精密与超精密加工(第2章)

1、原理：原理：砂带砂带：带基材料为带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。植有细微砂粒。砂带在一定工作压砂带在一定工作压力下与工件接触并作力下与工件接触并作相对运动，进行磨削相对运动，进行磨削或抛光。或抛光。接触轮接触轮磁盘磁盘图图 砂带磨削示意图砂带磨削示意图砂带砂带砂带轮砂带轮卷带轮卷带轮F F-径向进给径向进给n应用应用: : 模具是现代制造业使用越来越多的一种工具，模具是现代制造业使用越来越多的一种工具，模具型腔表面的加工精度直接影响制造工件的精模具型腔表面的加工精度直接影响制造工件的精度。为进行模具型腔等复杂曲面的超精抛光加工，度。为进行模具型腔等复杂曲面的超精抛光

2、加工，多采用精密砂带抛光机进行终加工。用细粒度磨多采用精密砂带抛光机进行终加工。用细粒度磨料制成的砂带加工出的表面粗糙度可达料制成的砂带加工出的表面粗糙度可达Ra0.02mRa0.02m。 精密砂带抛光一般采用开式砂带加工方式。精密砂带抛光一般采用开式砂带加工方式。始终有新砂带缓慢进入加工区，砂带一次性使用始终有新砂带缓慢进入加工区，砂带一次性使用即报废。这种开式砂带加工方法保持了加工工况即报废。这种开式砂带加工方法保持了加工工况的一致性，从而提高了生产过程中加工表面质量的一致性，从而提高了生产过程中加工表面质量的稳定性。的稳定性。图图 闭式砂带磨削形式闭式砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削砂带

3、无心外圆磨削工件工件导轮导轮接触轮接触轮 主动轮主动轮砂带砂带工件工件 接触轮接触轮主动轮主动轮砂带砂带b b）砂带定心外圆磨削）砂带定心外圆磨削c c）砂带定心外圆磨削）砂带定心外圆磨削工件工件接触轮接触轮主动轮主动轮砂带砂带接触轮接触轮砂带砂带工件工件d d）砂带内圆磨削）砂带内圆磨削工件工件支承板支承板主动轮主动轮砂带砂带工作台工作台e e）砂带平面磨削）砂带平面磨削f f）砂带平面磨削）砂带平面磨削支承轮支承轮工件工件砂带砂带接触轮接触轮 砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，工件受力、热作用砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，工件受力、热作用小，加工质量好。小，加工质量好。 磨粒规格涂层粘接剂

4、基带图图 静电植砂砂带结构静电植砂砂带结构 静电植砂制作的砂静电植砂制作的砂带，磨粒有方向性，带，磨粒有方向性，尖端向上尖端向上, ,摩擦生热摩擦生热小，磨屑不易堵塞，小，磨屑不易堵塞，磨削性能好。磨削性能好。 抛光轮与工件表面抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置形成小间隙，中间置抛光液，抛光轮高速抛光液，抛光轮高速回转造成磨料回转造成磨料“弹性弹性发射发射”进行加工。进行加工。工件工件小间隙小间隙加压加压抛光轮抛光轮悬浮液悬浮液微粉微粉图图 弹性发射加工原理弹性发射加工原理 工作原理工作原理 机理：微切削被机理：微切削被加工材料的微塑性流加工材料的微塑性流动作用动作用抛光工具抛光工具图图 液体

5、动力抛光液体动力抛光小间隙小间隙工件工件工具运动方向工具运动方向抛光液抛光液磨粒磨粒抛光工具抛光工具活性活性抛光液抛光液图图 机械化学抛光机械化学抛光小间隙小间隙工件工件工具运动方向工具运动方向加压加压 抛光工具上开有锯齿槽，靠抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用加微切削作用。 机理：微切削作用。机理：微切削作用。 活性抛光液与工件表面产生活性抛光液与工件表面产生固相反应，形成软化层，使其固相反应，形成软化层，使其便于加工。便于加工。 机理：机械作用机理：机械作用+化学作用，化学作用，称为称为“增压活化增压活化”。 小小 结结 微细加工的基本

