機(jī)械制造工藝學(xué)課件第7章-精密、超精密及微細(xì)加工工藝

第7章精密、超精密及微細(xì)加工工藝1現(xiàn)代制造業(yè)持續(xù)不斷地致力于提高加工精度和加工表面質(zhì)量，主要目標(biāo)是提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性，改善零件的互換性，提高裝配效率。超精密加工技術(shù)是精加工的重要手段，在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)方面都有著至關(guān)重要的作用，因此，該技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。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，從概念上講具有相對(duì)性，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。7.1概述2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：加工等級(jí)加工精度表面粗糙度Ra加工舉例一般加工10μm0.3~0.8μm如車(chē)、銑、刨、磨、鏜、鉸等，適用于汽車(chē)、拖拉機(jī)和機(jī)床等產(chǎn)品的制造。精密加工10~0.1μm0.3~0.03μm如金剛車(chē)、金剛鏜、研磨、珩磨、超精加工、砂帶磨削、鏡面磨削和冷壓加工等。適用于精密機(jī)床、精密測(cè)量?jī)x器等產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件的加工，如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導(dǎo)軌、精密軸承等。超精密加工0.1~0.01μm0.03~0.05μm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。適用于精密元件、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的制造。納米加工<0.005μm其加工方法大多己不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子分子單位加工等方法。3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：加工技術(shù)主要有超精密切削、超精密磨料加工、超精密特種加工及復(fù)合加工。材料技術(shù)如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制備及刃磨技術(shù)。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。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)工作環(huán)境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。4

超精密及納米加工技術(shù)在以下領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景：儀器儀表工業(yè)、航空航天工業(yè)、電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、計(jì)算機(jī)制造、各種反射鏡的加工、微型機(jī)械領(lǐng)域。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：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)原子級(jí)精度的加工。向大型化方向發(fā)展，研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿足航天航空、電子通信等領(lǐng)域的需要。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。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，并廣泛采用各種測(cè)量、控制技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差。不斷出現(xiàn)許多新工藝和復(fù)合加工技術(shù)，被加工的材料范圍不斷擴(kuò)大。在作業(yè)環(huán)境建造方面諸如高性能的基礎(chǔ)隔振技術(shù)、凈化技術(shù)與環(huán)境溫控技術(shù)將有更大發(fā)展。57.2精密、超精密加工工藝精密、超精密切削加工超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車(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。最新進(jìn)展表明，國(guó)外金剛石刀具刃口半徑可達(dá)到納米級(jí)水平，日本大阪大學(xué)和美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室合作研究超精密切削的最小極限，使用極鋒銳的刀具和機(jī)床條件最佳的情況下，可以實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米（nm）級(jí)的連續(xù)穩(wěn)定切削。現(xiàn)在我國(guó)生產(chǎn)中使用的金剛石刀具，刀刃鋒銳度約為0.2~0.5μm，特殊精心研磨可以達(dá)到0.1μm。在對(duì)加工表面質(zhì)量有特殊要求時(shí)，特別是在要求殘留應(yīng)力和變質(zhì)層很小時(shí)，需要進(jìn)一步提高刀刃的鋒銳度。6精密、超精密磨削和磨料加工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。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、超精密砂帶磨削、ELID磨削、雙端面精密磨削以及電泳磨削等。超精密砂輪磨削技術(shù)超精密磨削即是加工精度在0.1μm以下、表面粗糙度Ra0.025μm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7經(jīng)研究表明，超精密磨削實(shí)現(xiàn)極低的表面粗糙度，主要靠砂輪精細(xì)修正得到大量的、等高性很好的微刃，實(shí)現(xiàn)了微量切削作用，經(jīng)過(guò)磨削一定時(shí)間之后，形成了大量的半鈍化刃，起到了摩擦拋光作用，最后又經(jīng)過(guò)光磨作用進(jìn)一步進(jìn)行了精細(xì)的摩擦拋光，從而獲得了高質(zhì)量表面。