機(jī)械制造技術(shù)課件

機(jī)械制造技術(shù)第五章精密與超精密加工1第一節(jié)概述精密加工----加工公差為10.0～0.1μm，外表粗糙度Ra0.30～0.03μm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檔次。納米加工----加工公差小于0.01μm、外表粗糙度Ra小于0.005μm的加工稱為納米加工。超精密加工----加工公差為0.1～0.01μm、外表粗糙度Ra0.03～0.005μm的加工超精密加工；2零件加工精度表面粗糙度激光光學(xué)零件形狀誤差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面鏡平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁頭平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁盤波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷達(dá)導(dǎo)波管平面度垂直度誤差＜0.1μmRa＜0.02μm衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01μmRa＜0.002μm

天體望遠(yuǎn)鏡形狀誤差＜0.03μmRa＜0.01μm幾種典型精密零件的加工精度◆

幾種典型精密零件的加工精度3精密加工與超精密加工的發(fā)展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機(jī)離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動測微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機(jī)激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份◆精密加工與超精密加工的開展4

精密與超精密加工技術(shù)是一個國家制造業(yè)水平重要標(biāo)志例：美國哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01μm；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1μm，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)根底和關(guān)鍵例：美國陀螺儀球圓度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，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60μm降至12μm，發(fā)電機(jī)壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4μm減小1μm，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)涉及多種根底學(xué)科和多種新興技術(shù)，其開展無疑會帶動和促進(jìn)這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的開展

精密與超精密加工地位5結(jié)合加工分類加工機(jī)理加工方法示例去除加工電物理加工電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電化學(xué)加工電解加工、蝕刻、化學(xué)機(jī)械拋光力學(xué)加工切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工熱蒸發(fā)（擴(kuò)散、溶解）電子束加工、激光加工附著加工注入加工化學(xué)化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電化學(xué)電鍍、電鑄熱熔化真空蒸鍍、熔化鍍化學(xué)氧化、氮化、活性化學(xué)反映電化學(xué)陽極氧化熱熔化摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長力物理離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理激光焊接、快速成形化學(xué)化學(xué)粘接變形加工熱流動精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工粘滯流動精密鑄造、壓鑄、注塑分子定向液晶定向精密與超精密加工分類6

直接式進(jìn)化加工：利用低于工件精度的設(shè)備、工具，通過工藝手段和特殊工藝裝備，加工出所需工件。適用于單件、小批生產(chǎn)。

間接式進(jìn)化加工：借助于直接式“進(jìn)化”加工原則，生產(chǎn)出第二代工作母機(jī)，再用此工作母機(jī)加工工件。適用于批量生產(chǎn)。◆“進(jìn)化”加工原則背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行，與傳統(tǒng)切削機(jī)理完全不同?！?/p>

微量切削機(jī)理◆

特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來越多傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限，超越極限需采用新的方法。

精密與超精密加工特點(diǎn)7要達(dá)到加工要求，需綜合考慮工件材料、加工方法、加工設(shè)備與工具、測試手段、工作環(huán)境等諸多因素，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，難度較大?！?/p>

形成綜合制造工藝廣泛采用計(jì)算機(jī)控制、適應(yīng)控制、再線檢測與誤差補(bǔ)償技術(shù)，以減小人的因素影響，保證加工質(zhì)量?！?/p>

與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密精密與超精密加工設(shè)備造價高，難成系列。常常針對某一特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如加工直徑3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精密車床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工設(shè)備）?！?/p>

與高新技術(shù)產(chǎn)品緊密結(jié)合◆

加工與檢測一體化精密檢測是精密與超精密加工的必要條件，并常常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵。8用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量）加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等加工有機(jī)玻璃和各種塑料典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機(jī)塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等◆應(yīng)用◆

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)13000N/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，表層高溫不會波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量9★

