现代超精密加工技术

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1、现代超精密加工技术机械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从CNC到CIMS发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。其精度从微米到亚微米，乃至纳米，其应用范围日趋广泛，在高技术领域和军用工业以及民用工业中都有广泛应用。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、惯导级陀螺、精密机床、精密仪器、录象机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术。它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关

2、系，是当代科学发展的一个重要环节，超精密加工技术的发展促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。1超精密加工技术概述超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。上述各种方

3、法均能加工出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。1．1超精密切削加工超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于ρ0．01μm，实际应用一般ρ0，05μm)可加工出优于Ra0．01μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须

4、安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达到Ba0．005μm，加工φ800mm的非球面透镜，形状精度可达0．2／μm。超精密加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛(见表1)并向更高精度等方向发展(见表2)。1．2超精密磨削超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。目前超精密磨削的加工对象主

5、要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成3—5nm的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(DuctileGrinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技术。此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(

6、CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。当前的超精密磨削技术能加工出0．01μm圆度，O．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm的平面。1．3超精密研磨超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度达0．025ttm，表面粗糙度达RaO．003μm。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度为λ／200的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨

7、剂。此外高精度检测方法也比不可少。1．4超精密特种加工1．4．1电子束加工离子束加工是指在真空中将阴极(电子枪)不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台XY方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达O.25μm的线条图形分辨串。1．4．2离子束加工在真空将离子源产生的离