超精密加工技术的发展与展望

精密与特种加工技术结课论文题目：超精密加工技术的发展与展望指导教师：沈浩学院：机电工程学院专业：机械工程姓名：司皇腾学号：152085201020超精密加工技术的发展与展望摘要:超精密加工是多种技术综合的一种加工技术,是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。根据当前国内外超精密加工技术的发展状况,对超精密切削、磨削、研磨以及超精密特种加工及复合加工技术进行综述,简单地对超精密加工的发展趋势进行预测。精密加工技术发展方向是：向高精度、高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展。本世纪的精密加工发展到超精密加工历程比较复杂且难度大，目前超精密加工日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨、超精密特种加工等。在不久的将来，精密加工也必将实现精密化、智能化、自动化、高效信息化、柔性化、集成化。创新思想及先进制造模式的提出也必将为精密与超精密技术发展提供策略。环保也是机械制造业发展的必然趋势。关键词:加工精度;超精密加工技术;超精密特种加工;纳米技术;复合加工【引言】精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，往往我们一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它用好。通常按加工精度划分,可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工。在不同的历史阶段,不同的科学技术水平下,对超精密加工有不同的定义,由于生产技术的不断发展,划分的界限不断变化。过去的超精密加工对今天来说可能已经是普通加工了,所以对其划分的界限是相对的,而且在具体数值上至今没有确切的界限。现阶段通常把被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米,表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术称为超精密加工技术[1],也可以理解为超精密加工就是在超精密机床设备上,利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动,对材料进行微量切削,以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程,其精度从微米到亚微米,乃至纳米。超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向[2]。超精密加工技术综合应用了机械技术发展的新成果及现代光电技术、计算机技术、测量技术和传感技术等先进技术。同时,作为现代高科技的基础技术和重要组成部分,它推动着现代机械、光学、半导体、传感技术、电子、测量技术以及材料科学的发展进步。超精密加工在现代武器和一些尖端产品制造中具有举足轻重的地位,是其它一些加工方法无可替代的,它不仅可以应用于国防,而且可以广泛地应用于比较高端的民用产品中,是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志。1、超精密加工技术的发展历史精密超精密加工技术的起源从一定意义上可以上溯到原始社会：当原始人类学会了制作具有一定形状且锋利的石器工具时，可以认为出现了最原始的手工研磨加工工艺；到了青铜器时代后人类制作了各类表面光滑的铜镜，这种制作方式就是研磨及抛光工艺。但是到了近代才出现了真正意义上的精密加工，最典型的例子就是精密镗床的发明。1769年瓦特取得实用蒸汽机专利后，汽缸加工精度的高低就成了蒸汽机能否提高效率并得到实际应用的关键问题。1774年英国人威尔金森发明了炮筒镗床，可用于加工瓦特蒸汽机的汽缸体。1776年他又制造了一台更为精确的汽缸镗床，加工直径为75inch（1inch=2.54cm）的汽缸，误差还不到一个硬币的厚度。加工精度的提高促使了蒸汽机的大规模应用，从而推动了第一次工业革命的发展。20世纪60年代初期，随着航天、宇航的发展，精密超精密加工技术首先在美国被提出，并由于得到了政府和军方的财政支持而迅速发展。到了20世纪70年代，日本也成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划，将该技术列入高新技术产业，经过多年的发展，使得日本在民用光学、电子及信息产品等产业处于世界领先地位。近年来，美国开始实施了“微米和纳米级技术”国家关键技术计划，国防部成立了特别委员会，统一协调研究工作。美国目前至少有30多家公司研制和生产各类超精密加工机床，如国家劳伦斯利佛摩尔实验室（LLNL）、摩尔（Moore）公司等在国际超精密加工技术领域久负盛名。同时利用这些超精密加工设备进行了陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等材料不同形状和种类零件的超精密加工，并应用于航空、航天、半导体、能源、医疗器械等行业。日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的超精密加工设备，并成批生产了多品种商品化的超精密加工机床，日本在相机、电视、复印机、投影仪等民用光学行业的快速发展与超精密加工技术有着直接的关系。英国从60年代起开始研究超精密加工技术，现已成立了国家纳米技术战略委员会，正在执行国家纳米技术研究计划，德国和瑞士也以生产精密加工设备闻名于世。1992年后，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动了精密超精密加工技术的发展。国内真正系统地提出超精密加工技术的概念是从20世纪80年代~90年代初，由于航空、航天等军工行业的发展对零部件的加工精度和表面质量都提出了更高的要求，这些军工行业投入了资金支持行业内的研究所和高校开始进行超精密加工技术基础研究。由于当时超精密加工技术属于军用技术，无论从设备还是工艺等方面，国外都实施了技术封锁，所以国内超精密加工技术的开展基本都是从超精密加工设备的研究开始。由于组成超精密加工设备的基础是超精密元部件，包括空气静压主轴及导轨、液体静压主轴及导轨等，所以各家单位也正是以超精密基础元部件及超精密切削加工用的天然金刚石刀具等为突破口，并很快就取得了一些进展。哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所等单位陆续研制了超精密主轴及导轨等元部件，并进行了天然金刚石超精密切削刀具刃磨机理及工艺研究，同时陆续搭建了一些结构功能简单的超精密车床、超精密镗床等超精密加工设备，开始进行超精密切削工艺实验。非球面、曲面超精密加工设备的研制成功是国内超精密加工技术发展的里程碑，非球面光学零件由于具有独特的光学特性在航空、航天、兵器以及民用光学等行业开始得到应用，从而简化了产品结构并提高了产品的性能。