(三)先进制造工艺2-超精密加工技术

ChinaUniversityofMining&Technology3.2超精密加工技术1、超精密加工技术的发展目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度，尺寸精度，表面粗糙度，表面完整性（无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷，残余应力，组织变化）为目标。形状精度：尺寸精度：表面粗糙度：ChinaUniversityofMining&Technology美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是在这方面迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”(SinglePointDiamondTurning)或“微英寸技术”(1微英寸＝0.025 mm)，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。ChinaUniversityofMining&Technology美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件Φ2100 mm、重量4500 kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜(包括X光天体望远镜)等。该机床的加工精度可达到形状误差为28 nm(半径)，圆度和平面度为12.5 nm，加工表面粗糙度为Ra4.2 nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。ChinaUniversityofMining&Technology在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。例如，CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1mm，表面粗糙度Ra10 nm。ChinaUniversityofMining&Technology日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以，日本在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。ChinaUniversityofMining&Technology我国的超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025mm的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。ChinaUniversityofMining&Technology超精密加工技术的发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；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；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。ChinaUniversityofMining&Technology2、超精密加工技术方法机理（1）超精密切削加工超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工软金属材料，如铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维板等非金属材料，主要加工对象是精度要求很高的镜面零件。最新进展表明，国外金刚石刀具刃口半径可达到纳米级水平。日本大阪大学和美国LLL实验室合作研究超精密切削的最小极限，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，可以实现切削厚度为纳米(nm)级的连续稳定切削。ChinaUniversityofMining&Technology（2）超精密磨削和磨料加工超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固结磨料和游离磨料两大类加工方式。其中固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID磨削、双端面精密磨削、电泳磨削等。游离磨料加工是指在加工时，磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。ChinaUniversityofMining&Technology1)超精密砂轮磨削技术超精密磨削是指加工精度在0.1 µm以下、表面粗糙度Ra0.025 µm以下的砂轮磨削方法，此时因磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受到高温和高压作用，因此，需用人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等超硬磨料砂轮。超精密磨削工件表面的微观轮廓是砂轮表面微观轮廓的某种复印，其与砂轮特性、修整砂轮的工具、修整方法和修整用量等密切相关。超精密磨削与普通磨削的不同之处主要是切削深度极小，是超微量切除，除微切削作用外，可能还有塑性流动和弹性破坏等作用。ChinaUniversityofMining&Technology经研究表明，超精密磨削实现极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精细修正得到大量的、等高性很好的微刃，实现了微量切削作用。经过一定磨削时间之后，形成了大量的半钝化刃，起到了摩擦抛光作用，最后又经过光磨作用进一步进行了精细的摩擦抛光，从而获得了高质量表面。ChinaUniversityofMining&Technology现代超精密磨削已采用超硬磨料砂轮，如采用CBN砂轮时，砂轮速度vs一般为60 m/s以上，工件速度vw为5 m/min以上，修整进给量为0.03 mm/r，表面粗糙度Ra达0.1～0.5 µm。