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1、精 密 和 超 精 密 加 工 技 术 及 其 应 用 (Ultra-precision machining and its applications) 邓建新 山东大学机械工程学院 2004年4月,一、概述 (Introduction) 超精密加工的概念 超精密技术的应用 超精密加工的意义 主要研究内容 二、超精密加工方法 (Methods) 超精密切削加工 超精密磨削、研磨和抛光 超精密微细加工 三、超精密加工刀具 (Tool) 单晶金刚石刀具,四、超精密磨削、研磨和抛光 (Grinding and polishing) 超精密磨削 超精密研磨 超精密抛光 五、超精密加工机床设备(Mach
2、ine tool) 超精密机床发展 典型超精密机床简介 超精密机床主轴、导轨、进给驱动系统,六、超精密加工中的测量技术(Measuring technique) 在线检测与误差补偿 微位移机构 激光测量 七、微细加工技术 (Micro-cutting) 分离加工 结合加工 变形加工 八、超精密加工的支撑环境 (Environment) 空气环境和热环境 振动环境 其它环境工,在机械加工领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方法的总称。 特点：(1) 相对性，随时间的推移而变化；(2) 不普及性、保密性；(3) 属于尖端技术；(4) 与测量技术密切相关；(5) 国际竞争中取得成
3、功的关键技术。 目前，如果从零件的加工精度来划分的话，可以把亚微米以上精度(尺寸精度高于0.1m，Ra小于0.025 m)的加工称为超精密加工。,超精密加工的概念,如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的加工技术称为超精密加工，也称纳米加工。 精密、超精密加工技术、纳米技术的应用引发了新的制造科学革命微型化革命，主攻方向为微小机械(尺寸0.110mm)、微型机械(尺寸0.1100 m)和纳米设计、制造与使用。,不同时期的精密和超精密加工精度,各种产品与所要求的精度范围,超精密加工技术主要应用于：尖端技术、国防工业、微电子工业、激光技术
4、、航空航天、卫星、计量、光学仪器、大规模集成电路、民用产品等。,超精密加工技术的应用,超精密加工的材料及其应用,超精密加工技术的应用实例之一： 尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工 如 (1) 导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性仪是超精密加工产品，1Kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起100m的射程误差和50m的轨道误差； (2) 哈脖望远镜重量达900Kg的大型反射镜的加工 (3) 精密雷达、精确制导、电子对抗、TMD、NMD、间谍卫星等 (4) 人造卫星仪表轴承,(5) 红外导弹中红外线反射镜 (6) 超小型计算机等 (7) 海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美国及
5、其盟国武器系统中大部分与超精密加工技术有关。如：精密雷达、精确制导、电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫星、红外制导等。 (8) 美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可以说是高技术战争、是高科技的胜利。没有超精密加工技术，就没有真正的国防工业。,超精密加工技术的应用实例之二： 大规模集成电路依赖于微细加工：集成度与最小线条宽度,超精密加工技术的应用实例之三： 各种民用产品 计算机磁盘基片、录像机磁鼓、激光反射镜 隐形眼睛、光盘、各种天文望远镜 显微镜、光学仪器、复印机等,提高制造精度 提高产品质量和性能 提高产品可靠性 促进产品小型化 增强零件互换性,超精密加工的意义,提高装配生产率，促进装配自
6、动化 超精密加工技术已经成为国际竞争中取得成功的键技术。 国与国之间的竞争实质是尖端技术之间的竞争，而超精密加工是其中主要的一个方面。,超精密加工刀具：金刚石刀具材料与结构 超精密加工机理 超精密加工机床设备 超稳定的加工环境条件 超精密加工测量技术：检测技术和误差补偿 超精密加工的工件材料 微细加工 (超精密特种加工),超精密加工技术的主要研究内容,超精密加工的关键技术 机床技术 (刚度、驱动系统、主轴、工作台、导向、轴承、润滑、夹持系统、变形等) 刀具技术 (刀具几何参数、刀具结构、磨损、破损等) 测量技术 (误差检测、补偿、位移、形状、粗糙、微位移机构、激光技术、表面变质层等) 环境技术
7、 (空气、温度、振动、噪声、湿度、静电、光等),超精密加工方法-超精密加工方法分类,工件材料与加工方法,各种产品所适用的超精密加工方法,超精密加工对刀具材料的要求： 极高等硬度、极高得耐磨性能、极高的弹性模量 极锋利的刀刃、刃口半径值极小、能实现超薄切削 刀刃无缺陷、切削时将刃形复印到加工表面上，能得到超光滑的镜面 与工件的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工表面完整性,超精密加工刀具,传统切削加工,超精密切削加工,超精密切削加工,超精密切削加工,金刚石刀具的特点： 硬度自然界最高，耐磨性能极好 能磨出极其锋利的刀刃 导热性能好 和有色金属摩擦系数低 金刚石晶体具有强烈的各向