当时加工设备只有美国、日本及西欧等少数国家能够生产，国内引进受到严格限制而且价格昂贵，国家从“九五”开始投入了人力物力支持研发超精密加工设备。到“九五”末期，北京航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、北京兴华机械厂、国防科技大学等单位陆续研制成功代表当时超精密加工最高技术水平的非球面超精密切削加工设备，彻底打破了国外的技术封锁。之后其他各类超精密加工设备，如超精密磨削设备、小计算机数控磨头抛光设备、磁流变抛光设备、离子束抛光设备、大口径非球面超精密加工设备、自由曲面多轴超精密加工设备、压印模辊超精密加工设备等也陆续研制成功，缩小了超精密加工技术国内外的差距。同时由于有了超精密加工设备的支撑，在超精密加工工艺方面也有了很大进展，如ELID超精密镜面磨削工艺、磁流变抛光工艺、大径光学透镜及反射镜超精密研抛及测量工艺、自由曲面的超精密加工及测量工艺、光学薄膜超精密加工工艺，超精密加工技术的应用领域也从军工业转向了民用行业。超精密加工技术的发展随着时代的进步其加工精度也不断提高，目前已经进入到纳米制造阶段。纳米级制造技术是目前超精密加工技术的巅峰，其研究需要具有雄厚的技术基础和物质基础条件，美国、日本及欧洲一些国家以及我国都在进行一些研究项目，包括聚焦电子束曝光、原子力显微镜纳米加工技术等，这些加工工艺可以实现分子或原子级的移动，从而可以在硅、砷化镓等电子材料以及石英、陶瓷、金属、非金属材料上加工出纳米级的线条和图形，最终形成所需的纳米级结构，为微电子和微机电系统的发展提供技术支持。2、超精密加工技术的分类超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束、等离子加工、激光束加工以及电加工等)以及最新研发的纳米技术。2.1超精密切削加工超精密切削加工是采用金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。金刚石刀具的优点在于其与有色金属亲和力小,硬度、耐磨性以及导热性都非常优越,且能刃磨得非常锋利,其刃口圆弧半径可小于R0.01μm,实际应用的一般为R0.05μm,可加工出优于Ra0.01μm的表面粗糙度。此外,超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如,空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如,光栅、激光检测系统等以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施,还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀,没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜,表面粗糙度可达Ra0.005μm，且最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工,随后,加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品(如,照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料等[3]。2.2超精密磨削超精密磨削技术是基于一般精密磨削而发展起来的,是用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工,金属的去除量可在亚微米级甚至更小,可以达到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。但磨削加工后,被加工的表面在磨削力及磨削热的作用下金相组织要发生变化,易产生加工硬化、淬火硬化、热应力层、残余应力层和磨削裂纹等缺陷。其加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料[4]。超精密磨削不仅要得到镜面级的表面粗糙度,还要保证能够获得精确的几何形状和尺寸。目前超精密磨削的加工目标是3～5nm的平滑表面,也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。砂轮的修整技术相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质,但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面,主要是由于砂轮粒度太细时,砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。2.3超精密研磨超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。研磨金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外,还采用了离子刻蚀和热化学方法。在研磨中,研磨盘原来均用高磷铸铁,后来采用高速钢研磨盘。例如:日本东海大学安永畅男教授等提出采用高速回转的高速钢盘与被加工的金刚石在接触和摆动中,通过物理化学作用,不用磨料,高速研磨金刚石车刀,完全突破了传统的研磨途径[5]。超精密研磨可解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等[6]。其加工出的球面度达0.025μm,表面粗糙度达Ra0.003μm。最近Kim.D.J等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮采用电解加工过程修整法实现磨具修整[7]。这种过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度,使磨具保持高速研磨能力。采用ELID方法超精密研磨硬质合金和光学玻璃,表面粗糙度Ra分别达到10.7nm,16.7nm。2.4超精密特种加工当加工精度要求达到纳米,甚至达到原子单位(原子晶格距离为0.1～0.2nm)时,切削加工方法已不能符合加工精度要求了,这时就需要借助特种加工的方法,即应用化学能、热能、电能或电化学能等,使这些能量超越原子间的结合能,从而去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形,以达到超精密加工的目的。2.4.1电子束加工电子束加工是指在真空中将阴极(电子枪)不断发射出来的负电子向正极加速,并聚焦成极细的、能量密度极高的束流,高速运动的电子撞击到工件表面,动能转化为势能,使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向,配合工作台XY方向的数控位移,可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电