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超精密加工技术的发展与对策(1)

超精密加工技术的发展与对策(1)

分类:
超精密加工产业化
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来源:
发布时间:
2019/10/24 18:16
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超精密加工技术的发展及对策

 

超精密加工技术的特点及其应用

超精密加工目前尚没有统一的定义,在不同的历史时期,不同的科学技术发展水平情况下,有不同的理解。通常我们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。
超精密加工的重要手段包括
①超精密切削,如超精密金刚石刀具镜面车削、销削和铣削等;
②超精密磨削、研磨和抛光;
③超精密微细加工(电子束、离子束、激光束加工以及微硅器件的加工、LIGA技术等)。
 
超精密加工技术的发展及对策
 
超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的市场,它既是高代价、高投入的工艺技术,又是高增值、高回报的工艺技术,世界工业先进国家都把它放在国家技术和经济振兴的重要位置。
试举几例。

(1)超精密零件加工

例如惯性导航仪器系统中的气浮陀螺的浮子及支架、气浮陀螺马达轴承等零件的尺寸精度、圆度和圆柱度都要求达到亚微米级精度;人造卫星仪器轴承是真空无润滑轴承,其孔和轴的表面粗糙度Rα达到1nm,圆度和圆柱度均为纳米级精度,这些零件都是用超精密金刚石刀具镜面车削加工的。精密液压控制系统中的精密伺服阀的阀芯与阀套的配合精度也常在亚微米等级,它是用超精密磨削方法加工的。
 
超精密加工技术的发展及对策
 

(2)超精密异形零件加工

例如航空高速多辨防滑轴承的内滚道/激光陀螺微晶玻璃腔体,都是用超精密数控磨削加工而成的。陀螺仪框架与平台是形状复杂的高精度零件,是用超精密数控铣床加工的。

(3)超精密光学零件加工

例如激光陀螺的反射镜的平面度达 0.05μm,表面粉糙度Rα达0.001μm、它是由超精密抛研加工、再进行镀膜而成,最终要求反射率达99.99%。—些高精度瞄准系统要求小型化,所以用少量非球面镜来代替复杂的光学系统。这些非球镜是用超精密车、磨、研、抛加工而成的。最近,二元光学器件的理论研究进展很大,二元光学器件的制造设备是专用的超精密加工设备。在民用方面,隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。计算机的硬盘、光盘、复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成的。
 
超精密加工技术的发展及对策
 

(4)超精密机电系统器件加工。

微机电系统(ME—MS)是从集成电路制造技术发展起来的新兴机电产品,如微小型传感器、执行器等。硅光刻技术、 LIGA技术和其它微细加工技术的生产设备、检测设备都是超精密加工的产品。
 

超精密加工技术的发展及分析

超精密加工技术是以高精度为目标的技术,它必须综合应用各种新技术,在各个方面精益求精的条件下,才有可能突破常规技术达不到的精度界限,达到新的高精度指标。近20年来超精密加工技术在以下几个方面有很大的进展:
①超精密加工机床技术;
②超精密加工刀具及加工工艺技术;
③超精密加工的测量与控制技术;
④超精密加工环境控制(包括恒温、隔热、洁净控制等)。
 

超精密加工机床的设计与制造技术

世界超精密机床的现状与特点
纵观40年超精密机床发展史,可以总结为两大特点:
(1)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例如,20世纪80年代,美国UnionCarbide公司、Moore公司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状精度为0.1μm、直径为800mm的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究计划——POMA(point one micrometer accuracy)计划。这是一个里程碑式的研究计划。1984年,美国加州大学伯克利分校LLNL实验室成功研制的大型光学金刚石车床 LODTM,是迄今为止精度最高的大型超精密机床。该机床可加工直径为2.1m,重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨,在 1.07m×1.12m范围内直线度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺,通过测量和修正来达到),位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉仪来测量和反馈控制达到),主轴溜板运动偏摆小于0.057”(通过两路激光干涉仪测量、压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统,不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在20℃土0.0025℃。采用摩擦驱动,推力可达1360N,运动分辨率达0.005μm。英国著名的Granfield大学精密工程研究所也先后研制出ORGM2500六轴数控超精密磨床,Nanocenter250、Nanocenter600非球面光学零件车床和大型超精密金刚石镜面车床。
 
