng)的磁性。將工件置于磁流體的上面并與磁流體在水平面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則上浮的磨粒將對(duì)工件的下表面產(chǎn)生拋光加工，拋光壓力由磁場(chǎng)強(qiáng)度控制。o7超精研拋機(jī)械化學(xué)拋光3.8.4 超精密特種加工o 超精密特種加工的方法很多，多是分子、原子單位加工方法，可以分為去除(分離)、附著(沉積)和結(jié)合以及變形三大類(lèi)。o 分離(去除)加工就是從工件上分離原子

14、或分子，如電子束加工和離子束濺射加工等。附著(沉積)是在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，如電子鍍、離子鍍、分子束處延、離子束外延等。結(jié)合是在工件表面上滲入或涂入一些物質(zhì)，如離子注入、氮化、滲碳等。變形是利用高頻電流、熱射線、電子束、激光、液流、氣流和微粒子束等使工件被加工部分產(chǎn)生變形，改變尺寸和形狀。電子束加工原理圖水噴射加工原理圖385 超精密加工裝備o 超精密加工所用的加工設(shè)備主要有超精密切削磨削機(jī)床、各種研磨機(jī)和拋光機(jī)等。3.8.3.6 超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)o 當(dāng)前，超精密及納米加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下一些方面： (1)向高精度方向發(fā)展，向加工精度的極限沖刺，由現(xiàn)階段的亞微米級(jí)向納米級(jí)進(jìn)軍，其最終目標(biāo)是做到“移動(dòng)原子”，實(shí)現(xiàn)原子綠精度的加工。 (2)向大型化方向發(fā)展，研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿(mǎn)足航天航空、電子通信等領(lǐng)域的需要。 (3)向微型化方向發(fā)展，以適應(yīng)微型機(jī)械、集成電路的發(fā)展。 (4)向超精結(jié)構(gòu)、多功能、光機(jī)電一體化、加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展，并廣泛采用各中測(cè)量、控制技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差。 (5)不斷出現(xiàn)許多新工藝