超精密机械加工方法及类型探讨

1、 超精密机械加工与类型探讨摘 要：超精密机械加工是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度发展。超精密机械加工的方法很多有切削、磨削等等。其中超精密切削技术是使用精密的单晶天然金刚石道具加工有色金属和非金属。超精加工的分类有去除加工、结合加工、变形加工。关键词：超精加工；加工分类；切削加工 1 超精密机械加工技术概述1.1 超精密机械加工技术超精密机械加工技术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，是先进制造技术的基础和关键。在目前，

2、在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1m。超精密机械加工技术的指标为精密加工精度为 10.1m，表面粗糙度值为：Ra03-0.03m； 超精密加工精度为0.1-0.01 m表面粗糙度值为Ra0.03-0.005m， 又称亚微米加工；（1微米=0.001mm）,纳米加工精度高于 0.03 m， 表面粗糙度值小于 Ra 0.005 m。 超精密机械加工技术提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。精密和超精密加工目前包含三个领域：1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面、它成功地解决了

3、高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。2)超精密磨削研磨，例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。3)超精密特种加工，如电子束，离子束加工，美国超大规模集成电路线宽达到0.1m。目前，实现超精密加工的方法主要有：超精密切削，如超精密金刚石刀具镜面车削、镗削和铣削等；超精密磨削、研磨和抛光；超精密微细加工（电子束、离子束、激光束加工以及硅微器件的加工、LIGA技术等）。日本的一些学者提出了利用微机器人进行超精密加工的概念，这一概念突破传统加工观念，设计出可以自由移动的微小机器人，让机器人群在工件上爬，可实现纳米级超精密加工。机构的小型化可以节约资源和能源，并且由于零件

4、尺寸的减小，从而提高了单位体积和重量的功能的集成度。小型化也开辟了许多新的应用领域，比如在工业上的遥操作或细胞生物领域的应用。源于微电子技术的硅微加工工艺对于机构的小型化有着重大影响，它在同一个零件上集成了机械和电子功能，非常适合于加工 MEMS系统。2 各种超紧密机械加工的方法及其原理2.1 各种超精密机械加工的方法及其原理2.1.1 超精密机械加工方法如表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单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，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、陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产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为，磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表面的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工

6、件（切削深度增加），工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤裂，即进入切削阶段，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后，逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。 ELID(Electrolytic In-Process Dressing)磨削是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。ELID磨削技术以其效率高、精度高、表面质量好

7、、加工装置简单及加工适应性广等特点，在日本已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域。 2.1.4 超精密特种加工 超紧密特种加工我们在这里主要说电子束加工电子束加工的基本原理如下图所示，在真空条件下，电子枪射出高速运动的电子束，电子束通过一极或多极汇聚形成高能束流，经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，由于高能束流冲击工件表面时，电子的动能瞬间大部分转变为热能。由于光斑直径极小(其直径在微米级或更小)，在轰击处形成局部高温，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内，温度升高到几千摄氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸发而实现加工目的。所以电子束加工是通过热效应进行的。电磁透镜实质上只是一个通直流电流的多

8、匝线圈，其作用与光学玻璃透镜相似，当线圈通过电流后形成磁场。利用磁场，可迫使电子束按照加工的需要作相应的偏转。电子束加工有如下特点：(1) 束斑极小。由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到0.1，加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术，可达到亚微米级宽度。(2) 能量密度很高。能达到107109W/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和汽化温度。去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。适合于加工精微深孔和狭缝等，速度快，效率高。(3) 可控性好。可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，可加工出斜孔、弯孔及特殊表面，便于实现自动化生产。位置控

9、制精度能准确到0.1左右，强度和斑束尺寸可达到1%的控制精度(4) 生产率很高。电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90%以上，所以加工生产率很高。(5) 无污染。由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。(6) 电子束加工有一定的局限性，一般只用来加工小孔、小缝及微小的特形表面，且需要一套专用设备和数万伏的高压真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。3 超精密机械加工方法与先进技术的结合3.1 机床与微机器人技术结合在超精密加工中使用最多的金刚石精密车床、各种精密磨床等，由于环境对于加工精度的影响很大，因

