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1、1,機械制造技術,,第五章 精密與 超精密加工,2,,第一節(jié) 概述,精密加工----加工公差為10.00.1m，表面粗糙度Ra0.300.03m的加工精密加工,微細加工 微小尺寸的精密加工 超微細加工 微小尺寸的超精密加工,在高精度加工范圍內，根據(jù)加工精度水平的不同，可進一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個檔次。,納米加工----加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工稱為納米加工。,超精密加工----加工公差為0.10.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工；,3, 幾種典型精密零件的加工精度,4, 精密加工與超精密加工的發(fā)展,5,,精密與
2、超精密加工技術是一個國家制造業(yè)水平重要標志 例：美國哈勃望遠鏡形狀精度0.01m；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1m，日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達2nm,精密加工與超精密加工技術是先進制造技術基礎和關鍵 例：美國陀螺儀球圓度0.1m，粗糙度Ra0.01m，導彈命中精度控制在50m范圍內；英國飛機發(fā)電機轉子葉片加工誤差從60m降至12m，發(fā)電機壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4m減小1m，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍,精密加工與超精密加工技術是新技術的生長點 精密與超精密加工技術涉及多種基礎學科和多種新興技術，其發(fā)展無疑會帶動和促進這些相關科學技術的發(fā)展,精密與超精密加工地位,6,,7
3、,,精密與超精密加工特點,8,,9,, 機理、特點,第二節(jié) 金剛石超精密加工技術,切削在晶粒內進行(吃刀量 ) 切削力原子結合力（剪切應力達 13000 N/ mm2） 刀尖處溫度極高，應力極大，普通刀具難以承受 高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內層，可獲得高精度和好表面質量,10,, 加工設備,要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等。, 關鍵技術,11,,車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調整保證，生產成本較低，已成為當前金剛石車床的主流布局。,T形
4、布局的金剛石車床,T形布局（如圖）,12,,金剛石車床主要性能指標,13,, 金剛石刀具,超精切削刀具材料：天然金剛石，人造單晶金剛石 金剛石的晶體結構：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根4次對稱軸，四根3次對稱軸和六根2次對稱軸（圖7-20）。,14,,金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象,金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。 （100）與（110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（如圖）,在距離大的（111）面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈開，而在距離小的（111）面之間，則需擊破三個共價鍵才能劈開。,在兩個相鄰的加強（111）面之間劈開，
5、可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。,15,金剛石刀具刃磨 通常在鑄鐵研磨盤上進行研磨 晶向選擇應使晶向與主切削刃平行 圓角半徑越小越好（理論可達到1nm）,金剛石刀具角度（如圖）,16,,金剛石車床,加工4.5mm陶瓷球,金剛石車床及其加工照片,17,, 砂輪材料：金剛石，立方氮化硼（CBN）,第三節(jié) 超硬磨料砂輪精密與超精密磨削,18, 電泳磨削,使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪結合劑發(fā)生氧化，氧化層阻止電解進一步進行。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進行，砂輪在整個磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。,19,
6、, 塑性（延性）磨削,磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。 塑性磨削工藝條件： （1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關。一般臨界切削深度1m。 為此對機床要求：高的定位精度和運動精度。以免因磨粒切削深度超過1m時，導致轉變?yōu)榇嘈阅ハ?。高的剛性。因為塑性磨削切削力遠超過脆性磨削的水平，機床剛性低，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。 （2）磨粒與工件的接觸點的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發(fā)生變化，導致切屑形成機理的變化
7、（已有試驗作支持）。,20,,砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細微砂粒。 砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。 有開式（右圖）和閉式兩種形式，可磨削平面、內外圓表面、曲面等。, 精密與超精密砂帶磨削,21,,用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統(tǒng)）,22,幾種常見砂帶磨削方式,23,,,砂帶磨削特點,1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質量好（ Ra 值可達 0.02m）。,3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。 4）制作簡單，價格低廉，使用方便。 5）可用于內外表面及成形表面加工。,2）靜