6、概念微细加工的基本概念 一般把尺寸在微米至毫米范围内的零件的加工都归一般把尺寸在微米至毫米范围内的零件的加工都归属为微细加工。属为微细加工。 由于尺寸微小，相应的尺寸公差和形位公差更小，由于尺寸微小，相应的尺寸公差和形位公差更小，通常在通常在100nm100nm范围内，而表面粗糙度值更是小于范围内，而表面粗糙度值更是小于10nm10nm。因。因此，微细加工同时具备精密和超精密加工的特征。此，微细加工同时具备精密和超精密加工的特征。第四节 微细加工微飞行器的发展微飞行器的发展 近年来随着军事尖端技术的发展，微飞行器近年来随着军事尖端技术的发展，微飞行器发展极为迅速。微飞行器可军用也可民用。微飞发

7、展极为迅速。微飞行器可军用也可民用。微飞行器实际上是一套可在空中飞行的高水平多功能行器实际上是一套可在空中飞行的高水平多功能微机电系统微机电系统, ,它一般都是由多套复杂的分系统组它一般都是由多套复杂的分系统组成。它可以完成飞行、升降、自动导航、侦察、成。它可以完成飞行、升降、自动导航、侦察、信息传输、对敌干扰等多种任务。信息传输、对敌干扰等多种任务。微飞行器的等级：微飞行器的等级： n10101kg1kg量级的微飞行器量级的微飞行器, ,外形接近飞机外形接近飞机, ,已投入使用。已投入使用。 n1kg1kg75g75g量级的微飞行器量级的微飞行器, ,保持飞机的外形保持飞机的外形, ,需一定

8、时需一定时间才能达到实用阶段。间才能达到实用阶段。 n75g75g25g25g量级的微飞行器量级的微飞行器, , 样机采用圆盘状机翼。样机采用圆盘状机翼。 n25g25g量级的微飞行器量级的微飞行器, , 用直升机形式或用直升机形式或扑翼式结构扑翼式结构 。微飞行器的发展微飞行器的发展 飞机长飞机长1.1m1.1m、翼展、翼展1.5m1.5m、重、重6kg6kg以色列云雀侦察微型无人飞机以色列云雀侦察微型无人飞机微飞行器的发展微飞行器的发展 美国龙眼微型无人飞机美国龙眼微型无人飞机微飞行器的发展微飞行器的发展 侦察用履带式微型机器人小车侦察用履带式微型机器人小车( (美美SandiaSandi

9、a国家实验室国家实验室) ) 微飞行器的发展微飞行器的发展 微机器人小车微机器人小车微飞行器的发展微飞行器的发展 微型机器人微型机器人- -人造昆虫人造昆虫微飞行器的发展微飞行器的发展 美国黄蜂微型无人飞机美国黄蜂微型无人飞机 微飞行器的发展微飞行器的发展 美国美国SandersSanders公司的微飞行器公司的微飞行器翼展翼展: :15.24cm15.24cm，重量重量: :85g85g微飞行器的发展微飞行器的发展 美国美国LehighLehigh大学的微飞行器大学的微飞行器翼展翼展19.4cm,19.4cm,重量重量50g50g微飞行器的发展微飞行器的发展 微飞行器用微型发动机微飞行器用微

10、型发动机转速转速30000r/min,30000r/min,气缸气缸直径直径6mm,6mm,重量重量14g,14g,外形体积外形体积3.8cm3.8cm2.7cm2.7cm3.7cm3.7cm微飞行器的发展微飞行器的发展 美美NASANASA的微飞行器的微飞行器 微飞行器的发展微飞行器的发展 微飞行器的圆盘状机翼微飞行器的圆盘状机翼 微飞行器的发展微飞行器的发展 psonpson直升机型微飞行器直升机型微飞行器重量重量: :(12.3g)(12.3g)微飞行器的发展微飞行器的发展 美美BerkeleyBerkeley的的“飞行蝇飞行蝇”微飞行器微飞行器 微飞行器的发展微飞行器的发展 微微/ /