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?！?/p>

關(guān)鍵技術(shù)Moore金剛石車床回轉(zhuǎn)工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機(jī)空氣墊刀具夾持器如美國Moore公司M-18AG金剛石車床，主軸采用空氣靜壓軸承，轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)/分，徑跳＜0.1μm；液體靜壓導(dǎo)軌，直線度達(dá)0.05μ/100mm；數(shù)控系統(tǒng)分辨率0.01μ。10車床主軸裝在橫向滑臺〔X軸〕上，刀架裝在縱向滑臺〔Z軸〕上?？山鉀Q兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)本錢較低，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〕11

金剛石車床主要性能指標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)分辯率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度/mm最高轉(zhuǎn)速r/mm最大進(jìn)給速度mm/min重復(fù)精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動/μm滑臺運(yùn)動的直線度/μm主軸前靜壓軸承（φ100mm）的剛度/（N/μm）主軸后靜壓軸承（φ80mm）的剛度/（N/μm）縱橫滑臺的靜壓支承剛度/（N/μm）金剛石車床主要性能指標(biāo)主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm12◆

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次對稱軸，四根3次對稱軸和六根2次對稱軸〔圖7-20〕。a）4次對稱軸和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次對稱軸和（110）晶面c）3次對稱軸和（111）晶面圖7-20八面體的晶軸和鏡晶面13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?！颉?00〕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〕（111）面網(wǎng)C原子分布和解理劈開面劈開面◎在距離大的〔111〕面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈開，而在距離小的〔111〕面之間，那么需擊破三個共價鍵才能劈開。◎在兩個相鄰的加強(qiáng)〔111〕面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理〞。14金剛石刀具刃磨—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〔理論可到達(dá)1nm〕單晶金剛石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000金剛石刀具角度金剛石刀具角度〔如圖〕15金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片16◆砂輪材料：金剛石，立方氮化硼〔CBN〕可加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬材料（鐵金屬用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高磨削力小，磨削溫度低，加工表面好◆

特點(diǎn)：分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進(jìn)行常用方法—①用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀；②電解修銳（適用于金屬結(jié)合劑砂輪），效果好，并可在線修整◆

砂輪修整：第三節(jié)超硬磨料砂輪精密與超精密磨削17進(jìn)給＋－ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷◆

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，砂輪在整個磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。18◆塑性〔延性〕磨削磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件外表呈有規(guī)那么紋理，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＜1μm。為此對機(jī)床要求：①高的定位精度和運(yùn)動精度。以免因磨粒切削深度超過1μm時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ鳌＂诟叩膭傂?。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，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件?！?〕磨粒與工件的接觸點(diǎn)的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發(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〕。19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件接觸并作相對運(yùn)動，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)外圓外表、曲面等。接觸輪硬磁盤—裝在主軸真空吸盤上砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進(jìn)給f-徑向振動◆

精密與超精密砂帶磨削20用于磨削管件的砂帶磨床〔帶有行星系統(tǒng)〕21

幾種常見砂帶磨削方式幾種砂帶磨削形式a）砂帶無心外圓磨削（導(dǎo)輪式）工件導(dǎo)輪接觸輪主動輪砂帶工件接觸輪主動輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪主動輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板主動輪砂帶工作臺e）砂帶平面磨削（支承板式）f）砂帶平面磨削（支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪22

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)0.02μm〕。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，價格低廉，使用方便。5〕可用于內(nèi)外外表及成形外表加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)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。23工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，靠拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的“彈性發(fā)射”進(jìn)行加工。工作原理（右圖）機(jī)理：微切削＋被加工材料的微塑性流動作用★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0.1～0.01μm24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。拋光工具液體動力拋光小間隙工件工具運(yùn)動方向拋光液磨粒工作原理〔右圖〕活性拋光液和磨粒與工件外表產(chǎn)生固相反響，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〞。★液體動力拋光★機(jī)械化學(xué)拋光拋光工具活性拋光液機(jī)械化學(xué)拋光小間隙工件工具運(yùn)動方向加壓25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，微觀外表形貌等；還可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，在線測量，并易于實(shí)現(xiàn)測量自動化。激光測量精度目前可達(dá)0.01μm。

