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1、1,機(jī)械制造技術(shù),第五章 精密與 超精密加工,2,第一節(jié) 概述,精密加工-加工公差為10.00.1m，表面粗糙度Ra0.300.03m的加工精密加工,微細(xì)加工 微小尺寸的精密加工 超微細(xì)加工 微小尺寸的超精密加工,在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，可進(jìn)一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個(gè)檔次。,納米加工-加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工稱為納米加工。,超精密加工-加工公差為0.10.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工；,3, 幾種典型精密零件的加工精度,4, 精密加工與超精密加工的發(fā)展,5,精密與超精密加工技術(shù)是一個(gè)國家制造

2、業(yè)水平重要標(biāo)志 例：美國哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01m；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1m，日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達(dá)2nm,精密加工與超精密加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵 例：美國陀螺儀球圓度0.1m，粗糙度Ra0.01m，導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi)；英國飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60m降至12m，發(fā)電機(jī)壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4m減小1m，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍,精密加工與超精密加工技術(shù)是新技術(shù)的生長點(diǎn) 精密與超精密加工技術(shù)涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科和多種新興技術(shù)，其發(fā)展無疑會(huì)帶動(dòng)和促進(jìn)這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,精密與超精密加工地位,6,7,精密與超精密加工特點(diǎn),8,9

3、, 機(jī)理、特點(diǎn),第二節(jié) 金剛石超精密加工技術(shù),切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行(吃刀量 ) 切削力原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá) 13000 N/ mm2） 刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受 高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會(huì)波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量,10, 加工設(shè)備,要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等。, 關(guān)鍵技術(shù),11,車床主軸裝在橫向滑臺(tái)（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺(tái)（Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺(tái)的相互影響問題，而且縱、橫兩移動(dòng)軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。,T形布局的金剛石車床,T形布局（如圖）,12,金剛石

4、車床主要性能指標(biāo),13, 金剛石刀具,超精切削刀具材料：天然金剛石，人造單晶金剛石 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根4次對(duì)稱軸，四根3次對(duì)稱軸和六根2次對(duì)稱軸（圖7-20）。,14,金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象,金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。 （100）與（110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（如圖）,在距離大的（111）面之間，只需擊破一個(gè)共價(jià)鍵就可以劈開，而在距離小的（111）面之間，則需擊破三個(gè)共價(jià)鍵才能劈開。,在兩個(gè)相鄰的加強(qiáng)（111）面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。,15,金剛石刀具

5、刃磨 通常在鑄鐵研磨盤上進(jìn)行研磨 晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行 圓角半徑越小越好（理論可達(dá)到1nm）,金剛石刀具角度（如圖）,16,金剛石車床,加工4.5mm陶瓷球,金剛石車床及其加工照片,17, 砂輪材料：金剛石，立方氮化硼（CBN）,第三節(jié) 超硬磨料砂輪精密與超精密磨削,18, 電泳磨削,使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化，氧化層阻止電解進(jìn)一步進(jìn)行。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進(jìn)行，砂輪在整個(gè)磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。,19, 塑性（延性）磨削,磨削脆性材料時(shí)，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被

6、磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。 塑性磨削工藝條件： （1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般臨界切削深度1m。 為此對(duì)機(jī)床要求：高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。以免因磨粒切削深度超過1m時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ?。高的剛性。因?yàn)樗苄阅ハ髑邢髁h(yuǎn)超過脆性磨削的水平，機(jī)床剛性低，會(huì)因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。 （2）磨粒與工件的接觸點(diǎn)的溫度高到一定程度時(shí)，工件材料的局部物理特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致切屑形成機(jī)理的變化（已有試驗(yàn)作支持）。,20,砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。 砂帶在一定工作壓力下與工

7、件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。 有開式（右圖）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等。, 精密與超精密砂帶磨削,21,用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統(tǒng)）,22,幾種常見砂帶磨削方式,23,砂帶磨削特點(diǎn),1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（ Ra 值可達(dá) 0.02m）。,3）強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。 4）制作簡單，價(jià)格低廉，使用方便。 5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。,2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（右圖），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。,24,機(jī)理：微切削被加工材

8、料的微塑性流動(dòng)作用, 彈性發(fā)射加工, 游離磨料加工,拋光輪： 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直徑 0.10.01m,25,工作原理（右圖） 拋光工具上開有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。 機(jī)理：微切削作用。,工作原理（右圖） 活性拋光液和磨粒與工件表面產(chǎn)生固相反應(yīng)，形成軟粒子，使其便于加工。 機(jī)理：機(jī)械+化學(xué)作用，稱為“增壓活化”。, 液體動(dòng)力拋光, 機(jī)械化學(xué)拋光,26,激光由于其優(yōu)良的特性（強(qiáng)度高，亮度大，單色性、相干性、方向性好等）在精密測量中得到廣泛應(yīng)用。 可以測量長度，小角度，直線度，平面度，垂直度等； 也可以測量位移，速度，振動(dòng)，微觀表面形貌等； 還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量