8、電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（右圖），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。,24,,機理：微切削被加工材料的微塑性流動作用, 彈性發(fā)射加工, 游離磨料加工,拋光輪： 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直徑 0.10.01m,25,,工作原理（右圖） 拋光工具上開有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。 機理：微切削作用。,工作原理（右圖） 活性拋光液和磨粒與工件表面產生固相反應，形成軟粒子，使其便于加工。 機理：機械+化學作用，稱為“增壓活化”。, 液體動力拋光, 機械化學拋光,26,,激光由于其優(yōu)良的特性（強度高，亮度大，單色性、相干性、方向性好等）在精密測量中得到廣泛應用。
9、 可以測量長度，小角度，直線度，平面度，垂直度等； 也可以測量位移，速度，振動，微觀表面形貌等； 還可以實現(xiàn)動態(tài)測量，在線測量，并易于實現(xiàn)測量自動化。 激光測量精度目前可達0.01m。,激光測量,27,激光高速掃描尺寸計量系統(tǒng)（如下圖）,28,經分光鏡，折射一小部分，經干涉測量儀獲得拍頻f（= f1 f2）的參考信號。大部分激光到偏振分光鏡：垂直線偏振光f1被反射，再經固定反射棱鏡反射回來；水平線偏振光 f2全部透射，再經移動反射棱鏡反射回來。,該信號與參考信號比較， 獲得f2 的具有長度單位當量的電信號。由于使用頻率差f 進行測量，使其不受環(huán)境變化影響，可獲得高的測量精度和測量穩(wěn)定性。,
10、氦氖激光器發(fā)出的激光，在軸向強磁場作用下，產生頻率 f1和f2旋向相反的圓偏振光，經1/4波片形成頻率f1的垂直線偏振光和頻率f2的水平線偏振光。經透鏡組成平行光束。,,雙頻激光測量,7.2.1 精密與超精密加工技術,29,,雙頻激光測量系統(tǒng),30,,恒溫要求：1 0.01 實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）,恒濕要求：相對濕度35%45%，波動10% 1% 實現(xiàn)方法：采用空氣調節(jié)系統(tǒng),凈化要求：10000100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5m塵埃個數(shù)不超過100） 實現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣,隔振要求：消除內部、隔絕外部
11、振動干擾 實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器,精密與超精密加工環(huán)境,31,微細加工 通常指1mm以下微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1m 10m 。 超微細加工 通常指1m以下超微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01m 0.1m。 精度表示方法一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細加工，其精度用誤差尺寸絕對值表示。 “加工單位” 去除一塊材料的大小，對于微細加工，加工單位可以到分子級或原子級。 微切削機理切削在晶粒內進行，切削力要超過晶體內分子、原子間的結合力，單位面積切削阻力急劇增大。,第四節(jié) 微細與超微細加工技術,32,,33,,主要采用銑、鉆
12、和車三種形式，可加工平面、內腔、孔和外圓表面。 刀具：多用單晶金剛石車刀、銑刀（右圖）。銑刀的回轉半徑（可小到5m）靠刀尖相對于回轉軸線的偏移來得到。當?shù)毒呋剞D時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。,,34,,微小位移機構 ，微量移動應可小至幾十個納米 。 高靈敏的伺服進給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。 高的定位精度和重復定位精度，高平穩(wěn)性的進給運動。 低熱變形結構設計。 刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。 高的主軸轉速及動平衡。 穩(wěn)固的床身構件并隔絕外界的振動干擾。 具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)。,, 微細機械加工設備,35,,,機床有X、Z、C、B四個軸，
13、在B 軸回轉工作臺上增加A軸轉臺后，可實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設定單位為1nm?？蛇M行車、銑、磨和電火花加工。 旋轉軸采用編碼器半閉環(huán)控制，直線軸則采用激光全息式全閉環(huán)控制。 為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦，導軌、絲杠螺母副以及伺服電機轉子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓結構。,FANUC 微型超精密加工機床, FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工機床,36,,載流導體： 逆壓電材料（如壓電陶瓷PZT）電場作用引起晶體內正負電荷重心位移（極化位移），導致晶體發(fā)生形變。 磁致伸縮材料（如某些強磁材料）磁場作用引起晶體發(fā)生應變。, 直接線性驅動（直線電機驅動）,37,電磁驅動裝
14、置（直線電機）工作原理,38,,直線電機驅動定位平臺(YOKOGAWA公司）,39,,直線驅動與伺服電機驅動比較,40,電極線沿著導絲器中的槽以510mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸。如導絲器通過數(shù)字控制作相應的運動，還可加工出各種形狀的桿件（下圖）。,, 線放電磨削法（WEDG）,41,,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程, 光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）,42,要求：定位精度 0.1m，重復定位精度 0.01m 導軌：硬質合金滾動體導軌，或液（氣）靜壓導軌 工作臺：粗動 伺服電機 + 滾珠絲杠 微動 壓電晶體電致伸縮機構,工作臺微動的形成： X運動： Py1 Py2