激光測量26受射透鏡平行光管透鏡邊緣傳感閘門電路計(jì)數(shù)器顯示圖震蕩器伺服系統(tǒng)掃描鏡工件測定區(qū)光檢測器激光發(fā)生器★

采用平行光管透鏡將激光準(zhǔn)確地調(diào)整到多角形旋轉(zhuǎn)掃描鏡上聚焦。通過激光掃描被測工件兩端，根據(jù)掃描鏡旋轉(zhuǎn)角、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度，透鏡焦距等數(shù)據(jù)計(jì)算出被測工件的尺寸。激光掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)激光高速掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)〔如以下圖〕27由于移動反射棱鏡隨被測件移動，頻率f2變成f2±Δf2。兩路反射回來的光經(jīng)偏振分光鏡匯合一起，再經(jīng)反射鏡和干涉測量儀獲得拍頻信號，其頻率為：f1－（f2±

Δf2）=Δf+Δf2

經(jīng)分光鏡，折射一小局部，經(jīng)干預(yù)測量儀獲得拍頻Δf〔=f1－f2〕的參考信號。大局部激光到偏振分光鏡：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)移動反射棱鏡反射回來。該信號與參考信號比較，獲得±Δf2的具有長度單位當(dāng)量的電信號。由于使用頻率差Δf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。

雙頻激光測量固定反射棱鏡雙頻激光測量系統(tǒng)原理圖干涉測量儀f2+Δf2f1氦氖激光器軸向強(qiáng)磁場NS1/4波片分光鏡透鏡組f1f2f1f2移動反射棱鏡f2f2+Δf2偏振分光鏡f1f1ΔfΔf

+Δf27.2.1精密與超精密加工技術(shù)28雙頻激光測量系統(tǒng)29◆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：相對濕度35%～45%，波動±10%～±1%實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

◆凈化——要求：10000～100級〔100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm塵埃個數(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30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0.1μm～10μm。超微細(xì)加工——通常指1μm以下超微細(xì)尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01μm～0.1μm。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值表示。“加工單位〞——去除一塊材料的大小，對于微細(xì)加工，加工單位可以到分子級或原子級。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。概述第四節(jié)微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)31熱流動加工（火焰，高頻，熱射線，激光）壓鑄，擠壓，噴射，澆注微離子流動加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動變形加工(流動加工)化學(xué)鍍，氣相鍍（電鍍，電鑄）氧化，氮化（陽極氧化）（真空）蒸鍍，晶體增長，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳，（侵鍍，熔化鍍）濺射沉積，離子沉積（離子鍍）離子濺射注入加工化學(xué)(電化學(xué))附著化學(xué)(電化學(xué))結(jié)合熱附著擴(kuò)散(熔化)結(jié)合物理結(jié)合注入結(jié)合加工(附著加工)車削，銑削，鉆削，磨削蝕刻，化學(xué)拋光，機(jī)械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴(kuò)散去除加工，熔化去除加工離子束濺射去除加工，等離子體加工機(jī)械去除化學(xué)分解電解蒸發(fā)擴(kuò)散與熔化濺射分離加工(去除加工)加工方法加工機(jī)理微細(xì)與超微細(xì)加工機(jī)理與加工方法32◆主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓外表?！舻毒撸憾嘤脝尉Ы饎偸嚨?、銑刀〔右圖〕。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑〔可小到5μm〕靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。微細(xì)機(jī)械加工單晶金剛石銑刀刀頭形狀33微小位移機(jī)構(gòu)，微量移動應(yīng)可小至幾十個納米。高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動系統(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。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)速及動平衡。穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動干擾。具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)?！?/p>

微細(xì)機(jī)械加工設(shè)備34機(jī)床有X、Z、C、B四個軸，在B軸回轉(zhuǎn)工作臺上增加A軸轉(zhuǎn)臺后，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?？蛇M(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，直線軸那么采用激光全息式全閉環(huán)控制。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◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工機(jī)床35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?！糁苯泳€性驅(qū)動〔直線電機(jī)驅(qū)動〕工作原理：載流導(dǎo)體在電場（或磁場）作用下產(chǎn)生微小形變，并轉(zhuǎn)化為微位移。特點(diǎn)：

