精密与超精密加工

摘要：Cu,Al这两种金属及其合金对我们来说并不陌生，在我们的日常生活用品中，工厂，工件工艺品以及国家电力电网，航空航天等领域都有铜，铝的身影。不可否认的是，这两种金属对我们的生活生产有着很重要的影响。但就这两种金属而言，在自然界中总是以他们的化合物形式存在。随着工业化的推进，Cu化合物，Al化合物的形式越来越多样化，精度要求也越来越高，于是，对这些金属化合物的加工方法逐渐向着精密与超精密方向发展。正文：Cu,Al及合金的精密与超精密加工方法的新展Cu更Al在自然界是广泛分布的，而Al是自然界中分布第二广的金属，由于其化学性质比较活泼，在外界总是以化合物的形式存在，Al2Co3,AlCl3,...都是其广泛存在的形式。Al还具有密度轻，导电性良好的特点，因此应用范围很大。在轻工业，有日用五金，家用电器；在电气行业，有高压输电线，变压器线圈，感应电动机；在电子行业的电视机，收音机，机械制造业、汽车行业、冶金行业、建筑行业、包装材料也有很多应用。而Cu的化学性质不活泼，接近于惰性金属，但在自然界中也总是以化合物的形式存在。在空气中放一段时间，和铝一样，在其表面也有一层致密的氧化膜。Cu以其很好的导电性，良好的延展性以及耐腐蚀性，在输电线，印刷版，船舶上有很大的应用。正是由于这些金属合金的广泛运用，因此其材料加工的精密程度就备受关注。一直以来，像铜，铝这样的金属材料可以用金刚石刀具切削，电化学加工法来溶解，氧化金属氧化物表面，使金属及其合金表面获得更高的加工精度。众所周知，精密加工通常是指加工精度在0.1~1ｕｍ，加工表面粗糙度Ｒａ在０.０２～０.１ｕｍ之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于０。１ｕｍ，加工表面粗糙度Ｒａ小于０.０１ｕｍ的加工方法称为超精密加工。比如铜及其合金的加工已经高度自动化，称为现代化大工业的重要组成部分。在现代生产中，铜的真空熔炼与铸锭方法可以生产电真空无氧铜、镍合金、含有易氧化烧损的铜合金。非真空感应熔炼、卧式连续铸造加工技术近十年来有巨大发展，主要表现为卧式连铸锡磷青铜的生产工艺。在特殊加工技术中，高精度异形铜带，内氧化弥散强化无氧铜，大面积杂断面异形铸造技术的发展就是现代铜加工技术精密化方向的展现。纵观国内外40多年超精密机床发展史，可以总结出两大特点：一是大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，对超精密机床产业化和商品化起着推动的作用；二是超精密机床的模块化、系统化是其进入市场的重要技术手段。当今超精密机床技术的发展趋势是：技术上不断朝着加工的极限方向发展，向更高精度、更高效率方向发展，向大型化、微型化方向发展；功能上向加工检测补偿一体化方向发展；结构上向多功能模块化方向发展；功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展，总体来讲是向极限制造技术方面发展。新理论、新原理、新观点、新方法及新技术在超精密机床中的应用1在机床结构方面为了增加超精密机床的静刚度和动刚度，一些超精密机床采用很特殊的结构，例如三角棱形立式结构的超精密磨床是为了超大直径(φ400mm)硅片研磨加工设计的，改变了传统的龙门式结构在重的加工负载下容易产生俯仰和偏摆变形的缺点。近年来采用多自由度并联机床结构，进一步增大了机床的刚度。2超精密主轴和导轨在传统空气静压和液体静压轴承的基础上，通过控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制从而提高轴承的刚度。磁悬浮主轴技术，永磁、电磁和气浮结合的控制方案也一直在研究中。多孔材料的气浮轴承可以提高气浮轴承的刚度。液体静压轴承具有刚度高、动态特性好等特点，但发热是其致命的弱点，水静压轴承的研制正是针对这一问题进行的。与油静压轴承相比，这种轴承的优点是轴承发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。3超精密驱动技术精密滚珠丝杠是超精密机床驱动采用的常规方式，但是这种方式存在许多缺点，限制了运动精度的进一步提高。为此，气浮丝杠和液体静压丝杠在一些日本研制的超精密机床上得到了应用，但是采用这种传动方式的零件加工工艺极其复杂，限制了其应用。摩擦驱动具有运动平稳、无反向间隙等特点，在一些轻载、低速的超精密加工设备及检测设备上得到了应用。近年来，直线电机在超精密加工设备的驱动上得到了广泛的应用，也成为一个趋势。直线电机采用无机械减速系统的无摩擦直接驱动方式，适合高精度、高分辨率、高速等场合。4超精密加工的误差建模与补偿技术5超精密机床的数控系统当然，需要我们冷静下来思考的问题是：我国超精密加工设备与国际先进水平的差距超精密加工设备的研制目前在国内还处于起步阶段，还没有形成一个产业，在超精密加工设备以及超精密加工工艺技术等方面，国内各个单位各有特点，相互之间进行深层次交流还存在着一定的障碍。一直以来西方国家对中国超精密加工设备处于禁运状态，正是在这种情况下国内各行业才开始进行超精密加工设备的研制，例如非球面超精密加工设备在20世纪80年代甚至90年代初期仍属于禁运产品，但随着国内多家单位（如北京航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京机床所等）相继研制成功非球面超精密加工设备，虽然在性能指标以及可靠性等方面还有很大差距，而且并没有形成商品。但多家国外公司纷纷解除了禁运，而且价格大幅度下降，从当初的1000多万人民币已经降到目前的300多万，这表明超精密加工设备的研究产生了巨大的经济效益和社会效益。超精密加工设备的展望1高精度、高效率高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。首先通过提高机床转速和刀具进给速度来缩短加工时间。以往商用超精密机床主轴转速为3000r/min，现已有15000r/min的机床出售。采用直线电机可大大提高进给回程速度，芯片封装设备的运动加速度可达10g以上。