8超精密砂帶磨削技術(shù)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。砂帶磨削機(jī)構(gòu)示意圖9ELID（電解在線修整）超精密鏡面磨削技術(shù)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)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，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，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。目前，ELID磨削技術(shù)在加工過(guò)程中仍存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層的未電解物質(zhì)被壓入工件表面而造成表面層釉化及電解磨削液配比改變等問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究解決。10雙端面精密磨削技術(shù)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)，磨具的磨料粒度也很細(xì)，一般為3000#~8000#，在磨削過(guò)程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲勞斷裂同時(shí)起作用，磨痕交叉而且均勻，該磨削方式屬控制力磨削過(guò)程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可獲得很高的平面度和兩平面的平行度，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。11電泳磨削技術(shù)基于超微磨粒電泳效應(yīng)的磨削技術(shù)即電泳磨削技術(shù)也是一種新的超精密及納米級(jí)磨削技術(shù)，其磨削機(jī)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。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。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)：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，得到一個(gè)表面不斷自我修整而尺寸不變的超細(xì)砂輪；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。在電泳磨削技術(shù)中，磨粒吸附層可以作為磨具用于脆性材料的精密磨削工藝；自進(jìn)給電泳磨削實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至亞微米級(jí)深度進(jìn)給，而不依賴于機(jī)床本身的進(jìn)給精度是可能的。12游離磨料類(lèi)加工是指在加工時(shí)磨?；蛭⒎鄢捎坞x狀態(tài)，如研磨時(shí)的研磨劑、拋光時(shí)的拋光液，其中的磨粒或微粉在加工時(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。超精密研磨技術(shù)研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤(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（可達(dá)0.025μm），表面粗糙度值得以降低（達(dá)Ra0.01μm）研磨機(jī)理可以歸納為以下幾種作用：磨粒的切削作用；磨粒的擠壓使工件表面產(chǎn)生塑性變形；磨粒的壓力使工件表面加工硬化和斷裂；磨粒去除工件表面的氧化膜的化學(xué)促進(jìn)作用。超精密研磨是一種加工誤差達(dá)0.1μm以下，表面粗糙度Ra達(dá)0.02μm以下的研磨方法，是一種原子、分子加工單位的加工方法，從機(jī)理上來(lái)看，其主要是磨粒的擠壓使被加工表面產(chǎn)生塑性變形，以及當(dāng)有化學(xué)作用時(shí)使工件表面生成氧化膜的反復(fù)去除。相比較研磨加工，超精密研磨具有一些特點(diǎn)，即：在恒溫條件下進(jìn)行，磨料與研磨液混合均勻，超精研磨時(shí)所使用磨粒的顆粒非常小，所用研具材料較軟、研具剛度精度高、研磨液經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格過(guò)濾。超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅片、石英晶體、高級(jí)平晶和光學(xué)鏡頭等零件的最后加工工序。13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（<0.015um）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。磁流體精研為研磨加工的可控性開(kāi)拓了一個(gè)方向，有可能成為一種新的無(wú)接觸研磨方法。磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加工、磨料控制式加工及磁流體封閉式加工。14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。這種加工方法不僅能對(duì)圓周表面、平面和棱邊等進(jìn)行研磨，而且還可對(duì)凸凹不平的復(fù)雜曲面進(jìn)行研磨。15電解研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、超聲研磨等復(fù)合研磨方法電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。機(jī)械化學(xué)研磨是在研磨的機(jī)械作用下，加上研磨劑中的活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，從而提高了研磨質(zhì)量和效率。超聲研磨是在研磨中使研具附加超聲振動(dòng)，從而提高了效率，對(duì)難加工材料的研磨有較好效果。16磁流體拋光磁流體是由強(qiáng)磁性微粉（10~15nm大小的Fe3O4）、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，磁化曲線幾乎沒(méi)有磁滯現(xiàn)象，磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而增加;將非磁性材料的磨?