超精密加工技术的发展及对策
 
(2)超精密机床模块化、系统化是超精密机床进入市场的重要技术手段在商品化实用超精密机床方面,世界最负胜名的是英国的Tarler/Hobson—Pneumo公司。该公司出产Optoform、Microform和Nanoform3个系列的超精密机床。典型产品Nanoform250车床系统采用空气静压主轴,其径向刚度、轴向刚度分别为88N/μm和62N/μm,径向、轴向运动精度均达 0.05μm。采用液体静压导轨,其水平直线度和垂直直线度分别为0.2μm/250mm和0.5μm/250mm,定位精度为0.3μm/250mm。数控系统采用Nanopath,分辨率为0.001μm。测量反馈系统采用光栅尺或激光干涉仪。分辨率分别为8.6nm和1.25nm。加工形面精度达 0.2μm,表面粗糙度及n<0.01μm。美国的Precitech公司是前PnGumo公司设计总工程师DonBrehm在1986年创立的。该公司只有60名雇员,生产Optimtlm系列6种超精密机床,销售全球,典型产品Optimum2400数控车床销售价为25万美元。德国的Kugler公司生产超精密飞切车床F系列、微铣床D系列、微钻床B系列、金刚石磨床A系列、测量机MAE系列等多种超精密机床。还有一些公司,如美国的Anorad公司生产各种模块化工作台,可以满足用户用不同方式组成一维、二维和多维的超精密运动控制平台。由于有了模块化和构件化的技术,研制新的超精密制造设备的费用和周期大大下降,技术难度也下降。
 

我国超精密机床的现状与技术发展

 
我国超精密机床的研制进行了数十年。北京机床研究所、航空部303所、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等单位都研究了自己的超精密机床,但是力量分散,不能形成产品系列和产业化气候。单项技术指标尽管很高。但总体技术水平落后,不足以满足我国超精密加工行业的需要,大部分还只是停留在研究型机床的状态,因此,工业界只能花大价钱购买国外产品。对此应采取以下举措:
 
(1)超精密机床模块化设计制造与组织。用数字化快速可重构的思想对超精密机床的设计与制造活动实现上层组织。设想有实力的高校、研究所、工厂与用户按市场机制组成资源有偿共享的虚拟企业,开展针对我国国情的超精密机床廉价化策略的研究,主要内容有模块化分类法、编码系统与标准化研究、概念设计与模块化分解、联结原则与方法、设计知识库支持系统和精度分析决策系统、单元模块设计制造与生产组织系统。该项技术是一项系统工程,一旦条件成熟就可以集中国内分散的力量,使新的精密设备的周期缩短、研制费用和技术难度大大下降。
 
(2)模块化单元技术的基础研究超精密机床的基础模块和普通机床的模块差异很大,这是由于高精度要求所决定的。为了取得更高的精度,就必须从新原理、新材料、新方法等方面去另辟路径。
 