9、，在線測量，并易于實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化。 激光測量精度目前可達(dá)0.01m。,激光測量,27,激光高速掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)（如下圖）,28,經(jīng)分光鏡，折射一小部分，經(jīng)干涉測量儀獲得拍頻f（= f1 f2）的參考信號(hào)。大部分激光到偏振分光鏡：垂直線偏振光f1被反射，再經(jīng)固定反射棱鏡反射回來；水平線偏振光 f2全部透射，再經(jīng)移動(dòng)反射棱鏡反射回來。,該信號(hào)與參考信號(hào)比較， 獲得f2 的具有長度單位當(dāng)量的電信號(hào)。由于使用頻率差f 進(jìn)行測量，使其不受環(huán)境變化影響，可獲得高的測量精度和測量穩(wěn)定性。,氦氖激光器發(fā)出的激光，在軸向強(qiáng)磁場作用下，產(chǎn)生頻率 f1和f2旋向相反的圓偏振光，經(jīng)1/4波片形成頻率f1的垂直線偏振光

10、和頻率f2的水平線偏振光。經(jīng)透鏡組成平行光束。,雙頻激光測量,7.2.1 精密與超精密加工技術(shù),29,雙頻激光測量系統(tǒng),30,恒溫要求：1 0.01 實(shí)現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）,恒濕要求：相對(duì)濕度35%45%，波動(dòng)10% 1% 實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),凈化要求：10000100級(jí)（100級(jí)系指每立方英尺空氣中所含大于0.5m塵埃個(gè)數(shù)不超過100） 實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣,隔振要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動(dòng)干擾 實(shí)現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器,精密與超精密加工環(huán)境,31,微細(xì)加工 通常指1mm以下微細(xì)尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1m

11、 10m 。 超微細(xì)加工 通常指1m以下超微細(xì)尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01m 0.1m。 精度表示方法一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細(xì)加工，其精度用誤差尺寸絕對(duì)值表示。 “加工單位” 去除一塊材料的大小，對(duì)于微細(xì)加工，加工單位可以到分子級(jí)或原子級(jí)。 微切削機(jī)理切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行，切削力要超過晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增大。,第四節(jié) 微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù),32,33,主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。 刀具：多用單晶金剛石車刀、銑刀（右圖）。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5m）靠刀尖相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時(shí)，刀具

12、的切削刃形成一個(gè)圓錐形的切削面。,34,微小位移機(jī)構(gòu) ，微量移動(dòng)應(yīng)可小至幾十個(gè)納米 。 高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。 高的定位精度和重復(fù)定位精度，高平穩(wěn)性的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。 高的主軸轉(zhuǎn)速及動(dòng)平衡。 穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動(dòng)干擾。 具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)。, 微細(xì)機(jī)械加工設(shè)備,35,機(jī)床有X、Z、C、B四個(gè)軸，在B 軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上增加A軸轉(zhuǎn)臺(tái)后，可實(shí)現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設(shè)定單位為1nm。可進(jìn)行車、銑、磨和電火花加工。 旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器半閉環(huán)控制，直線軸則采用激光全息式全閉環(huán)控制。

13、 為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦，導(dǎo)軌、絲杠螺母副以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓結(jié)構(gòu)。,FANUC 微型超精密加工機(jī)床, FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工機(jī)床,36,載流導(dǎo)體： 逆壓電材料（如壓電陶瓷PZT）電場作用引起晶體內(nèi)正負(fù)電荷重心位移（極化位移），導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。 磁致伸縮材料（如某些強(qiáng)磁材料）磁場作用引起晶體發(fā)生應(yīng)變。, 直接線性驅(qū)動(dòng)（直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)）,37,電磁驅(qū)動(dòng)裝置（直線電機(jī)）工作原理,38,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)(YOKOGAWA公司）,39,直線驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較,40,電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以510mm/min的低速滑動(dòng)，可加工圓柱形的