；烊氪帕黧w中，置于有磁場(chǎng)梯度的環(huán)境內(nèi)，則非磁性磨粒在磁流體將受磁浮力作用向低磁力方向移動(dòng);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;在磁流體拋光中，由于磁流體的作用，磨粒的刮削作用多，滾動(dòng)作用少，加工質(zhì)量和效率均提高。磁流體拋光可加工平面、自由曲面等，加工材料范圍較廣。該方法又稱(chēng)之為磁懸浮拋光較廣。17超精研拋超精研拋是一種具有均勻復(fù)雜軌跡的精密加工，它同時(shí)具有研磨、拋光和超精加工的特點(diǎn)。超精研拋時(shí)，研拋頭為一圓環(huán)狀，裝于機(jī)床的主軸上，由分離傳動(dòng)和采取隔振措施的電動(dòng)機(jī)作高速旋轉(zhuǎn)，工件裝于工作臺(tái)上。工作臺(tái)由兩個(gè)作同向同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的立式偏心軸帶動(dòng)作縱向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的這兩種運(yùn)動(dòng)合成為旋擺運(yùn)動(dòng)。研拋時(shí)，工件浸泡在超精研拋液池中，主軸受主軸箱內(nèi)的壓力彈簧作用對(duì)工件施加研拋壓力。SUPFINA超精密研磨機(jī)18精密、超精密加工裝備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。對(duì)于超精密加工所用加工設(shè)備應(yīng)有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和高度自動(dòng)化的要求。19超精密切削機(jī)床由于其結(jié)構(gòu)、精度、穩(wěn)定性等均對(duì)加工質(zhì)量有直接影響，因此其應(yīng)具有如下特點(diǎn)：高精度。超精密切削機(jī)床應(yīng)具有高的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度和分辨率，主要表現(xiàn)在主軸回轉(zhuǎn)精度、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)直線度、定位精度、重復(fù)精度等。機(jī)床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導(dǎo)軌，并可以進(jìn)一步采用誤差補(bǔ)償方法來(lái)提高其精度。為了能進(jìn)行微細(xì)切削、機(jī)床配有微動(dòng)工作臺(tái)，采用電致伸縮、磁致伸縮、彈性元件等微位移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。超精密切削機(jī)床通常采用寬速直流或交流伺服電機(jī)一光柵位置檢測(cè)閉環(huán)系統(tǒng)，采用激光干涉位置檢測(cè)系統(tǒng)，可以獲得極高的定位精度；高剛度。超精密加工時(shí)，切削深度和進(jìn)給量很小，切削力很小，但仍應(yīng)該有足夠剛度，如超精密磁盤(pán)加工鋁合金基片的端面時(shí)，其主軸軸向剛度可達(dá)490N/μm；高穩(wěn)定性。在機(jī)床結(jié)構(gòu)上，多采用熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、內(nèi)阻尼大的天然花崗石來(lái)制作床身、工作臺(tái)等，也可采用人造花崗石制作床身、工作臺(tái)和軸承等。抗振性好。在機(jī)床結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量采用短傳動(dòng)鏈和柔性連接，以減少傳動(dòng)元件和動(dòng)力元件的影響，電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力元件和機(jī)床的回轉(zhuǎn)零件應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡，以使本身振動(dòng)最小?？刂菩阅芎?。超精密切削機(jī)床采用微機(jī)數(shù)字控制，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，不僅要考慮所需完成的功能，而且應(yīng)有良好的控制性能，如插補(bǔ)、進(jìn)給速度控制、刀具尺寸補(bǔ)償、主軸轉(zhuǎn)速控制等，要求插補(bǔ)速度快、插補(bǔ)精度高、進(jìn)給速度穩(wěn)定。207.3微細(xì)加工工藝微型機(jī)械的微細(xì)加工工藝主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、集成電路（IC）技術(shù)、特種精密加工、微細(xì)切削磨削加工、快速原型制造技術(shù)和鍵合技術(shù)等。半導(dǎo)體加工技術(shù)半導(dǎo)體加工技術(shù)即半導(dǎo)體的表面和立體的微細(xì)加工，指在以硅為主要材料的基片上，進(jìn)行沉積、光刻與腐蝕的工藝過(guò)程。半導(dǎo)體加工技術(shù)使MEMS的制作具有低成本、大批量生產(chǎn)的潛力。光刻加工技術(shù)。光刻加工是用照相復(fù)印的方法將光刻掩模上的圖形印制在涂有光致抗蝕劑（光刻膠）的薄膜或基材表面，然后進(jìn)行選擇性腐蝕，刻蝕出規(guī)定的圖形。21體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工就是一種對(duì)硅襯底的某些部位用腐蝕技術(shù)有選擇地除去一部分以形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝，常用的主要有濕法腐蝕和干法腐蝕兩種。濕法腐蝕是應(yīng)用化學(xué)腐蝕的方法對(duì)硅片進(jìn)行加工的技術(shù)，一般用各向同性化學(xué)腐蝕、異性化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。濕法腐蝕流程圖干法腐蝕是另一種體微機(jī)械加工技術(shù)。它是利用粒子轟擊對(duì)材料的某些部位進(jìn)行選擇性地腐蝕的方法，即采用等離子體腐蝕、離子束和濺射腐蝕、反應(yīng)離子束腐蝕等工藝來(lái)腐蝕多晶硅膜、氧化硅膜、氮化硅膜以形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)干法腐蝕原理圖22表面微機(jī)械加工技術(shù)表面微機(jī)械加工