精密与超精密加工课件.pptx

1、12u精密加工精密加工-加工公差为10.00.1m，表面粗糙度Ra0.300.03m的加工精密加工微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。u纳米加工纳米加工-加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工称为纳米加工。 u超精密加工超精密加工-加工公差为0.10.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工；3 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.

2、02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度几种典型精密零件的加工精度4精密加工与超精密加工的发展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨

3、机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密加工与超精密加工的发展精密加工与超精密加工的发展5精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误

4、差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位精密与超精密加工地位6结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化

5、掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向精密与超精密加工分类7。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点精密与超精密加工特点8要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺

6、广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。9照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等应用应用机理、特点机理、特点波及工件内层，可获得高精度和好表面质量map110加工设备关键技术关键技术Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器11车床主轴装在横向滑

7、台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 T形布局的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板T形布局（如图）12金刚石车床主要性能指标金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前

8、静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m13金刚石刀具金刚石刀具a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面14金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（如图）（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间，只

9、需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。15单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000金刚石刀具角度16金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片17砂轮材料砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点特点：砂轮修整砂轮修整：18进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷电泳磨削电泳磨削19塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 20接触轮硬磁盘装在

10、主轴真空吸盘上 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动精密与超精密砂带磨削精密与超精密砂带磨削2122几种常见砂带磨削方式几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮23砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。 3）强力砂带磨

11、削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（右图），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。24工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。游离磨料加工游离磨料加工25抛光工具液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒液体动力抛光液体动力抛光机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压26

12、q 激光测量激光测量27受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。 激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统（如下图）28由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2 。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（ f2 f2 ）= f + f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（= f1 f2）的参考信号。大部分激光

13、到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较， 获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。双频激光测量固定反射棱镜 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2 +f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2 +f2偏振

14、分光镜f1f1ff +f229双频激光测量系统30要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统 要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境精密与超精密加工环境3132热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（

15、电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法33主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（右图）

16、。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。单晶金刚石铣刀刀头形状34微细机械加工设备35BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C CFANUC 微型超精密加工机床FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床36直接线性驱动（直线电机驱动）37电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件

17、电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧38直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 39直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 5000040电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（下图）。线放电磨削法（WED

18、G）WEDG 可加工的各种截形杆WEDG工作原理工件金属丝导丝器41离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片42要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动：

19、 Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）43利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空44将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。离子束溅射去除加工四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台

20、 离子束去除加工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。45离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。46离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，

21、即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。47用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。离子束溅射注入加工离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。48通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机

22、械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。纳米技术研究的主要内容49q 扫描隧道显微测量（STM）A50STMSTM工作过程演示STM实物照片 51通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 用STM移动分子组成的IBM字样用STM观察石墨原子排列5224212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常数； e 电子电量； ka，k0 系数。12d试件STM探针UbSTM隧道结53两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件

23、表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。54关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。STM针尖55（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例

24、放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A56（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图b ) 。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图a ，其工作原理见图b。57原子力显微镜（AFM）A接触式非接触式58AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。

25、 AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。 STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。59AFM实物照片扫描探针磁盘图像60 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：61LIGA工作现场62 50 m X射线刻蚀的三维实体LIGA特点LIGA代表产品及应用