超精密加工的环境条件与控制策略

I超精密加工的环境条件与控制策略摘要：超精密加工是现代国家高新科技产业发展的前进基础和保障，是各个国家综合国力的象征，推动着国家高新制造产业的不断前进。加工精度和效率的提高促进了超精密加工技术的向更高层面迈进，但是环境条件尤其是振动条件是影响超精密加工精度和效率的主要因素。为了研究超精密加工中环境条件特别是振动环境的控制，本文主要研究超精密加工主要影响超精密加工的环境条件及其控制的策略；研究超精密加工中环境振动的分类和来源以及其对超精密加工的影响；研究超精密加工中控制环境振动所采用的技术和材料装置，并对其采用后的效果进行评估和相对应振动的分类。通过对上述内容的研究，初步掌握环境振动对于超精密加工的影响，并对环境振动采取有效的隔振消振处理和探索，为超精密加工中的环境振动的控制提出合理有建设性意义的建议。关键词：超精密加工；环境振动；隔振措施；消振措施11.1介绍超精密加工制造技术是当今高新科技工业发展的基本要素，同样也成为了将来制造科学前进的方向，在国际竞争中，超精密加工制造技术也是至关重要的高新顶尖技术步骤之一。它综合运用了机械制造技术发展的最新的研究成果以及现代电子讯息技术、光学技术、现代测量和电脑技术等高新技术，是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要依据，因此受到各个工业发达国家的高度重视。从应用的角度来看，在关系国家安全和综合国力的行业如国防科技、探空技术、核子能、高新电子等高科技的高新技术领域中超精密加工及其制造的高精仪器起着相当重要的角色，在这些领域的使用中有探空火箭技术、高新仪器里的齿轮、人工智能机器等。超精密加工的加工材料范围广泛，包括软金属、淬火钢、不锈钢、高速钢、硬质合金等较难加工的材料，也包括半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，不受材料外形的限制，使用的未来远景极为广[1]。跟着现代加工制造技术和高新产业产品对产品的精度以及表面完整性的要求愈来愈高,超精密加工制造技术的重要性逐渐体现。有关范畴的技术开发和发展就开始竭力于加工精度的一直提升,从微米级、亚微米级到纳米级,甚至现在的亚纳米级,比如航空航天产业里陀螺仪的轴承、电子信息产业里的集成电路和光学工业上的集成光路等,这些技术使生产的产品的体积减小,使产品质量和性能得到提升,并减少了这些工业产品使用成本。总体上看，产品精度的不断提升促使产业有产品微型化的趋势,并且提高了产品零件之间的可置换性,有效提升了组装装配的效率,提高产业的整体自动化程度。对于超精密加工生产中产品加工精度产生影响的主要是因为加工生产中的环境振动。尽管超精密加工机床在设计生产之初就已经尽可能减少了环境振动对于超精密加工的不良影响,但由于生产加工环境和加工技术的转变,环境振动还是会存在在一些超精密加工的机床设备里,从而使产品加工精度的下降,这个现象严重影响了超精密加工制造的未来成长与壮大。所以处理环境振动对超精密加工设备的干扰就变得格外迫切。1.2超精密加工及其环境条件的介绍1.2.1国外超精密加工发展概况国际上其他国家超精密加工开展较早，上个世纪六十年代初期，上个世纪五十年代至2八十年代为技术发展初期。这一个时间段，美国首先开始研究了以单点金刚石切削（SPDT）为象征的超精密加工技术，主要适用于航空技术、国家防御、天文等领域的激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工[2]。欧美一些发达国家陆续成功研制成功了用于超精密加工的超精密金刚石车床，用于一些常见软金属的超精密加工，加工的形状也只限于简单的轴对称图形零件。上个世纪八十年代至九十年代进入民间工业的应用初期。美国、日本、欧洲的一些领头的超精密加工研究的公司在政府的支持下，将超精密加工技术开始投向市场，一开始是民用的精密镜头的生产。但是由于超精密加工设备的缺少和代价高昂，初期主要是少量的专门订制。在这时间段还出现了可处理硬质金属的超精密金刚石磨削磨床，但尽管如此，超精密加工的效率还是无法赶上金刚石车床。