8、异性，不同晶面和不同方向的摩擦系数和耐磨性能不同。,设计制造金刚石刀具时，必须首先进行晶体定向。 金刚石刀具一般带修光刃，有直线修光刃和圆弧修光刃。 天然金刚石刀具(单晶金刚石)是超精密加工的唯一理想的刀具。,l,金刚石的物理力学性能,超精密加工金刚石刀具,金刚石刀具的应用 可用于加工铝合金、黄铜等有色金属和某些非金属材料，不能用于金属材料的加工。 可以得到超光滑表面，Ra0.02-0.005m，精度达到0.01 m以上 可以加工许多零件，如：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓等。,l,金
9、刚石刀具的应用 使用极锋锐的金刚石刀具在机床最佳条件下，金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削，极限最小切削厚度可达到1nm。 超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度和被切材料的物理力学性能有关。,l,超精密磨削 (包括研磨和抛光) 精密和超精密磨削加工方法分类,超精密磨削,镜面磨削：一般指加工表面粗糙度达到Ra0.020.01m，表面光泽如镜的磨削方法，只强调表面粗糙度。 超精密磨削的特点： (1) 超精密磨床是关键 (高精度、高刚度、高稳定性、微量进给装置、计算机数控等)。 (2) 是超微量切除加工或超薄切削，一般采用金刚石砂轮。,超精密磨削,砂带磨削的特点：
10、 (1) 弹性磨削 (弹性、柔性、减振、跑合与抛光)。 (2) 冷态磨削 (散热时间长、切屑不易堵塞) (3) 高效磨削 (效率为铣削的10倍，为磨削的5倍),砂带磨削,超精密研磨和抛光,超精密研磨和抛光技术 研磨：工件、磨料(较粗)、研具(硬质)、相对运动 抛光：工件、磨料(较细)、抛光器(软质)、相对运动 注重加工表面质量(表面变质层：组织结构、应力、应变、表面硬度、表面粗糙度、残余应力、表面裂纹、表面成分等) 磨料在工件和研具之间进行转动；研具面支撑磨料研磨加工,超精密研磨和抛光,影响研磨和抛光的主要工艺因素有： 研磨方法(单面、双面、旋转、往复)； 研具(铸铁、软布、树脂、橡胶、塑料)
11、； 磨粒(种类、粗细)； 环境(温度)；压力；速度等,超精密抛光的陶瓷表面,超精密抛光的纤维增强材料表面,超精密加工机床设备,超精密加工机床设备的发展 超精密机床是实现超精密加工的关键 利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微切削，而获得极高等尺寸精度和极小的表面粗糙度 最早的超精密加工机床是19世纪投入使用的各种天文望远镜和光学仪器的加工机床.,超精密加工机床设备,到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟 国防尖端技术、计算机技术、自动化技术的广泛应用使超精密机床的发展经历一个质的飞跃。 具体表现为：(1) 手动到自动；(2) 驱动电机闭环控制；(3) 高精度光栅和激光干
12、涉测量仪的应用，使机床定位精度和重复精度大大提高；(4) 计算机数控技术使各种复杂曲面加工成为可能；(5) 各种误差补偿机构，使机床动、静态精度大大提高。,典型的超精密加工机床 早期超精密加工机床,LODTM大型光学金刚石车床 可加工1625500、重量1360Kg的大型金属反射镜等大型零件 采用立式结构和空气轴承 刀具可以实现纳米级微位移 采用7路高分辨力双频激光测量系统，分辨力达到0.625nm，采用了误差补偿技术 为减小热变形的影响，机床各发热部件用大量恒温水冷却，水温度控制极其严格 整台机床用4个大空气弹簧支撑,典型的超精密加工机床,典型的超精密加工机床,OAGM2500大型超精密机床
13、 用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量 最大加工尺寸为：25002500610有2500的高精度回转工作台 采用卧式结构 采用激光双频测量器，分辨力达到2.5nm 磨头和测量头采用空气轴承 工作台用人造花岗石 用大量恒温水冷却,超精密加工机床主轴系统,主轴 能高速旋转 高精度、高刚度、高稳定性 液体静压轴承 空气静压轴承 主轴驱动方式 电机通过带传递驱动 电机通过柔性联轴器驱动机床主轴 采用内装式同轴电动机驱动机床主轴,超精密加工机床导轨材料,床身和导轨材料 优质耐磨铸铁 花岗岩 人造花岗岩,超精密加工机床进给系统,进给驱动系统 能实现准确的微量位移和精确定位 滚
14、珠丝杠副驱动 液体静压和空气静压丝杠副驱动 摩擦驱动 导轨结构形式 V-平面 双V形 滚动导轨 液体静压导轨 气浮导轨 空气静压导轨,超精密加工机床微位移机构,超精密加工测量技术,检测方法 离线检测 在位检测 在线检测-也称主动检测或动态检测 误差补偿技术 对加工过程中出现的误差进行修正、 抵消、均化 、钝化等措施使误差减小或消除。,超精密加工测量技术,误差补偿系统组成 误差信号检测 误差信号处理 误差信号建模 补偿控制 补偿执行机构,超精密加工测量技术,测量精度比加工精度要高一个数量级 检测位移 双频激光干涉测量仪、X射线干涉仪 检测加工表面 激光测量、扫描隧道显微镜、原子力显微镜,微细加工