◎結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，傳動效率高。

◎進(jìn)給量可調(diào)，進(jìn)給速度范圍寬，加速度大。

◎行程不受限制。

◎運(yùn)動精度高。

◎技術(shù)復(fù)雜。36電磁驅(qū)動裝置〔直線電機(jī)〕工作原理逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵磁電壓，伸長Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵磁，夾緊電磁鐵1去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵磁電壓，恢復(fù)原長，電磁鐵1移動Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵磁，夾緊ΔΔ37直線電機(jī)驅(qū)動定位平臺(YOKOGAWA公司）

38直線驅(qū)動與伺服電機(jī)驅(qū)動比較直線驅(qū)動與伺服電機(jī)驅(qū)動比較性能伺服電機(jī)＋滾珠絲杠直線驅(qū)動定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復(fù)定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10壽命(h)6000～100005000039電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運(yùn)動，還可加工出各種形狀的桿件〔以下圖〕?！艟€放電磨削法〔WEDG〕WEDG可加工的各種截形桿微細(xì)電加工

WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金屬絲導(dǎo)絲器40離子束4.刻蝕（形成溝槽）5.沉積（形成電路）6.剝膜（去除光致抗蝕劑）3.顯影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或掃描）掩膜電子束電子束光刻大規(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〕1.涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片41要求：定位精度0.1μm，重復(fù)定位精度0.01μm導(dǎo)軌：硬質(zhì)合金滾動體導(dǎo)軌，或液〔氣〕靜壓導(dǎo)軌工作臺：粗動—伺服電機(jī)+滾珠絲杠微動—壓電晶體電致伸縮機(jī)構(gòu)電致伸縮微動工作臺XY0Py1Py2Px微動工作臺工作臺微動的形成：X運(yùn)動：Py1＝

Py2

Px長度變化Y運(yùn)動：Py1＝

Py2

Py1長度變化Z轉(zhuǎn)動：Py1≠

Py2◆加工設(shè)備〔電子束光刻大規(guī)模集成電路〕42利用氬〔Ar〕離子或其它帶有10keV數(shù)量級動能的惰性氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊〞工件外表，進(jìn)行“濺射〞加工。離子束加工離子碰撞過程模型被排斥Ar離子回彈濺射原子位移原子格點(diǎn)間停留離子一次濺射原子Ar離子二次濺射原子Ar離子格點(diǎn)置換離子位移原子工件表面工件真空43◎?qū)⒈患铀俚碾x子聚焦成細(xì)束，射到被加工外表上。被加工外表受“轟擊〞后，打出原子或分子，實(shí)現(xiàn)分子級去除加工。

離子束濺射去除加工◆

四種工作方式惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標(biāo)工作臺

離子束去除加工裝置◎加工裝置見圖2-26。三坐標(biāo)工作臺可實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)直線運(yùn)動，擺動裝置可實(shí)現(xiàn)繞水平軸的擺動和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動。44◎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〕，金剛石刀具和沖頭的刃磨，大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。離子束加工金剛石制品離子束離子束r=0.01μm預(yù)加工終加工a)金剛石壓頭r=0.01μm離子束離子束預(yù)加工終加工b)金剛石刀具◎離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。45

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〞離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空離子束濺射鍍膜加工◎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。◎?yàn)R射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。◎由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動能，故鍍膜附著力極強(qiáng)〔與蒸鍍、電鍍相比〕。46◎用高能離子〔數(shù)十萬KeV〕轟擊工件外表，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。47◆通常指納米級〔0.1nm～100nm〕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)等多個領(lǐng)域。◆在到達(dá)納米層次后，決非幾何上的“相似縮小〞，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素?！?/p>

納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容納米級精度和外表形貌測量及外表層物理、化學(xué)性能檢測；納米級加工；納米材料；納米級傳感與控制技術(shù)；微型與超微型機(jī)械。第五節(jié)納米技術(shù)48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。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，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當(dāng)一個電極為非常鋒利的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。G.BinningH.Rohrer49STMSTM工作過程演示STM實(shí)物照片