例如,在超精密气浮轴系设计中,为了提高其承载能力,动静刚度和阻尼、多孔质材料节流方式、零柔度有源无源气浮控制、无节流孔气槽优化设计、球型气浮主轴等新技术在不断的研究中。高速主轴的动压行为、动平衡问题以及加热热管冷却系统解决主轴热伸长等技术都值得进行持久的研究。对于液体静压线导轨系统中。但由于它的热损耗大、驱动电机功率的冗余度增大,温度控制难度也随轴系,由于油压轴承具有承载能力大、阻尼大、动刚度好等优点,常用于超精密机床的直着增大,这就要求有高水平的油温控制系统(如油温控制到0.01℃)。去离子水液压轴承可以大大减少热损耗,用它制成的高速旋转主轴比油压轴承在热控制上有很大的优越性。在超精密机床的驱动技术方面,精密滚珠丝杠传动是主要方式,气浮丝杠、磁浮丝杠和液体静压丝杠可以进一步减少由于制造精度和接触刚度引起的5个自由度方向的运动误差,以及由于摩擦和反向间隙带来的非线性环节。摩擦传动技术运用于超精密机床传动中,可以取得平稳、无反向间隙、高运动分辨率的效果。近年来直线电机也开始用于超精密机床中,如Indramat公司宣称其直线电机传动定位精度为0.04μm,分辨率为0.01μm,速度可达200m/min。超精密机床的其它模块,如床身与机座、数控与测量、微进给系统、装夹具系统,都有其特殊的要求,有大量的研究工作可做。
 

超精密加工刀具及加工工艺技术

超精密金刚石镜面切削工艺

 
由于天然金刚石具有极大的硬度,可以制成极其锋利的刀具(刃口圆弧半径达几纳米到几十纳米),因此可实现极薄层切削(纳米级),从而获得非常好的表面加工质量。超精密车削和铣削(主要采用金刚石切削)已取得了很大的成功。金刚石刀具的刃磨与测量成了一项重要的研究课题。为了扩大金刚石刀具的应用范围,对硬脆材料、超软质材料、黑色金属材料的超精切削机理和工艺的研究也十分重要,如大负前角金刚石车刀加工光学玻璃及硬脆半导体材料工艺、液氮深冷切削、富碳大气保护切削黑色金属工艺等。对于超精密非球面切削加工而言,要求数控跟踪精度高、刀具圆弧半径刃磨和测量的精度高,既要保证形状精度,又要达到高的表面质量。金刚石切削加超声波的工艺也值得研究。
 

超精密磨削工艺

 
对于硬脆材料超精加工而言,一般都采用研磨抛光加工方法。在磨削加工中,为了使加工表面不产生脆性断裂现象,使材料以“塑性”流动方式去除,必须保证未变形切削,切削厚度小于脆性一塑性(或称延性)转换临界值。该临界值因材料而异,大约为0.1μm。能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式。延性磨削方式要求超精密磨床具有优于0.1μm的运动精度和足够的动刚度,要求微细磨粒砂轮能在磨削过程中保持足够锋利。延性磨削技术对平面光学玻璃加工可达到以前只能靠研磨抛光才能加工出来的水平。1987年日本学者大森整提出的在线电解砂轮修整(electro lytic inprocess dressing,ELID)方法,可以用于超精密延性磨削。ELID方法采用具有良好导电性和电解性的金属结合剂制成超微细粒度超硬磨料砂轮。砂轮在工作中接正电极,安装在机床上的修整电极为负电极,通过砂轮与电机之间浇注的电解液进行电化学作用,在线修整砂轮,使砂轮保持锋利。大森整使用 ELID方法加工光学玻璃非球面透镜,面型精度达到0.2μm,表面粗糙度Rα达20nm。
 