11、小卫星小卫星 n 微小卫星的定义：微小卫星的定义： 质量一般在质量一般在100kg100kg以下以下 微小卫星的量级划分：微小卫星的量级划分： n10010010kg10kg称为小型卫星；称为小型卫星； n10101kg1kg称为微型卫星；称为微型卫星；n小于小于1kg1kg称为纳米卫星。称为纳米卫星。 AprizeAprize卫星公司的微型实验卫星卫星公司的微型实验卫星 微微/ /小卫星小卫星清华清华-I-I微型卫星微型卫星 微微/ /小卫星小卫星试验卫星试验卫星1 1号与纳米号与纳米1 1号号微微/ /小卫星小卫星n精度表示方法不同精度表示方法不同 一般尺寸加工的精度用其加工误差与加工尺一

12、般尺寸加工的精度用其加工误差与加工尺寸的比值来表示，这就是精度等级的概念。在微寸的比值来表示，这就是精度等级的概念。在微细加工时，由于加工尺寸很小，需要用误差尺寸细加工时，由于加工尺寸很小，需要用误差尺寸的绝对值来表示加工精度，即用去除一块材料的的绝对值来表示加工精度，即用去除一块材料的大小来表示。大小来表示。微细加工的特点微细加工的特点n加工机理不同加工机理不同 微细加工时，由于切屑很小，切削在晶粒内微细加工时，由于切屑很小，切削在晶粒内进行，晶粒作为一个个不连续体而被切削。这与进行，晶粒作为一个个不连续体而被切削。这与一般尺寸加工完全不同，一般尺寸加工时，由于一般尺寸加工完全不同，一般尺寸

13、加工时，由于吃刀量较大，晶粒大小可忽略而作为一个连续体吃刀量较大，晶粒大小可忽略而作为一个连续体来看待。因而常规的切削理论对微细加工不适用。来看待。因而常规的切削理论对微细加工不适用。微细加工的特点微细加工的特点n加工特征不同加工特征不同 一般尺寸加工以获得一定的尺寸、形状、一般尺寸加工以获得一定的尺寸、形状、位置精度为加工特征。而微细加工则以分离或结位置精度为加工特征。而微细加工则以分离或结合分子或原子为特征，并常以能量束加工为基础，合分子或原子为特征，并常以能量束加工为基础，采用许多有别于传统机械加工的方法进行加工。采用许多有别于传统机械加工的方法进行加工。微细加工的特点微细加工的特点n采

14、用微型化的定形整体刀具或非定形磨料工具进采用微型化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：行机械加工： 如车削、钻削、铣削和磨削。如车削、钻削、铣削和磨削。n采用电加工或在其基础上的复合加工：如微细电采用电加工或在其基础上的复合加工：如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工（又称电解液射流或微细喷射制模）等。加工（又称电解液射流或微细喷射制模）等。微细加工方法微细加工方法n采用光、声等能量法加工：如微细激光束采用光、声等能量法加工：如微细激光束加工（加工（MLBMMLBM）、微细超声加工等。）、微细超声加工等。n采用光化掩膜法加工：如

15、光刻法等。采用光化掩膜法加工：如光刻法等。n采用层积增生法加工：如曲面的磁膜镀覆、采用层积增生法加工：如曲面的磁膜镀覆、多层薄膜镀覆等。多层薄膜镀覆等。微细加工方法微细加工方法微型加工件的铣削微型加工件的铣削微细加工方法微细加工方法日日FanucFanuc公司加工微型件五轴加工中心公司加工微型件五轴加工中心微细加工方法微细加工方法4.5m4.5m的微的微针针 微细加工方法微细加工方法电火花加工电火花加工55m m孔孔微细加工方法微细加工方法电火花加工微型汽车模具电火花加工微型汽车模具微细加工方法微细加工方法超声加工玻璃上的超声加工玻璃上的55m m孔孔微细加工方法微细加工方法激光加工钛合金激光

16、加工钛合金 微细加工方法微细加工方法用准分子激光在头发上刻的字用准分子激光在头发上刻的字 微细加工方法微细加工方法 对于工件的平面、内腔、孔或相对较大直径对于工件的平面、内腔、孔或相对较大直径外圆的加工，由于工件尺寸相对较大，有一定的外圆的加工，由于工件尺寸相对较大，有一定的刚度，因此可用切削加工的方法进行加工，包括刚度，因此可用切削加工的方法进行加工，包括铣、钻和车三种形式。车或铣多用单晶金刚石车铣、钻和车三种形式。车或铣多用单晶金刚石车刀或铣刀。对于孔加工，孔的直径决定于钻头的刀或铣刀。对于孔加工，孔的直径决定于钻头的直径。用于微细加工的麻花钻的直径可小到直径。用于微细加工的麻花钻的直径可