超硬材料微粉砂轮超精密磨削技术已成为一种更先进的超精密砂轮磨削技术，国内外对其已有一些研究，主要用于加工难加工材料，其精度可达0.025 mm的水平。该技术的关键是：微粉砂轮制备技术及修整技术、多磨粒磨削模型的建立和磨削过程分析的计算机仿真技术等。ChinaUniversityofMining&Technology2)超精密砂带磨削技术随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性也愈来愈好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。用超声波砂带精密磨削加工硬盘基体时使用聚脂薄膜砂带，切削速度为35m/min：利用滚花表面接触辊，其加工表面粗糙度为Ra0.043 µm，平均加工时间为125 min；利用光滑表面接触辊，得到Ra0.073 µm，平均加工时间为20 min。ChinaUniversityofMining&Technology3)ELID(电解在线修整)超精密镜面磨削技术目前，新材料特别是硬脆材料等难加工材料大量涌现，对这些材料尽管存在多种加工方法，但最实用的加工方法仍是金刚石砂轮进行粗磨、精磨以及研磨和抛光等。为了实现优质、高效、低耗的超精密加工，20世纪80年代末期，日本东京大学中川威雄教授创造性地提出采用铸铁纤维剂作为金刚石砂轮的结合剂，可使砂轮寿命成倍提高；紧接着，日本理化研究所大森整等人完成了电解在线修整砂轮(ELID)的超精密镜面磨削技术的研究，成功地解决了金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修锐问题。ChinaUniversityofMining&TechnologyELID技术的基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术由于采用ELID(ELectrolyticIn-ProcessDressing)技术，使得用超微细(甚至超微粉)的超硬磨料制造砂轮并用于磨削成为可能，其可代替普通磨削、研磨及抛光并实现硬脆材料的高精度、高效率的超精加工。ChinaUniversityofMining&TechnologyChinaUniversityofMining&TechnologyELID(电解在线修整)的特点1）砂轮始终处于锐利状态，磨削力小且磨削过程始终保持不变2）精密磨削中，砂轮上覆盖的钝化膜将代替金属砂轮基砂轮参与真正的磨削过程，可以实现镜面加工3）砂轮的修正和磨削可以通过电源参数和电解液的种类来控制，可以实现磨削修正过程的最优化ChinaUniversityofMining&Technology4)双端面精密磨削技术作平面研磨运动的双端面精磨技术，其双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨一样，工件既作公转又作自转；磨具的磨料粒度也很细，一般为3000#～8000#。在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀。该磨削方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精度，有相比研磨高得多的去除率；另外可获得很高的平面度和两平面的平行度。该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。ELID技术也被用于双端面磨削(如日本HOM-380E型双端面磨床)，加工精度更高。ChinaUniversityofMining&Technology5)超精密研磨与抛光技术游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工，如：超精密研磨磁流体精研磁力研磨电解研磨复合加工软质磨粒机械抛光(弹性发射加工、机械化学抛光、化学机械抛光)磁流体抛光挤压研抛砂带研抛超精研抛ChinaUniversityofMining&Technology5)超精密研磨与抛光技术超精密研磨抛光有以下发展动向：①采用软质磨粒，甚至比工件硬度还要软的磨粒，如SiO2、ZrO2等，在抛光时不易造成被加工表面的机械损伤，如微裂纹、磨料嵌入、洼坑、麻点等；②非接触抛光或称浮动抛光，抛光工具与工件被加工表面之间有一薄层磨料流，不直接接触；③在恒温液中进行抛光，既可以减小热变形，又可防止尘埃或杂物混入抛光区而影响加工质量；④采用复合加工等。ChinaUniversityofMining&Technology①超精密研磨技术研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处，使被加工表面的精度得以提高(可达0.025 µm)，表面粗糙度参数值得以降低(Ra达0.043 µm)，是一种原子、分子加工单位的加工方法。研磨机理可以归纳为以下几种作用：磨粒的切削作用；磨粒的挤压使工件表面产生塑性变形；磨粒的压力使工件表面加工硬化和断裂；磨粒去除工件表面的氧化膜的化学促进作用。其主要是磨粒的挤压使被加工表面产生塑性变形，以及当有化学作用时使工件表面生成氧化膜的反复去除。ChinaUniversityofMining&Technology与研磨加工相比，超精密研磨具有一些特点，即：在恒温条件下进行，磨料与研磨液混合均匀，所使用磨粒的颗粒非常小，所用研具材料较软、研具刚度精度高、研磨液经过了严格过滤。超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅片、石英晶体、高级平晶和光学镜头等零件的最后加工工序。ChinaUniversityofMining&Technology②磁流体精研技术磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸(0.0159 µm)的胶态溶液，由磁感应可能产生流动性。其特性是：每一个粒子的磁力矩极大，不会因重力而沉降；磁性曲线无磁滞，磁化强度随磁场强度增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体而置于磁场中时，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。磁流体精研为研磨加工的可控性开拓了一个方