超精密加工技术的发展及对策
 
超精密研磨、抛光工艺
超精密研磨通常选用粒度大小只有几纳米的研磨微粉,对加工表面进行长时间的研磨以达到极高表面质量。超精密研磨机床的要求很高,例如航空精密机械研究所研制的超精密平面研磨机床,上下研磨盘采用液体静压支承,用静压油缸推动上磨盘运动,轴向重复定位精度优于0.2μm。在研磨机床上配有金刚石切削机构,可以对研磨盘进行加工。工件与磨盘保持固定的偏心距绕各自轴线旋转,磨盘用金属锡制成。在这台机床上,微晶玻璃片的研磨抛光实现了(λ/10— λ/15)/φ30的平面度(λ为0.632μm),0.37nm—0.52nm粗糙度的超精抛光。对于非球面镜的磨削、研抛加工,近年来采用计算机控制光学表面成形(computer controlled optical surfacing,CCOS)技术,即用计算机控制的方法,使得在单位时间内,加工面上某一点的材料去除量正比于磨盘压强及磨盘与加工点之间的相对速度。这种加工方法的实现难度很大。另外一些特种加工方法,如弹性发射加工方法(elastic emission machining,EEM),等离子体化学气体加工方法(chemical vaporization machining,CVM),也是有前途的超精密光整方法。
超精密测控技术
场距离的测量仪器中,双频激光干涉仪测量精度高、测量范围大,但是对环境的要求过高,在使用中带来很多困难。近年来微光学器件的发展使光栅技术有了很大的进步。德国Heidenhain的超精密光栅尺被世界各超精密设备厂家选用。对于小距离的测量仪器中,电容式、电感式测微仪仍是主要的设备,光纤测微仪也发展很快。在更小测量范围的测量仪器中有扫描隧道显微镜(STM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM),这些仪器可以进行纳米级的测量,常用于表面质量检测。测量仪器的稳定性和可靠性也是超精密测量中的一项十分重要的指标。
 
超精密加工技术的发展及对策
 

超精密环境控制技术

为了适应超精密加工的需要,达到微米甚至纳米级的加工精度,必须对它的支撑环境加以严格的控制,主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等。空气环境中主要应控制的品质是洁净度,一般超精密加工要求的洁净度在1000一100级左右,即每立方米空间0.5μm大小的尘埃不多于35×1000、35×100(1ft3的空间0.5μm大小的尘埃不多于1000—100个)。随着半导体工业的快速发展,对空气洁净度提出了更加苛刻的要求,美国联邦标准209D上增加了l级和10级的洁净度级别。热环境与加工精度有密切关系,热环境中主要应控制的品质为温度和湿度。普通金属在温度变化1℃时的热膨胀量约为1.6μm左右,所以为进行亚微米精度的加工,温度变动范围应控制在土0.05℃之内,相对湿度控制在35%到45%之间为宜。目前实用的温度控制技术最高水平为美国的恒温油喷淋技术,可实现 20℃±0.0025℃的温度控制。振动是影响超精密加工精度的又一重要因素,利用良好的隔振地基和空气隔振垫,可以隔离绝大部分“常时振动”,是目前应用较多的隔振手段。另外,还应考虑设备运动件的动平衡或振动隔离,消除或减少内部振源,尽量远离外部振源,通过综合努力使70Hz以下的振动幅度小于 1μm,满足超精密加工的要求。
 

展望与对策

为了尽快提升我国超精密加工的水平和能力,应该加强超精密加工技术的研究力度,工厂、高校和研究所应密切合作,针对工业发展过程中的实际需求,一方面大力推广多年来我们在超精密加工技术研究方面取得的成果,另一方面还要继续加强基础研究,特别是创新性研究。推动这项技术的蓬勃发展。具体工作中应重视以下几个方面的工作。
 

重视世界先进科技的发展,积极引进和跟踪高新技术

(1)重视掌握先进国家的科技情报,避免低水乎重复。
(2)跟踪新原理和新工艺的研究。
(3)适当引进先进技术与设备用于研究和开发。
 

重视全行业组织,以廉价化策略为目标,进行整体规划

例如,进行超精密机床模块化虚拟生产的研究与实施,以发挥我国有限的人力物力资源,走投入少产出多的路子。
 

重视工艺的“固化”工作

我国超精密加工布局分散,工艺中的know—how是企业、车间,甚至于个别人员的秘密。给工艺“固化”工作带来很大难度,更谈不上工艺知识的共享。如何通过有效的组织建立起共享工艺资源是十分重要的。
 

支持以创新为特色的基础研究

超精密加工是处于前沿和技术极限的一个学科,每一个小的进步都需要有创新。支持创新研究应成为国家的行为。
 
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