超精密機械加工方法及類型探討

1、 超精密機械加工與類型探討摘 要：超精密機械加工是適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種機械加工新工藝，綜合應(yīng)用了機械技術(shù)發(fā)展的新成果及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計算機技術(shù)中先進的控制、測試手段等，使機械加工的精度得到進一步提高，使加工的極限精度向納米和亞納米精度發(fā)展。超精密機械加工的方法很多有切削、磨削等等。其中超精密切削技術(shù)是使用精密的單晶天然金剛石道具加工有色金屬和非金屬。超精加工的分類有去除加工、結(jié)合加工、變形加工。關(guān)鍵詞：超精加工；加工分類；切削加工 1 超精密機械加工技術(shù)概述1.1 超精密機械加工技術(shù)超精密機械加工技術(shù)是衡量一個國家先進制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一，是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在目前，

2、在工業(yè)發(fā)達國家中，一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度是1m。超精密機械加工技術(shù)的指標(biāo)為精密加工精度為 10.1m，表面粗糙度值為：Ra03-0.03m； 超精密加工精度為0.1-0.01 m表面粗糙度值為Ra0.03-0.005m， 又稱亞微米加工；（1微米=0.001mm）,納米加工精度高于 0.03 m， 表面粗糙度值小于 Ra 0.005 m。 超精密機械加工技術(shù)提高制造精度后可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性和可靠性；促進產(chǎn)品的小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進自動化裝配。精密和超精密加工目前包含三個領(lǐng)域：1)超精密切削，如超精密金剛石刀具切削，可加工各種鏡面、它成功地解決了

3、高精度陀螺儀，激光反射鏡和某些大型反射鏡的加工。2)超精密磨削研磨，例如解決了大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤等的加工。3)超精密特種加工，如電子束，離子束加工，美國超大規(guī)模集成電路線寬達到0.1m。目前，實現(xiàn)超精密加工的方法主要有：超精密切削，如超精密金剛石刀具鏡面車削、鏜削和銑削等；超精密磨削、研磨和拋光；超精密微細加工（電子束、離子束、激光束加工以及硅微器件的加工、LIGA技術(shù)等）。日本的一些學(xué)者提出了利用微機器人進行超精密加工的概念，這一概念突破傳統(tǒng)加工觀念，設(shè)計出可以自由移動的微小機器人，讓機器人群在工件上爬，可實現(xiàn)納米級超精密加工。機構(gòu)的小型化可以節(jié)約資源和能源，并且由于零件

4、尺寸的減小，從而提高了單位體積和重量的功能的集成度。小型化也開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如在工業(yè)上的遙操作或細胞生物領(lǐng)域的應(yīng)用。源于微電子技術(shù)的硅微加工工藝對于機構(gòu)的小型化有著重大影響，它在同一個零件上集成了機械和電子功能，非常適合于加工 MEMS系統(tǒng)。2 各種超緊密機械加工的方法及其原理2.1 各種超精密機械加工的方法及其原理2.1.1 超精密機械加工方法如表1-1 2.1.2 超精密切削加工 精密切削加工的原理是使用精密的單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.020.005µm，加工精度<0.01µm)。主要用于加工：

5、陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導(dǎo)管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復(fù)印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也是金屬切削的一種，當(dāng)然也服從金屬切削的普遍規(guī)律。金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。 2.1.3超精密磨削研磨加工超精密磨削研磨加工其工作原理為，磨削加工是無數(shù)磨粒的連續(xù)磨削。加工的實質(zhì)是工件被磨削的表層，在無數(shù)磨粒瞬間的擠壓，摩擦作用下產(chǎn)生變形，而后轉(zhuǎn)為磨屑，并形成光潔表面的過程。磨削過程可分為：三個階段，砂輪表面的磨粒與工件材料接觸，發(fā)生彈性變形，磨粒繼續(xù)切入工