其次是通过提高运动部件刚度来提高精度和效率，如高刚度空气轴承(多孔质取代小孔节流)、液体静压轴系(液压油和纯水轴承)等，还可采用补偿软件进一步提高加工精度。总的来说，固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度，而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术（如CMP、EEM等）虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高，但无法获得如CMP、EEM一样的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工领域研究的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另外，电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生也是趋势表面。2加工及检测一体化美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制的LODTM为达到几十纳米形状精度，除环境控制十分严格外，加工设备同时也是在线监测设备。此外，加工与检测一体化还体现在日本佳能公司的超光滑抛光机（CSSP）以及英国克林菲尔德大学的精密工程研究所研制的OAGM-2500大型磨床上。目前Precitech公司、Moore公司生产的商品化超精密加工设备上也配备了在线检测系统。3工艺整合化当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件之一。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整等)的趋势越来越明显。4大型零件和微小结构的超精密加工加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜)，需要大型超精密加工设备。加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等)，需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备）。大型零件的精密／超精密加工较之一般零件更为困难，特别是大型光学零件，不仅是因为这类零件对面形精度的要求很高（一般达λ／几十），而且还要求表面及表层无损伤。例如，美国亚利桑那大学斯迪瓦天文台大镜实验室10m口径的KECK望远镜，法国REOSC直径8.4m天文望远系统烦射镜。激光核聚变、激光武器和空间像机等需要应用大量大型光学零件。近20年来出现了多种高精、高效加工方法以及对应装备。微小零件是指尺寸在几十微米至几毫米的零件，由于尺寸小，刚度差，给超精密加工带来很大困难。为减少对人类资源的消耗和对环境的污染，产品微型化、集成化是一必然趋势。目前不少微电子、光电子产品、宇航器等军用产品中的微小零件愈来愈多。例如，光纤通讯中所用光学透镜，尺寸在200μm，微驱动器中的轴系等，这些零件不仅是三维立体结构，因为运动还要求很高的精度和镜面的表面，特别是这些微小零件壁厚在几十微米至几微米，加工后表面机械物理性能的改变，常常使整个零件或系统出现故障，造成严重事故。5超精密加工技术向更高精度的层次发展超精密加工技术正受到毫微米精度的挑战，还面临微机械加工的要求，传统的加工也面临不适应的局面。因此从战略上必须重视这些发展。例如在微机械的制造技术领域，微机械与微机械加工已是当前超精密加工技术延伸的一个重要方面。它与传统的机械加工有着很大差异，并逐渐成为超精密加工技术领域的一种崭新的动向，起到了推动超精密加工技术发展的作用。LIGA技术就是这种趋势典型的产物，电加工向微细加工的发展也是重要表现。由STM、AFM等组成的SPM系统已经应用到机械加工领域，超精密加工的表面质量通过这类测量仪表的计量，使加工的技术水平向更高层次发展。这些技术的发展不仅推动了微机械技术的发展，而且也促进了传统机械加工的进步铝合金精密加工和微型化改革之路在所有那些加工复杂几何形状同时又有很高形状精度和表面质量要求的领域，微型化加工和超精密加工的车床和铣床就越显示出它的优越性。凯福精密制造有限责任公司股东总经理张总说：“能够进行切削加工和激光加工的组合机床是发展的趋势。”微型化加工和铝合金精密零件加工机床行业是一个虽然不大但是很精细的行业。在德国，大约有5~6家企业可以提供这种在成形精度和表面质量方面达到纳米级的高精密机床。据位于深圳福永的凯福精密制造有限责任公司股东总经理估计，在中国，微型化和超精密机床按价值计算的市场容量大约为1500万欧元。在争取客户的过程中，外国的竞争者，特别是美国的制造商们扮演着非常重要的角色。张总在论述其原因时说道：“从传统意义上讲，美国制造商在超精密切削加工方面要领先一步，因为是他们在军事技术中开发了这种高科技的机器，他们在此中进行了许多投资并不断地进行开发工作。”德国的制造厂商们在军事技术的应用方面过于保守，并因此错失了在金刚石车削和铣削方面和先进技术接轨的机会。但是他认为，这并不涉及微型化加工。“我认为，在这方面，我们没有美国企业先进。也没有日本企业的优秀。我个人认为，在铝及其合金加工中，由于铝制材料密度较轻，比较脆，所以用金刚石加工较多。在走向精密化的路途中，应该看到铝自身的化学性质，采用；化学方法电解液加工。由于铝制材料广泛在航天飞机，人体假肢这些关乎民生大计的领域里，因此做的轻巧和实用就十分重要了。在以后的铝合金精密加工和微型化加工这条路上，化学电解法与精密磨削相结合是一条可行之道。而铜材料由于其良好的可拉伸性，耐腐蚀性能以及化学惰性，在磨削加工冷却后必然会形成新的氧化层，而这层氧化层不一定是平整的，因此还应该采用精密磨削的方法进行加工。具体表现为，采用细微硬脆磨粒和抛光处理，在研磨抛光加工液中添加促进铜外层表面与氧气反应的物质，做到边反应边加工，使反应后的表面在预想中更加光整。铜，铝应用广泛，相信在以后的精密化道路中，只要提高一个精密等级，对生产生活都是有重大意义的。