上个世纪八十年代末期，美国投入大量研究资金和人力，成功研制了大型光学超精密加工车床，也成功成为了超精密加工领域的一个里程碑。上个世纪九十年代后，民用超精密加工技术渐渐完善和成熟。在民用交通、环境工程、光电信息、医疗仪器设备等产业的推动下，这些产业中光学镜片、超精密制造的模具、半导体元件等成了超精密加工广泛应用的平台。随着超精密加工设备的相关技术的逐渐成熟，超精密加工设备成为工业生产中比较习见的生产设备。另外，产品的加工精度也渐渐达到纳米级水平、可处理加工的零件材料的尺寸也越来越大，使用的领域也越来越广泛。当今国际范围内的超精密加工技术大国以日本、欧洲和美国为首，但是它们各自发展的关注重点又不尽相同。美国在超精密加工中已经投入大量资金，而大型X射线探测望远镜的大口径反射镜是其一直研究的重点方向。当下这类反射镜的材料为重量小且导热性较好的碳化硅，但这种材料的硬度较高，对于这种材料的超精密加工会遇到较高的技术要求。日本研究超精密加工的时间要晚于欧洲和美国，但是日本研究发展的速度很快。日本超精密发展偏向于电脑硬盘磁片、民用光学透镜等民用产品。现如今，日本在办公器材、光学透镜、声、微型电子等超精密加工方面相较于欧美有相当的技术领先。1.2.2国内超精密加工发展概况我国于上个世纪六十年代中期开始研究镜面外圆磨床，加工圆度小于0.3μm，表面粗糙度能低于Ra0.01μm。上个世纪六十年代末期成功研发完成单晶金刚石镜面车床，可加工材料的表面粗糙度降到Ra0.025μm以下。上个世纪七十年代后期研制了高精度磁盘车床。进入上个世纪八十年代后，国家各个领域都相继投入资金人力开始研究超精密加工的技术和超精密加工设备，尤其是在上个世纪九十年代后期很多企业研究机构成功研制了非球面3超精密加工设备，这是我国在超精密加工领域的一个里程碑。哈尔滨工业大学是我国研究超精密加工设备技术最早的研究机构之一，在上个世纪九十年代中期成功研制了亚微米级的超精密机床，并且对超精密切削过程的加工工艺机理、刀具耗损原理、脆性材料超精密切削去除机制等方向进行了相当多的研究和探索，本世纪初期研制成的大平面超精密铣床，已被采用到核聚变关键零件超精密加工过程中去了。北京机床研究所我国研究超精密加工技术的重要研究所之一，研制成功了NAM-800型纳米数控车床纳米级加工机床。北京航空精密机械研究所在我国超精密加工设备研究单位中是独具特色的，研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统[3]。还有超精密加工技术比较领先的有长春光机研制的数控非球面加工中心和国防科技大学于本世纪初研制的集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床AOCMT。国内有很多研究机构和企业研发团队对磁流变抛光进行了探索研究，国防科技大学本世纪初研制了加工尺寸可达1m口径的磁流变抛光设备KDMRF-1000。国防科技大学是我国研究离子束抛光的主要研究机构，在世纪初完成了具备非球面加工能力的离子束抛光设备KDIFS-500，可处理加工的最大直径φ500mm。此外，哈尔滨工业大学孙希威等[4]首先对大气等离子体抛光技术看展了探究，对于单晶硅片的加工试验获得了较为满意的成果。中国科学院成都光电所对应力盘抛光技术开展了研究，哈尔滨工业大学和浙江工业大学对气囊抛光进行了研究，都获得了预期的成果。长久以来，我国高新先进的制造业电子产品主要技术设备基本上都依靠国外的进口，更无法触及到超精密加工技术的核心，严重约束了我国电子产业、超精密加工行业的长足自主发展和壮大。国内的研究机构都肩负着壮大我国电子科技产业、超精密加工产业的重担，为我国的伟大复兴贡献自己的一份力。1.2.3超精密加工环境条件的研究超精密加工是现代发展高科技和高精密仪器机械的必需的机械制造工艺，该技术最核心的问题就是怎么去除接近材料分子尺寸的极其薄的材料层。要完成这个超精密加工，除了要具有能适应这种工艺的机床、材料、测量技术、刀具以外，还需要十分严苛的超精密加工环境条件。