14、軸。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，還可加工出各種形狀的桿件（下圖）。, 線放電磨削法（WEDG）,41,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程, 光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）,42,要求：定位精度 0.1m，重復(fù)定位精度 0.01m 導(dǎo)軌：硬質(zhì)合金滾動(dòng)體導(dǎo)軌，或液（氣）靜壓導(dǎo)軌 工作臺(tái)：粗動(dòng) 伺服電機(jī) + 滾珠絲杠 微動(dòng) 壓電晶體電致伸縮機(jī)構(gòu),工作臺(tái)微動(dòng)的形成： X運(yùn)動(dòng)： Py1 Py2 Px長度變化 Y運(yùn)動(dòng)： Py1 Py2 Py1長度變化 Z轉(zhuǎn)動(dòng)： Py1 Py2, 加工設(shè)備（電子束光刻大規(guī)模集成電路）,43,利用氬（Ar）離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級(jí)動(dòng)能的惰性氣體離子，在電場

15、中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進(jìn)行“濺射”加工。,44,將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)去除加工。,離子束濺射去除加工, 四種工作方式,45,離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形（需要5坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)），金剛石刀具和沖頭的刃磨，大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。,離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。,46,離子束濺射鍍膜加工,用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”,離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。,濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。 由于濺射出

16、來的原子和分子有相當(dāng)大的動(dòng)能，故鍍膜附著力極強(qiáng)（與蒸鍍、電鍍相比）。,47,用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)。 可用于半導(dǎo)體摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,離子束濺射注入加工,離子束曝光,用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。,48, 通常指納米級(jí)（0.1nm100nm）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 在達(dá)到納米層次后，決

17、非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動(dòng)特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。, 納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容,納米級(jí)精度和表面形貌測量及表面層物理、化學(xué)性能檢測； 納米級(jí)加工； 納米材料； 納米級(jí)傳感與控制技術(shù)； 微型與超微型機(jī)械。,第五節(jié) 納米技術(shù),49,掃描隧道顯微測量（STM）,掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明，可用于觀察物體 級(jí)的表面形貌。被列為20世紀(jì)80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,STM工作原理基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)兩電極之間距離縮小到1nm時(shí)，由于粒

18、子波動(dòng)性，電流會(huì)在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。當(dāng)一個(gè)電極為非常尖銳的探針時(shí)，由于尖端放電使隧道電流加大。,G.Binning H.Rohrer,50,STM,STM工作過程演示,STM實(shí)物照片,51,通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個(gè)原子排出的“IBM”字樣,石墨三維圖像,用STM移動(dòng)分子組成的IBM字樣,用STM觀察石墨原子排列,52,當(dāng)探針與試件表面距離達(dá)1nm時(shí)，形成隧道結(jié)。當(dāng)偏壓Ub小于勢壘高度時(shí)，隧道電流密度為：,式中 h 普郎克常數(shù)； e 電子電量； ka，k0 系數(shù)。,由上式可見，探針與試件表面距離 d 對(duì)隧道電流密度非常敏感，這正是STM的基礎(chǔ)。,

19、53,兩種測量模式,54,關(guān)鍵技術(shù)： （1）STM探針金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。,STM針尖,55,（2）隧道電流反饋控制,56,（3）納米級(jí)掃描運(yùn)動(dòng)壓電陶瓷掃描管,（4）信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理由軟件完成。,壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)陶瓷管內(nèi)壁接地，X軸兩外壁電極電壓相反時(shí)，陶瓷管一側(cè)伸長，另一側(cè)縮短，形成X方向掃描(圖b ) 。若兩外壁電極電壓相同，則陶瓷管伸長或縮短，形成Z方向位移。,壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)見圖a ，其工作原理見圖b。,57, 原子力顯微鏡（AFM）,當(dāng)兩原子間距離縮小到 級(jí)時(shí)，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩

20、者之間產(chǎn)生吸引力。而當(dāng)兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時(shí)，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。,AFM兩種測量模式： 接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時(shí)的垂直位移即反映被測表面形貌。 非接觸式探針針尖與試件表面距離為0.51nm，利用原子間的吸引力。,為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。,58,AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面，原子排斥力將探針微微抬起。達(dá)到力平衡。 AFM探針掃描時(shí)，因微力簧片壓力

21、基本不變，探針隨被測表面起伏。,AFM結(jié)構(gòu),在簧片上方安裝STM探針， STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，若控制電流不變，則STM探針與AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。,59,AFM實(shí)物照片,掃描探針,磁盤圖像,60,1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達(dá)0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實(shí)體； 2）用曝光蝕刻圖形實(shí)體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個(gè)主要工序：,61,LIGA工作現(xiàn)場,62, LIGA特點(diǎn),用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度達(dá)0.10.5mm，高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu)，形狀精度達(dá)亞微米, LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用,微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等 廣泛應(yīng)用于加工、測量、自動(dòng)化、電子、生物、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制，成本較低,