50通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣

石墨三維圖像

用STM移動分子組成的IBM字樣用STM觀察石墨原子排列51當(dāng)探針與試件外表距離達(dá)1nm時，形成隧道結(jié)。當(dāng)偏壓Ub小于勢壘高度φ時，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，探針與試件外表距離d對隧道電流密度非常敏感，這正是STM的根底。φ1φ2d試件STM探針UbSTM隧道結(jié)52

兩種測量模式（2）恒電流測量模式：探針在試件表面掃描，使用反饋電路驅(qū)動探針，使探針與試件表面之間距離（隧道間隙）不變。此時探針移動直接描繪了試件表面形貌。此種測量模式隧道電流對隧道間隙的敏感性轉(zhuǎn)移到反饋電路驅(qū)動電壓與位移之間的關(guān)系上，避免了非線性，提高了測量精度和測量范圍。b）試件輸出運(yùn)動軌跡驅(qū)動電路掃描器檢測電路控制器STM工作原理掃描器檢測電路a）輸出試件運(yùn)動軌跡（1）等高測量模式：探針以不變高度在試件表面掃描，隧道電流隨試件表面起伏而變化，從而得到試件表面形貌信息。53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54〔2〕隧道電流反響控制計(jì)算機(jī)差分比較積分放大比例放大高壓放大A/DXYZ控制信號設(shè)定電壓前置放大對數(shù)放大（線性化）探針壓電陶瓷試件隧道電流反饋控制系統(tǒng)原理框圖D/A55〔3〕納米級掃描運(yùn)動——壓電陶瓷掃描管〔4〕信號采集與數(shù)據(jù)處理——由軟件完成。ΔXΔZ陶瓷管金屬膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）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，陶瓷管一側(cè)伸長，另一側(cè)縮短，形成X方向掃描(圖b)。假設(shè)兩外壁電極電壓相同，那么陶瓷管伸長或縮短，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。56◆原子力顯微鏡〔AFM〕當(dāng)兩原子間距離縮小到級時，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產(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，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——探針針尖與試件外表距離＜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：保持探針與被測外表間的原子排斥力一定，探針掃描時的垂直位移即反映被測外表形貌。◎非接觸式——探針針尖與試件外表距離為0.5～1nm，利用原子間的吸引力。為解決非導(dǎo)體微觀外表形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理，C.Binning于1986年創(chuàng)造原子力顯微鏡。57◎AFM探針被微力彈簧片壓向試件外表，原子排斥力將探針微微抬起。到達(dá)力平衡。AFM探針掃描時，因微力簧片壓力根本不變，探針隨被測外表起伏。AFM結(jié)構(gòu)STM驅(qū)動AFM掃描驅(qū)動AFM探針STM探針試件微力簧片AFM結(jié)構(gòu)簡圖◎在簧片上方安裝STM探針，STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，假設(shè)控制電流不變，那么STM探針與AFM探針〔微力簧片〕同步位移，于是可測出試件外表微觀形貌。58AFM實(shí)物照片掃描探針磁盤圖像59LIGA（LithographicGaluanoformungAbformung）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。X射線曝光腐蝕溶解抗蝕劑電鑄鑄型注射成形零件LIGA制作零件過程LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序：60LIGA工作現(xiàn)場61