干扰超精密加工精度和质量的环境条件有空气环境、热环境、振动环境、声环境、光环境和静电环境等较多因素，这些因素一起影响着加工过程中加工的精度和质量。空气环境中的主要指标为洁净度、气体流动速度、压力和有害气体，空气的洁净度主4要是空气中的尘埃含量,要使空气的洁净度变高就要使空气中的尘埃变少。超精密加工中，所需要的条件中，空气洁净度是很重要的指标，如果不能保证所要求的空气洁净度，就很难加工出很达到要求粗糙度的表面，空气中的尘埃的混入会使被加工工件的表面划伤或者工件精度收到影响，一颗直径0.3μm的尘埃就有可能是被加工材料变成废品，因此进行超紧密加工需要建设洁净室，所谓洁净室就是讲空气环境中的各个条件进行有效控制的房间。而洁净室因不同的加工精度要求而采用不同标准的净化等级。国际上所接纳的标准等级包括100级、1000级、10000级、100000级。通常在超精密加工中要求的洁净度为100级，就是1m³的空气中，直径大于等于0.3μm的颗粒物要少于100个。在洁净室中，环境条件中的压力条件，为了保持超精密加工中的洁净度和湿度温度，洁净室内的压力就要比室外高，来有效阻止室外的污染空气和不同温度湿度的空气进入室内。热环境的主要指标是温度和湿度，温度的变化直接影响到机床和被加工工件在超精密加工过程中的形变和加工的精度，在超精密加工中主要控制温度的上下起伏，就是要求在加工过程中温度的变化越小越好，即控制恒温。在超精密加工中一般要求洁净室内温度控制在（20℃±0.06℃）之间，而也可使用恒温室来进行整体的恒温，为了降低能耗，一般夏季控制在23℃，冬季控制在17℃。湿度指的高低和加工过程有关，一般湿度低于40%时会由于静电的影响，超精密加工的工作精度无法保证，高于50%时，工件又容易生锈。所以在超精密加工中始终保持40%~50%的湿度环境，并在加工的过程中始终注意湿度的变化，随时给设备进行加湿和减湿的处理，保证超精密加工过程的高精度。振动环境是当今超精密加工过程中研究的一个很重要的课题，环境的振动对于提高超精密加工的加工精度和提升生产效率都具有很大的影响。振动的来源一般分为室内振动、室外振动和自然界的振动，室内振动大体上包括人员移动产生的振动、设备本身加工时所产生的振动、材料物资转移搬运所产生的振动、辅助器械所产生的振动。室外振动通常包括交通运输产生的振动、工厂生产产生的振动、建筑施工产生的振动和辅助设备产生的振动。自然界的振动通常包括风等。其他环境条件包括声、光、电磁环境等，在超精密加工中也要充分考虑和控制这些环境条件，防电磁波环境中电磁波对于设备造成的干扰和破坏，对于某些超精密加工时要能建设能屏蔽电磁波的环境。防静电环境中静电有可能造成半导体元器件的损伤，能是某些超精密加工中的胶片感光、出现某些气泡、沾染尘埃，造成超精密加工中的生产质量不达标，为了防止此类事故，要采取措施防止静电。对于其他环境条件，还要充分考虑“光”、“声”、“放射线”等对于超精密加工或者超精密加工环境的干扰和影响。51.3超精密加工中环境条件控制策略概述对于超精密加工过程中的各类环境条件，为了控制环境条件来达到超精密加工过程中所需要的要求，我们就必须采取措施来保证和控制超精密加工时环境条件的达标。空气环境的指标的控制主要是控制产生尘埃的量，不带入尘埃并不在加工过程中产生尘埃，操作人员要穿着无尘操作服，设立除尘室清除灰尘；安装空气控制过滤装置，有效调节气流速度；控制加工环境对于外部环境的正压，防止外部空气的介入。热环境的指标的控制主要是控制超精密加工时工作环境的恒温和恒湿，安装空气调节系统，包括：加热装置、冷却装置、加湿装置、减湿装置等。振动环境的指标的控制主要包含内部振动的消除和外部振动的消除，内部振动的消除有提高设备回转零件的动平衡精度；减少设备传动系统的振动；减少液压系统的干扰；提高系统的抗振性能。外部振动的消除主要是隔振：远离振动源；隔绝空气弹簧；隔振地基、安防隔振元件等。其他环境条件的指标的控制主要是安装细声材料；采用消声器控制噪声；安装消除静电的装置；设立放电磁干扰的设备等2.1振动环境与对超精密加工影响概述超