超精密切削加工是采用金刚石刀具在超精密机 床上进行超精密切削 ,可以加工出光洁度极高的镜 面 。金刚石刀具的优点在于其与有色金属亲和力小 , 硬度 、耐磨性以及导热性都非常优越 ,且能刃磨得非 常锋利 ,其刃口圆弧半径可小于 R0. 01μm ,实际应用 的一般为 R0. 05μm ,可加工出优于 R a0. 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 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 R a0. 005μm ,加工 <800mm 的非 球面透镜 ,形状精度可达 0. 2 /μm。最先用于铜的平 面和非球面光学元件的加工 ,随后 ,加工材料拓展至 有机玻璃 、塑料制品 (如 ,照相机的塑料镜片 、隐形眼 镜镜片等 ) 、陶瓷及复合材料等 [ 3 ] 。 2. 2 超精密磨削
超精密磨削不仅要得到镜面级的表面粗糙度 ,还
3 项 目 :河南理工大学博士基金 收稿日期 : 2008 - 12 - 20 作者简介 :简金辉 (1984 - ) ,男 ,江西新余人 ,硕士 ,主要从事精密超精密加工及其表面技术方面的工作 。
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专题论述
·机械研究与应用 ·
要保证能够获得精确的几何形状和尺寸 。目前超精 密磨削的加工目标是 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 。 砂轮的修整技术相当关键 。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 ( EL ID )铸铁纤维结合剂 ( C IFB )砂轮 技术可以很好地解决这个问题 。主要的修整方法还 有电化学在线控制修整 ( ECD ) [ 5 ] 、干式 ECD[ 6 ] 、电化 学放电加工 ( ECDM ) [ 7 ] 、激光辅助修整 [ 8 ] 、喷射压力 修整 [ 9 ]等 。 2. 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 。研磨 金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外 ,还采用了离子 刻蚀和热化学方法 。在研磨中 ,研磨盘原来均用高磷 铸铁 ,后来采用高速钢研磨盘 。例如 :日本东海大学 安永畅男教授等提出采用高速回转的高速钢盘与被 加工的金刚石在接触和摆动中 ,通过物理化学作用 , 不用磨料 ,高速研磨金刚石车刀 ,完全突破了传统的 研磨途径 [ 10 ] 。超精密研磨可解决大规模集成电路基 片的加工和高精度硬磁盘的加工等 [ 11 ] 。其加工出的 球面不球度达 0. 025 ttm ,表面粗糙度达 R a0. 003μm。 最近 Kim. D. J等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂 轮采用电解加工过程修整法实现磨具修整 [12 ] 。这种 过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度 , 使 磨具保持高速研磨能力。采用 EL ID 方法超精密研磨 硬质合金和光学玻璃 , 表面粗糙度 R a分别达到 10. 7 nm , 16. 7nm。 2. 4 超精密特种加工
电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 X Y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
关键词 :加工精度 ;超精密加工技术 ;超精密特种加工 ;纳米技 术 ;复合加工
中图分类号 : TH161 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4414 (2009) 01 - 0004 - 05
1 引 言
通常按加工精度划分 ,可将机械加工分为一般加 工 、精密加工 、超精密加工 。在不同的历史阶段 ,不同 的科学技术发展水平下 ,对超精密加工有不同的定 义 ,由于生产技术的不断发展 ,划分的界限不断变化 。 过去的超精密加工对今天来说可能已经是普通加工 了 ,所以对其划分的界限是相对的 ,而且在具体数值 上至今没有确切的界限 。现阶段通常把被加工零件 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 [ 1 ] ,也可以理解为超精密加工就是在超精密机床 设备上 ,利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的 相对运动 ,对材料进行微量切削 ,以获得极高形状精 度和表面光洁度的加工过程 ,其精度从微米到亚微 米 ,乃至纳米 。超精密加工技术是现代高技术战争的 重要支撑技术 ,是现代高科技产业和科学技术的发展 基础 ,是现代制造科学的发展方向 [ 2 ] 。
2 超精密加工技术
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 、等离子加工 、激光束加 工以及电加工等 )以及最新研发的纳米技术 。 2. 1 超精密切削加工
3 超精密加工技术的发展状况