6、件（切削深度增加），工件材料進入塑性階段，材料晶粒發(fā)生滑移。塑性變形不斷增大，當(dāng)力達到工件的強度極限時，被磨削層材料產(chǎn)生擠裂，即進入切削階段，最后被切離。當(dāng)磨削切入量達到最大值后，逐漸減少，最后到零，同時經(jīng)歷塑性區(qū)和彈性區(qū)。 ELID(Electrolytic In-Process Dressing)磨削是在磨削過程中，利用非線性電解修整作用和金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表層氧化物絕緣層對電解抑制作用的動態(tài)平衡，對砂輪進行連續(xù)修銳修整，使砂輪磨粒獲得恒定的突出量，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、可控、最佳的磨削過程，它適用于硬脆材料進行超精密鏡面磨削。ELID磨削技術(shù)以其效率高、精度高、表面質(zhì)量好

7、、加工裝置簡單及加工適應(yīng)性廣等特點，在日本已較廣泛用于電子、機械、光學(xué)、儀表、汽車等領(lǐng)域。 2.1.4 超精密特種加工 超緊密特種加工我們在這里主要說電子束加工電子束加工的基本原理如下圖所示，在真空條件下，電子槍射出高速運動的電子束，電子束通過一極或多極匯聚形成高能束流，經(jīng)電磁透鏡聚焦后轟擊工件表面，由于高能束流沖擊工件表面時，電子的動能瞬間大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于光斑直徑極小(其直徑在微米級或更小)，在轟擊處形成局部高溫，可使被沖擊部分的材料在幾分之一微秒內(nèi)，溫度升高到幾千攝氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸發(fā)而實現(xiàn)加工目的。所以電子束加工是通過熱效應(yīng)進行的。電磁透鏡實質(zhì)上只是一個通直流電流的多

8、匝線圈，其作用與光學(xué)玻璃透鏡相似，當(dāng)線圈通過電流后形成磁場。利用磁場，可迫使電子束按照加工的需要作相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)。電子束加工有如下特點：(1) 束斑極小。由于電子束能夠極其微細地聚焦，甚至聚焦到0.1，加工面積可以很小，是一種精密微細的加工方法。微型機械中的光刻技術(shù)，可達到亞微米級寬度。(2) 能量密度很高。能達到107109W/cm2，使照射部分的溫度超過材料的熔化和汽化溫度。去除材料主要靠瞬時蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。適合于加工精微深孔和狹縫等，速度快，效率高。(3) 可控性好?？梢酝ㄟ^磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，可加工出斜孔、彎孔及特殊表面，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。位置控

9、制精度能準(zhǔn)確到0.1左右，強度和斑束尺寸可達到1%的控制精度(4) 生產(chǎn)率很高。電子束的能量密度高，而且能量利用率可達90%以上，所以加工生產(chǎn)率很高。(5) 無污染。由于電子束加工是在真空中進行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。(6) 電子束加工有一定的局限性，一般只用來加工小孔、小縫及微小的特形表面，且需要一套專用設(shè)備和數(shù)萬伏的高壓真空系統(tǒng)，價格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。3 超精密機械加工方法與先進技術(shù)的結(jié)合3.1 機床與微機器人技術(shù)結(jié)合在超精密加工中使用最多的金剛石精密車床、各種精密磨床等，由于環(huán)境對于加工精度的影響很大，因

10、而需要在高度清潔車間內(nèi)進行。并且為減小誤差，應(yīng)盡量減小振動、傳動誤差，實現(xiàn)微進給。微機器人主要用于機床的床身與底座的振動抑制、數(shù)控與測量、微進給系統(tǒng)等。如用金剛石車床車削鏡面磁盤，車刀的進給量為5m ，就是利用微動機器人實現(xiàn)的。將彈性薄膜和電致伸縮器組合成微進給機構(gòu)，利用電致伸縮器的伸縮帶動工作臺運動，實現(xiàn)微量進給。王加春等利用壓電陶瓷伸長和收縮，制成超精密車床溜板的主動振動控制系統(tǒng)，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，可以抑制溜板的振動，提高加工精度。章云等將微動機器人技術(shù)應(yīng)用于新型鏜床，利用壓電陶瓷控制鏜刀的徑向進給，設(shè)計出變形鏜桿，可以加工出高精度的活塞異形銷孔。該機構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，制