10、而需要在高度清洁车间内进行。并且为减小误差，应尽量减小振动、传动误差，实现微进给。微机器人主要用于机床的床身与底座的振动抑制、数控与测量、微进给系统等。如用金刚石车床车削镜面磁盘，车刀的进给量为5m ，就是利用微动机器人实现的。将弹性薄膜和电致伸缩器组合成微进给机构，利用电致伸缩器的伸缩带动工作台运动，实现微量进给。王加春等利用压电陶瓷伸长和收缩，制成超精密车床溜板的主动振动控制系统，结合模糊神经网络控制方法，可以抑制溜板的振动，提高加工精度。章云等将微动机器人技术应用于新型镗床，利用压电陶瓷控制镗刀的径向进给，设计出变形镗杆，可以加工出高精度的活塞异形销孔。该机构体积小，结构简单，重量轻，制

11、造装配容易。4 微量进给系统的总体结构及其原理4.1 微量进给总体结构及其功能划分本微量进给系统可以分为机械装置和控制装置两个部分。其中机械装置包括了压电陶瓷致动器和铰链工作台两部分：而控制装置则包括微位移检测部分、压电陶瓷驱动部分、微量进给数据模型和人机接口几个部分。其功能结构如图4.1 所示。机床加工刀具由微量进给机械部分驱动，二者之间有有着力和位移的信号联系。而微量进给控制部分则通过电压信号对微量进给机械部分进行位移检测和驱动控制。图4.1 微进给总体功能结构图4.2 微量进给系统各部分功能与实现结构机械装置是刀具控制的执行机构，主要是通过压电陶瓷致动器的伸缩运动来驱动刀具作微量进给运动

12、。而柔性铰链工作台则具有分辨率高、体积小、无机械摩擦、无间隙等优点，很适合作为压电陶瓷致动器的支承，用来将力、位移等输出给被驱动对象，其结构如图4.2 所示：图 4.2 微量进给机构装置示意图控制装置主要包括四个部分：微位移检测部分主要通过超精密传感器将机械装置的微位移信号检测出来再经过相应处理后，将需要的信号输入到控制系统；压电陶瓷驱动部分的功能是要把控制系统所要的微位移信号经相应处理后输出给压电陶瓷、使之产生对应的微位移结果；由于压电陶瓷的电压与位移的关系并不是线性的，而是存在着迟滞、蠕变等一系列复杂的效应，所以我们在微量进给控制系统中建立了对应的数据模型以实现对压电陶瓷微位移的精确控制；

13、最后，还有为实现对控制系统的便利操作而开发的人机接口部分，它主要包括数据键盘输入部分和显示部分。参考文献：1 袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技术北京：机械工业出版社，1999.12 王玉玲精密和超精密加工技术的发展现状与展望机械管理开发，2002，（3）：603 李世杰.超精密铣削机理及其过程物理仿真研究：天津大学博士研究生毕业论文，2000：124 李圣怡，戴一帆，彭晓强.超精密加工机床及其新技术发展.国防科技大学学报，2000，22（2）：955 王先逵.精密和超精密加工技术.机械工人（冷加工），2000，（8）：346 袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技术北京：机械工业出版社，1999.17 许茂桃超精密加工技术的发展及其对策造技术与机床，2001，（1）：798 袁哲俊精密和超精密加工技术的新进展工具技术，2006，40(3)：569 许茂桃超精密加工技术的发展及其对策造技术与机床，2001，（1）：7910袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技术北京：机械工业出版社，1999.707811方斌，黄传真，许崇海.仿真技术在切削、磨削加工和陶瓷刀具开发中的应用.机械工程师，2005目录摘 要11 微量进给技术概述41.1 微量进给技术42 各种微量进给系统