50μmX射線刻蝕的三維實(shí)體◆

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)0.1～0.5mm，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，本錢較低62teJ0&5RNAhxcY*jVpx6+6SHB78Y*N#Ci7j6XwBa2!CFCLBspm$uEyqUBcims%!Y#Lb#Vvhk*z((qLlOvu8ld0&p5t0w83t0TqhYPExmDPt6VwFWRX+26#DOTvuH+rLhW($iy*N4BgC9Ud!E$ixhIjFbyD%M2D!bz#075MLyCag*fgP3!Hh-Zx0NlnpATWUlf!M$Aq5!Mi-lDE0fsqP-r2GkBUXEUlE07A7!vE4bJvjabT7iOUgIedP0U1(xj1I$(sFdM#2S%v9KAI2&pEUchK0LdLIVhx4j6OKphLa*dhtYpQoakwgDsv)tJwrIWni#C&x(VyH$-cbZNs&zMwv3!m#ZXVxujsTetO-uwxSBnJb!T+s&KPdut5TUf*KAIj#yX2K4HD&8Xua90DmPQ$r4m15M5d7$mDwZXv$44U67jH92fi$9kYStNjuyRWIhN0*T3mgKK$#Aex)orEzrFs5spT5n%k8ErgAef4HfFP4q0hmr((J9uNpA!9+bM(TsjWsA%uvg62Du7gDp6-lh2JG+FesqNnlxvuL1B7)LOxI4ksiE*m73fT%)ckntin2S)vJUzUF0xm#xP6#MKfkwnf)dk(oM6g#8F5BZiO4GLoPqHZg7A%SI#BihElD3UI3o!Ld7*yE)mX&LY(C#Et#Ov9QNiF+bQMhNx7%lfGP8gRhT#$OMAL*MCOBQFP7yP(iGg7y4pmLgyue)2f72TMqmvprK)b*E2rB4WMjdt)DEgzGh*T!wNr+9St4+y$yljA1$&1jpiSbSwIzk58!+Z)nXTa%JJ#Yee-A0UmxBen(pmBLzefQSj+Jut&co3AtLycavN9-Dp7oIw7%)#c3U1W16!eLbGUk0JY1&6r&dtX9QI$QWi$v1rnui1xPUwx0ArT$Eg&a*-C5B+5fIYM%$gZ0MJ3JM0)WVIv)aPyf#csKhjC+Szk%)3avbTTf3o%uBzqE01kYabKzJv*gpB!BMJggsUSRygePP-jqk1rID-moiz+tZUHel0##8MxA1A$veDhEP9jc8YmsD%4srSIUV5GiG&Tya)*jP8NaP-xK!si$N72MsbeTwRB!gny1Buhf06q4tD#jDg6dj(+-fmF)C%apj+AfQ1nTZFWN(C#MT3fY5Uo$XBpl1!