超精密加工技术起步最早的国家是美国 ,是迄今 为止处于世界领先地位的国家 ,其次是欧洲的一些国 家及日本 。美国至少有 30多个研究单位和厂家研制 和生产各种超精密加工机床 ,摩尔公司 、联合碳化物 公司、国家劳伦斯 ·利佛摩尔实验室、杜邦公司等在国 际上均久负盛名 。美国是最早研制了能加工硬脆材料 的 6轴数控超精密研磨抛光机 ;在 20世纪 50年代末 , 基于航天等尖端技术发展的需要 ,美国首先使用金刚 石刀具的超精密切削技术 ,并发展了相应的空气轴承 主轴的超精密机床 ,可以用来加工激光核聚变反射镜、 战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件 。如美国 LLL实验室和 Y - 12 工厂在美国能源部支持下 ,于 1983年 7月成功研制了大型超精密金刚石车床 DTM
- 3 型 , 该 机床 可加 工最 大零件 为 Φ2100mm、重 量 4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜 、大型天体 望远镜 (包括 X光天体望远镜 ) 、红外装置用零件等。 该机床的加工精度可达到形状误差为 28nm (半径 ) ,圆 度和平面度为 12. 5nm,加工表面粗糙度为 R a4. 2nm。 该机床及该实验室 1984年研制的 LODTM 大型超精密 车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高 、精度 最高的大型金刚石超精密车床 [18 ] 。
由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦 后照射到工件表面 ,光能被吸收瞬时化 、激光快速成型技术 、加工精微防伪标志等 。
基于激光束具有单色性好 、能量密度高 、空间控 制性和时间控制性良好等一系列优点 ,激光加工的行 业包括汽车制造 、航天航空 、齿轮行业 、铁路机车制造 业 、开头行业 、电子 、化工 、包装医疗设备等 ,我国激光 加工市场前景广阔 ,预计平均每年以 20% ～30%的 速率递增 [ 16 ] 。激光技术将是 21 世纪高新技术发展 的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一 , 其发展将使人类在认识和改造自然力上达到一个新的 高度 ,导致人类生活和社会物质文明以及科学技术的 巨大变革 。 2. 4. 4 微细电火花加工
离子束加工是指在真空将离子源产生的带正电 荷且质量比电子大数千万倍的离子加速 (加速以后 可以获得更大的动能 ) , 然后聚焦使之撞击工件表 面 。它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化 为热能来加工的 。离子束加工可用于表面刻蚀 、超净 清洗 ,实现原子 、分子级的切削加工 。根据所利用的 物理效应和达到的目的 ,可分为离子束溅射去除加 工 、离子束溅射镀膜加工 、离子束注入加工和离子束 曝光等几种 [ 15 ] 。 2. 4. 3 激光束加工
超精密磨削技术是基于一般精密磨削而发展起 来的 ,是用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微 量磨削加工 ,金属的去除量可在亚微米级甚至更小 , 可以达到很高的尺寸精度 、形位精度和很低的表面粗 糙度值 。但磨削加工后 ,被加工的表面在磨削力及磨 削热的作用下金相组织要发生变化 ,易产生加工硬 化 、淬火硬化 、热应力层 、残余应力层和磨削裂纹等缺 陷 。其加工对象主要是玻璃 、陶瓷等硬脆材料 [ 4 ] 。
电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电 极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔 化和气化而有控制地去除工件材料 ,以及使材料变 形 、改变性能或被镀覆的特种加工 。微细电火花加工 的特点是每个脉冲的放电能量很小 ,工作液循环困 难 ,稳定的放电间隙范围小等 [ 17 ] 。由于加工过程中 工具与工件间没有宏观的切削力 ,只要精密地控制单 个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微 细的金属材料的去除 ,可加工微细轴 、孔 、窄缝 、平面
当加工精度要求达到纳米 ,甚至达到原子单位 (原子晶格距离为 0. 1～0. 2nm )时 ,切削加工方法已 不能符合加工精度要求了 ,这时就需要借助特种加工 的方法 ,即应用化学能 、热能 、电能或电化学能等 ,使 这些能量超越原子间的结合能 ,从而去除工件表面的 部分原子间的附着 、结合或晶格变形 ,以达到超精密 加工的目的 。 2. 4. 1 电子束加工
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专题论述
·机械研究与应用 ·
以及曲面等 。 除了上述加工技术还有微细电解加工 、L IGA 技
术 (L ithographie, Galvanoformung, Abformung) 、纳米技 术 (Nanote - chnology) 、复合加工等技术 。
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超精密加工技术研究现状及发展趋势3
简金辉 ,焦 锋