15、技术,微细加工出现的历史背景 精密机械零件、仪表零件的微细加工 (如：钟表、计量仪器、医疗器械、光学仪器、微型电机、微型齿轮等) 电子设备微型化和集成化的需要 (如：计算机、微电子技术、航空航天、大规模集成电路等) 现代科技的发展，已经形成一门新兴学科，即：微小机械学(如：微型电机轴径0.1mm；微型齿轮外径0.125mm),微细加工技术,各种微型电子设备已广泛在工业、农业、国防、交通、家庭等中应用，结构愈来愈复杂，要求体积小，重量轻，成本低，可靠性高。 微细加工技术的含义：一般指微小零件的生产加工技术。 从广义上讲包括：切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工
16、、等离子体加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等。 从狭义上讲主要指：半导体集成电路制造技术，多指集成电路制造工艺，如：光刻技术、离子束溅射、真空蒸镀、化学气相沉积等。,微细加工的实例,中国科学家研制的微型步进电机的扫描电镜照片,微细加工的产品,微细加工的产品-超大规模集成电路的制备,微细加工的产品-微电机系统 (MEMS) 的制备,微细加工的产品-微电机系统 (MEMS)在汽车工业中的应用,微细加工的产品-微电机系统 (MEMS)在人体医学中的应用,微细加工的特点,微细加工是一个多学科的制造系统工程 (涉及到：分离技术、结合技术、高质量的材料、测试技术、环境技术、计算机
17、技术、质量控制技术、可靠性技术等) 微细加工是一门多学科的综合高新技术 (遍及传统和非传统加工工艺范围) 平面工艺是微细加工的基础 (主要指：半导体基片、电子元件、电子线路、封装等一整套制造工艺技术) 微细加工与自动化技术密切相关 微细加工和检测技术一体化 (在位检测和在线检测),微细加工的分类和基础,微细加工的分类： 分离加工 (切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工等) 结合加工 (附着加工、注入加工、接合加工等) 变形加工 (力和热使材料产生变形的加工方法) 微细加工的基础： 电子束加工 离子束加工 激光束加工,常用的微细加工方法,原子、分子加工单位的微细加工方法,特种加工方法,超精密特
18、种加工,特种加工方法,超精密加工的支撑环境,超精密加工的支撑环境,空气环境 空气中含尘量(洁净度、空气过滤) 气流速度(气流组织) 压力 热环境 温度 (一般20) 湿度 (相对湿度35%45%) 振动环境 室内振动 室外振动 自然界振动(微动和风等) 防振、隔振(防振垫层、隔振器) 声环境 噪声源 隔声 吸声 消声,纳米级加工,纳米级加工的含义 纳米级加工的含意是达到纳米级精度，包含：纳米级尺寸精度，纳米级几何形状精度、纳米级表面质量。 纳米级加工的特点 欲得到l nm的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际上已到加工精度的极限 纳米级加
19、工中试件表面的一个个原于或分子将成为直接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除。,纳米级加工方法,纳米级加工的主要方法：直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工。 近年来纳米级加工有很大的突破，例如用电子束光刻和离子刻蚀，己实现0.1um线宽的加工；扫描隧道显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。目前主要方法有：,纳米级机械加工 电子束和离子束加工 扫描隧道显微加工技术,纳米级机械加工 金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属可能获得Ra(0.02-0.002)m的镜面，刀具仔细研磨时可切l nm切削厚度的切屑。主要用平面、圆柱面和非球曲
20、面的镜面加工。 最近新发展的金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的ELID镜面磨削技术可以加工出Ra(0.02-0.002) m的镜面。 精密研磨抛光可以加工出Ra(0.01-0.002) m的镜面。量块、集成电路的硅基片等都是用精密研磨得到高质量表面。,电子束和离子束加工,可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和表面改性等 电子束加工时，被加速的电子将其能量转化成热能以去除穿透层表面的原子，电子束可以聚焦成很小的束班(中0.1m)，照射敏感材料，用电子刻蚀可加工出0.1 m的线条宽度而在制造集成电路中实际应用。 离子束加工时，因离子直径为0.1n m数量级，故可以直接将工件表面原子碰撞出去达到加工的目的。用聚焦的离子束进行刻蚀，可以得到精确的形状和纳米级的线条宽度。,扫描隧道显微加工技术,扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，是实现极限的精加工，原子级的精加工。 当扫描隧道显微镜的探针对准试件表面某个原子并非常接近时，由于原子间的作用力，探针针尖可以带动该原子随针尖移动，而不脱离试件表面，实现试件表面原子搬迁。,谢谢大家！ Thank You,