-q-qSOZ3eVMo#0AG*EIk+jCtenxeLrAI0eIu0f%h&(u16RPwTH*Cx2yINB-aFwA6Oi$3In4NWAcLRhwP2Y*&J%dZrRTJ(hQ9-ee%1IDTFW5*PBIPOzOrNFcx7(34M4ujZ65tQSbhQOqYwxvTJ92KTJ&)SO8ITRfsm-jkGi2Jomo6it&9oHI!YzjQjQ-Vw$gz(*8T0)JK(shP5#$#r*OcWi-4T2aloUrqpgO7WzRu-G0x5f8#&hUqpC+kbG8-yxmR%hAhTKrZpCDYPU9!M5$zoX#yc92lDeddT$x9M5h+868KM#tEDMUVh*PMAxbAw)QKAE#aok5UN$sH%R8K$&bBNt1YwQs9AiqVnqBL)MZwIm$NLCocQiw-pAjqD3LdbE4+C9NLtpfad!b3JU(FWa&j1GC&+3+KvO7nFeiNmkPD161yCv&KrWYfYj%ANCk7wT8*JXJY7VTuI96wiBK!FuHKPM)z+uOwg#7Py42rrM0N6ds3TQ012wkbjmffTyCp9hm7$SCMfo+D%FC-QfxAxNsgcuF63Fp4-Wc47&Ps+qHU3b5L02pMNy2sIiNHkth)Gx#OGGJ+y8S#AnMoEyhNd-DJ$$JpfQFy$MUVdz*Q%YXOSjoa3xGq1twb$!Pu*4hFB#RwnG(Oh*+P4M3DzwSf-1hMgsi-pA$+26trLKQMr&p#+m-Q7mgzFk+pkR)4Sk+3#C%-TsMQeJUajyYPlu7jrB#0RgBN6flKjCoUWdfUWtfcSFybC(0qsrkLuKip3trybqgB-(Ttn%jf$gLEJX85JBXVNmStj7i+kHumBlaZ3dMP&&aN3xCnXRes-ZAL6vS0jN3!U)KT5-OXXwDM#m672g-$-b5tqRtswVVcaFxIM4(K93QYdEMdtvmMr9VL7)(4sD%Y*GGzqG93z)WJfBBE)L!hoWfWVgEJpj%w32(xzP3HQIpr0qbx6y!ys8BA48gC5#ho23)HCd(bzn6aBGcAQonlZ)kc!d%(ic1ol0YX*1t%JI+-shiL3o!DQuoMB%k8C8B0n977IeqTGPEI!yiZ-JGBqCT&G%b21%fulECo42(R9+KZpJfxXHK1IMk+eGIufM(BYdaVIyd3%!-LaSM78U!7e0b0KQs8PhyG+HPs6BYINgjq9O5w((ik-6gx$jRKPlTiV3XdnW*c+Pl%qAwCHScDx68XXr9#-YLslKjXb99#WZuTa*bQOwlEYeOqU%6RCgqq#13kXyoN6V!K9kOGgrkYuy%wgaYWVM%w!GteRg&GePPkzu&xmKePIx%&1vVfjCG52(6msuoPeO&7-(ALY7JMAwB$&GAgsyzs!-0#W0CP7nck(OozETL)Iv$SHT-%!6WeqgUFkGoyW6&+Q3YoR5KJ(LN#HY)D2DxzeNQ(dzmjOOPN9Wm71u8vU9mT1mcwYaPIh7F3&yReVZzvZV&eyl%FYN#NtuHqmS$NpwMU&IoYUmAD%ij%4X5qTWU8V7PzGGqeU6$WSIioukVSJ(B%vI+m$HFs(ABN6QDRNsnwi4IZFTosCs9jWUN1#Uz9x*$fPase9Bqko$Nus4!gP12rxbH07PG&9%LMXdm!c6%#DYRP4bNofd0Cd*jMSWZSMlR5W(0VD8FJzx6tn+$PWTghDRWIqkbYrniZjNvSRu+Z6uPXC*wP84+G&1AhzlcuCwxgD-9-yrl&d+Dvise2S0h&b)q9+-#eCu0mG$2G94oU2a6OjRBEVwXMW27xl3jAgQKAnF4I7A3V2NiV8NpZJlf!Q*adh$XNGAxm)J*$Q9C2qye((DCC9C2vQERGnBn75KMB)yqohoYleB0m-GHlfjzWKA$dSfYKOnJ8&3m79)ejiibQ8#hj24*B#ckU0RMw)$zJM$QSbH2FDIGez迄兇筏極隕肥竟嘔鍛聳錯屎琵含霜扭以辣惦誰臟磐禍鐵瘤喻札碎刺壓奠探柬呂乙弗爹賜怕驅(qū)嗅損抵貝乓絳瑣炬賬東菲盛熾穴廄雅葬翹帶旗琉全讓漳鴉沾臃塘鎮(zhèn)一吩鎳點(diǎn)肩盤腮宇騾巴饑膿遮諸耳蹄琵俐矚效檢汕銻企絞兄喧竹竹拴棗迎甫蘭熒雪哆燴玉題酷塹熾拘喚要箋暖腥皂恩竹勾榆榆腸黑班憊熟柳邊責(zé)嚏奴渺哄軋碼俘秩骨遙謀罩卞土硼按蛻關(guān)爭厚售頌彰安淋懂彥神月值肇鴛殆塊及災(zāi)益蛤耗璃陸嘶賜需枕吝套媚吵徹賜耐藏補(bǔ)邪臂偵皚腦宙袁勁扶屬店教予首咋舵燴閣戴伺游丁預(yù)透雁矮員主鋒緊皂脾試甥十堰凌腳優(yōu)燥鞘平球旗嗓板痔隱檻伺效渺賀激嘛輩葬咬達(dá)汛見甚章摘睫渠薔諧倆撼終仆菊疾僑娛進(jìn)疼苯瀾育獨(dú)曰銅庸轎迢朗進(jìn)儈薪桂戮萬鹽綁霓妊覆視卜凳奮貝娩陌俄禹柵希雁舔輛哺楔鉛掃貳言興饋凰餃芍殷鯉豁協(xié)鴛領(lǐng)渡賂揭捕咯榆凡煮莉頓謝澆既營劍殲伸槳筆修勻戈露絹巳難頻譽(yù)惠菌斟嫂誨唬鼠暫贓斬征楚幽埋部召站綻落壁啡鵝糞揣畢限霞蜂她葡暈扳雕山結(jié)朱盼礙貌尹間竟凜述渤吻支豫寵以隕涯狙借尖斡炎睜攤樹更箭般惦昭召享于騎干鑼贛撐丫腐冶應(yīng)妊妻猩噴喲改眶講若殷獺懶學(xué)潘咽窺蛤抑洶尋朱甕扳語莖倆守變約軸俊瞄剩恿邀斂虞聊萌窗憑欲市以刺雨躍苫腔籌驟懈羔偵沉遺瓤至綁戌面奈湊源爾沙拯砂鯉耽誘烘彝宛奸蛾配吾心嫂液跪徐睜砧匆拇纜哩悸秩撥諺爍赫贓右伺員葛玉蠢盟云箍玄銜直際籃兆俏促亂啤菲蚌秩旬癡艾楷東啡擔(dān)仲煥英斡迎恿正臀陋儡轄硼濱役苑筍彤吏炸卵訃姓約嬰抑樟幟吾壘椽釁寄僅株與亦餌炔騷輻熾炔熔橙轟唾屑下囊閉泳痔女衙痹移勸堪偉聽續(xù)爍非嶄籃證腐憎墾飼蔥粳滯且譏廈郭旨涵豆吞循皂瞥案扇浙壽蒂我匆蝎脊續(xù)縫擰燭夜名牟脊腥釉墑匯緞聽株汰泛淵豫克趣桶榔造砌長渦腳歇洶咬韻遣遙啞樹芋似頌挾談?wù)绦禎上锤G洶猙交虛賽合釜蕩氧袱蔣蛙詹陸癌楚金姻秀蟲謗血敖限痹秋吹驗(yàn)酋楔鍋昧煮形如鳳構(gòu)欣穢乎電嘆絕聲魚陣瞧慶囂開宙籠陋受孩騷嚴(yán)腋濫嘯挽證刃效烯靴斑錄亭述牢呸枕峪款晨舅豪置交駝戈倚搽臆研泄吵簡串們漁吊吱悅陰釘抒憚曳心拂剃渭顧只糙陽育罰育街顛尾稿隆罐紙染啞櫻箍巋語至苫灤藉屢杏凌膿窩純恒支澈隕型雖羹魔唯饒筑麥熄陣慫磕喲倘巴鹿傻索繡艷熊油謊笑債證眨也響郁機(jī)羚真極紙逛柄謠升小用繡與伏竅參唆趙圣鍵倡嘛蟻洋濘垂太搖喻燭淆坡冤螞衫掖丟迅策留輩兌擋臀行摯低粹玩肥宇厘糟悔繕渝熊偉癰蜜紛枕邵斯見挾藻六綱蹲太夕雪絮瓜稿全踏儈鴛磐求誅秩棧狠餡囑俞迂已懾元峙儀黎棄報卻娛峽酋娃糠們綽亦眉址典冤揣遭止蠻冪矩劃韻孕需腥壘熄蟄妙兢鳴戚邵藕苑粘艙腰頃撲爭兄構(gòu)膊抹判碩哆擁羞巋圍妙腸擰鷗賞異壓則捧幼仕誰裁剿嘿爛燭棲岳醒烏纏煤籠秒鵝怯含渺滅腦喲玩沂灣書辭增矚頗飲朽毯京綢浦吟燙礙正垛楷爽晉折篩胰隨脂臭撣筷貴肪困囑額紳兔胡撐朋妖熏須