11、造裝配容易。4 微量進給系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其原理4.1 微量進給總體結(jié)構(gòu)及其功能劃分本微量進給系統(tǒng)可以分為機械裝置和控制裝置兩個部分。其中機械裝置包括了壓電陶瓷致動器和鉸鏈工作臺兩部分：而控制裝置則包括微位移檢測部分、壓電陶瓷驅(qū)動部分、微量進給數(shù)據(jù)模型和人機接口幾個部分。其功能結(jié)構(gòu)如圖4.1 所示。機床加工刀具由微量進給機械部分驅(qū)動，二者之間有有著力和位移的信號聯(lián)系。而微量進給控制部分則通過電壓信號對微量進給機械部分進行位移檢測和驅(qū)動控制。圖4.1 微進給總體功能結(jié)構(gòu)圖4.2 微量進給系統(tǒng)各部分功能與實現(xiàn)結(jié)構(gòu)機械裝置是刀具控制的執(zhí)行機構(gòu)，主要是通過壓電陶瓷致動器的伸縮運動來驅(qū)動刀具作微量進給運動

12、。而柔性鉸鏈工作臺則具有分辨率高、體積小、無機械摩擦、無間隙等優(yōu)點，很適合作為壓電陶瓷致動器的支承，用來將力、位移等輸出給被驅(qū)動對象，其結(jié)構(gòu)如圖4.2 所示：圖 4.2 微量進給機構(gòu)裝置示意圖控制裝置主要包括四個部分：微位移檢測部分主要通過超精密傳感器將機械裝置的微位移信號檢測出來再經(jīng)過相應(yīng)處理后，將需要的信號輸入到控制系統(tǒng)；壓電陶瓷驅(qū)動部分的功能是要把控制系統(tǒng)所要的微位移信號經(jīng)相應(yīng)處理后輸出給壓電陶瓷、使之產(chǎn)生對應(yīng)的微位移結(jié)果；由于壓電陶瓷的電壓與位移的關(guān)系并不是線性的，而是存在著遲滯、蠕變等一系列復(fù)雜的效應(yīng)，所以我們在微量進給控制系統(tǒng)中建立了對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型以實現(xiàn)對壓電陶瓷微位移的精確控制；

13、最后，還有為實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的便利操作而開發(fā)的人機接口部分，它主要包括數(shù)據(jù)鍵盤輸入部分和顯示部分。參考文獻：1 袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，1999.12 王玉玲精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望機械管理開發(fā)，2002，（3）：603 李世杰.超精密銑削機理及其過程物理仿真研究：天津大學(xué)博士研究生畢業(yè)論文，2000：124 李圣怡，戴一帆，彭曉強.超精密加工機床及其新技術(shù)發(fā)展.國防科技大學(xué)學(xué)報，2000，22（2）：955 王先逵.精密和超精密加工技術(shù).機械工人（冷加工），2000，（8）：346 袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，1999.17 許茂桃超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對策造技術(shù)與機床，2001，（1）：798 袁哲俊精密和超精密加工技術(shù)的新進展工具技術(shù)，2006，40(3)：569 許茂桃超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對策造技術(shù)與機床，2001，（1）：7910袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，1999.707811方斌，黃傳真，許崇海.仿真技術(shù)在切削、磨削加工和陶瓷刀具開發(fā)中的應(yīng)用.機械工程師，2005目錄摘 要11 微量進給技術(shù)概述41.1 微量進給技術(shù)42 各種微量進給系統(tǒng)