重庆大学 先进制造技术第二章-精密和超精密加工技术1

第二章精密和超精密加工技术精密和超精密加工定义◆瓦特改进蒸汽机时代——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亚微米加工）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm（纳米加工）◆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◆精密加工——在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工——在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm几种典型精密零件的加工精度单晶金刚石飞铣加工的激光系统用KDP晶体(长宽420mm，厚10mm，粗糙度2nmrms)LODOM加工的美国宇航局用的抛物面镜，最终形状误差150nm几种典型精密零件的加工精度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（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）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0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密与超精密加工的地位美国哈勃望远镜光纤数据传输设备中的微光学元件，包括精密镜片、激光及光纤显微镜下看到的一个芯片的局部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0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内；英国Rolls-Royce公司报道，飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密与超精密加工的地位精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键精密与超精密加工的地位参数与性能分类名称单元芯片上的单元逻辑门电路数单元芯片上的电子元件数最小线条宽度μm小规模集成电路＜10～12＜100≤8中规模集成电路12～100100～＜1000≤6大规模集成电路＞100～＜1041000～＜1063～6超大规模集成电路≥104≥1050.1～2.5减小电路微细图案的最小线条宽度是提高集成电路集成度的技术关键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精密与超精密加工的地位新型硅片加工方法硅片加工的传统工艺流程加工费用与加工精度的关系通常随着加工精度的提高成本也将增加，但合理地选择和应用超精密加工方法能达到更好的效果精密与超精密加工分类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直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。◆“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。◆微量切削机理精密与超精密加工的特点◆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。精密与超精密加工的特点要达到加工要求，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。精密与超精密加工的特点精密与超精密加工保障技术影响超精加工的加工精度和表面质量的主要因素超精密加工机床的主轴系统1.超精密加工机床精密与超精密加工保障技术要求：静态和动态回转精度高，振摆小；主轴的精度寿命长；主轴本身及驱动系统不产生振动，或振动极小，而且振动的衰减特性好；具有与使用条件相匹配的、足够大的刚度和负荷容量；很高的热稳定性；维护、保养方便。超精密加工机床的主轴系统精密与超精密加工保障技术主轴轴承特性：精密加工、超精密加工机械用的主轴轴承，主要有滚动轴承、液体静压轴承，液体动压轴承，空气静压、动压轴承等。而很少使用一般的滑动轴承。超精密加工机床的主轴系统精密与超精密加工保障技术液体静压轴承供油压力恒定系统的液体静压轴承靠外部供给压力油、在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承超精密加工机床的主轴系统精密与超精密加工保障技术空气静压轴承特点：1）回转精度高。由于轴四周的气体压力的均匀效果，可以比较容易达到亚微米级的回转精度，而且可长时间保持精度。2）没有振动。因为是完全的空气润滑，在回转过程中几乎不产生振动。3）不发热。因热变形而使精度降低的因素小。4）经久耐用。因没有摩擦，无论是精度寿命还是轴承寿命都很高。5）可以高速回转，工作在100000r／min也没有问题。6）摩擦阻力小。在低速时摩擦系数几乎等于零，故驱动力小。7）因为不使用油，所以不会因密封和漏油而发生故障。8）可靠性高，维护、保养方便。只要气源和供气系统不出间题，就不会发生故障。超精密加工机床的主轴系统精密与超精密加工保障技术磁悬浮轴承：利用磁铁的斥力或吸力支承主轴的轴承特点：1）不受介质粘性的影响；2）在真空中也可以工作3）摩擦阻力可为零。目前存在的主要问题：1）为了获得磁力，所使用的永磁铁或电磁铁与回转体的尺寸相比过大。2）目前磁轴承的刚度与负荷容量还很低，与同样尺寸的空气轴承相比，刚度只有它的1／5～l／10。超精密加工机床的直线导轨要求：运动应均匀、平稳。不允许有停顿或爬行等不连续的运动；直线运动精度高。运动的平行度误差与角度误差要小；应具有与使用条件相匹配的足够的刚度；在运动过程中不产生振动；定位精度及重复性精度高。精密与超精密加工保障技术直线导轨的种类和特性精密与超精密加工保障技术滑动导轨滚动导轨液体静压导轨空气静压导轨磁悬浮导轨以平面或圆往面作为导向的支承面，有爬行现象用钢球或滚子作为支承，不能完全消除爬行现象，滚动体产生振动完全流体润滑，不会产生爬行现象，直线运动精度高，刚度和负荷容量大。但有振动、发热等问题没有爬行，直线运动精度高、没有振动，维护保养方便，刚度低，负荷容量小可在真空中使用。但装置较大、刚度较低超精密加工机床的进给系统超精密进给机构的条件：不干扰或降低导轨的直线进给精度；进给速度均匀，进给平稳；定位精度高；可实现工作所需要的高速进给或微速进给；精度寿命和使用寿命高；维护、保养方便。精密与超精密加工保障技术超精密加工机床的进给系统的种类和特点精密与超精密加工保障技术滚动丝杠－由螺杆、螺母、滚珠、密封件等零件组成的高精度机械传动部件。特点：1.与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3，效率可达80％以上；2.刚性高、无侧隙，滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而达到较高的刚性；3.可以实现微进给，启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，可以保证实现精确的微进给；4.可高速进给，滚珠丝杠由于运动发热小、效率高，所以可实现高速进给(运动)。精密与超精密加工保障技术超精密加工机床的进给系统的种类和特点微进给机构－磁致伸缩微进给机构，进给精度可达0.1～0.15μm，相对误差小于1.5％－电致伸缩微进给机构－热膨胀微进给机构－弹性变形微进给机构恒温要求：±1℃～±0.01℃恒湿要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%净化要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100）隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰2.超稳定的加工环境条件精密与超精密加工保障技术误差预防策略:即通过提高机床制造精度、保证加工环境的稳定性等方法减少误差源，从而使误差输出消失或减小；误差补偿策略：它指的是消除误差源的影响，即通过对过程建模、在线测量来预报输入，然后以这些预报信息为依据，提供一附加输入，将其与未经校正的误差相加，从而消除或减少补偿后的误差输出。测量仪器的精度应该比机床加工精度高一个数量级。测量和误差补偿技术操作者的技术水平精密与超精密加工保障技术