15、 Px長度變化 Y運動： Py1 Py2 Py1長度變化 Z轉動： Py1 Py2, 加工設備（電子束光刻大規(guī)模集成電路）,43,利用氬（Ar）離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級動能的惰性氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進行“濺射”加工。,44,,將被加速的離子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。,離子束濺射去除加工, 四種工作方式,45,離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形（需要5坐標運動），金剛石刀具和沖頭的刃磨，大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。,離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。,46,,
16、,離子束濺射鍍膜加工,用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”,離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應用在刀具上可提高壽命1-2倍。,濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。 由于濺射出來的原子和分子有相當大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。,47,,,用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質。 可用于半導體摻雜（在單晶硅內注入磷或硼等雜質，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,離子束濺射注入加工,離子束
17、曝光,用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。,48,, 通常指納米級（0.1nm100nm）的材料、設計、制造、測量和控制技術。納米技術涉及機械、電子、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學等多個領域。 在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應、波動特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導因素。,, 納米技術研究的主要內容,納米級精度和表面形貌測量及表面層物理、化學性能檢測； 納米級加工； 納米材料； 納米級傳感與控制技術； 微型與超微型機械。,第五節(jié) 納米技術,49,,,掃描隧道顯微測量（STM）,掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士
18、蘇黎世實驗室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明，可用于觀察物體 級的表面形貌。被列為20世紀80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學獎。,STM工作原理基于量子力學的隧道效應。當兩電極之間距離縮小到1nm時，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當一個電極為非常尖銳的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。,G.Binning H.Rohrer,50,,,STM,STM工作過程演示,STM實物照片,51,,,通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣,石墨三維圖像,用STM移動分子組成的IBM字樣,
19、用STM觀察石墨原子排列,52,,,當探針與試件表面距離達1nm時，形成隧道結。當偏壓Ub小于勢壘高度時，隧道電流密度為：,式中 h 普郎克常數(shù)； e 電子電量； ka，k0 系數(shù)。,由上式可見，探針與試件表面距離 d 對隧道電流密度非常敏感，這正是STM的基礎。,53,,兩種測量模式,54,,,關鍵技術： （1）STM探針金屬絲經化學腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。,STM針尖,55,（2）隧道電流反饋控制,56,,（3）納米級掃描運動壓電陶瓷掃描管,（4）信號采集與數(shù)據(jù)處理由軟件完成。,壓電陶瓷掃描管結構及工作原理,當陶瓷管內壁接地，X軸兩外壁電
20、極電壓相反時，陶瓷管一側伸長，另一側縮短，形成X方向掃描(圖b ) 。若兩外壁電極電壓相同，則陶瓷管伸長或縮短，形成Z方向位移。,壓電陶瓷掃描管結構見圖a ，其工作原理見圖b。,57,,, 原子力顯微鏡（AFM）,當兩原子間距離縮小到 級時，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產生吸引力。而當兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產生排斥力。,AFM兩種測量模式： 接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時的垂直位移即反映被測表面形貌。
21、 非接觸式探針針尖與試件表面距離為0.51nm，利用原子間的吸引力。,為解決非導體微觀表面形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。,58,,AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面，原子排斥力將探針微微抬起。達到力平衡。 AFM探針掃描時，因微力簧片壓力基本不變，探針隨被測表面起伏。,AFM結構,在簧片上方安裝STM探針， STM探針與簧片間產生隧道電流，若控制電流不變，則STM探針與AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。,59,AFM實物照片,,,掃描探針,磁盤圖像,60,,1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，
22、在厚度達0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序：,61,,,LIGA工作現(xiàn)場,62,,, LIGA特點,用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度達0.10.5mm，高寬比大于200的三維微結構，形狀精度達亞微米, LIGA代表產品及應用,微傳感器、微電機、微機械零件、微光學元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等 廣泛應用于加工、測量、自動化、電子、生物、醫(yī)學、化工等領域,可以實現(xiàn)大批量復制，成本較低,
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