17、小到50m50m。微细加工方法微细加工方法加工技术加工技术光刻加工的主要过程光刻加工的主要过程n涂胶涂胶 把光致抗蚀剂涂在已镀有氧化膜的半导体把光致抗蚀剂涂在已镀有氧化膜的半导体基片上。基片上。n曝光曝光 将光束聚焦形成细小束斑，通过扫描在光将光束聚焦形成细小束斑，通过扫描在光致抗蚀剂涂层上绘制图形，称为扫描曝光。常用致抗蚀剂涂层上绘制图形，称为扫描曝光。常用光源有电子束、离子束等。光源有电子束、离子束等。光刻加工光刻加工微细加工方法微细加工方法n显影与烘片显影与烘片 曝光后的光致抗蚀剂在一定的溶剂中将曝曝光后的光致抗蚀剂在一定的溶剂中将曝光图形显示出来，称为显影。显影后进行光图形显示出来，称

18、为显影。显影后进行200200250250的的高温处理，以提高光致抗蚀剂的强度，称为烘片。高温处理，以提高光致抗蚀剂的强度，称为烘片。n刻蚀刻蚀 利用化学或物理方法，将没有光致抗蚀剂部分的利用化学或物理方法，将没有光致抗蚀剂部分的氧化膜除去。常用的刻蚀方法有化学刻蚀、离子刻蚀、氧化膜除去。常用的刻蚀方法有化学刻蚀、离子刻蚀、电解刻蚀等。电解刻蚀等。n剥膜（去胶）剥膜（去胶） 用剥膜液去除光致抗蚀剂。剥膜后需进用剥膜液去除光致抗蚀剂。剥膜后需进行水洗和干燥处理。行水洗和干燥处理。 微细加工方法微细加工方法光刻加工光刻加工微细加工方法微细加工方法光刻加工光刻加工 图图 电致伸缩微动工作台电致伸缩微

19、动工作台xy0L2 微动工作台微动工作台L3L1电致伸缩微动工作台电致伸缩微动工作台 当当L1L1伸缩时，将使伸缩时，将使工作台在工作台在x x方向产生微方向产生微动；当动；当L2L2、L3L3长度同时长度同时发生变化，则工作台将发生变化，则工作台将在在y y方向产生微动；而方向产生微动；而当当L2L2与与L3L3做相反运动时，做相反运动时，工作台将产生微量转动。工作台将产生微量转动。微细加工方法微细加工方法微细加工机床的结构特点微细加工机床的结构特点n微小位移机构微小位移机构 为达到很小的单位去除率，需要能实现足为达到很小的单位去除率，需要能实现足够小的微量移动，微量移动应可小至几十个纳米。

20、够小的微量移动，微量移动应可小至几十个纳米。n高灵敏的伺服进给系统高灵敏的伺服进给系统 它要求低摩擦的传动系统和导轨它要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。n高平稳性的进给运动高平稳性的进给运动 尽量减少由于制造和装配误差引起尽量减少由于制造和装配误差引起各轴的运动误差。各轴的运动误差。微细加工设备微细加工设备n高的定位精度和重复定位精度。高的定位精度和重复定位精度。n低热变形结构设计。低热变形结构设计。n刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。n高的主轴转速及动平衡。高的主轴转速及动平衡。n稳固的床身构件并隔绝外

21、界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。n具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。微细加工设备微细加工设备BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C C图图 FANUC FANUC 微型超精密加工机床微型超精密加工机床 机床有机床有X X、Z Z、C C、B B四个轴，在四个轴，在B B 轴轴回转工作台上增加回转工作台上增加A A轴转台后，可实轴转台后，可实现现5 5轴控制，数控轴控制，数控系统的最小设定单系统的最小设定单位为位为1nm1nm。可进行。可进行车、铣、磨和电火车、铣、磨和电火花加工。花加工。微细加工设备微细加工设备日本日

22、本FANUCFANUC微型超精密加工机床微型超精密加工机床空气静压直线导轨空气静压螺母电机与丝杠轴线支承电机转子和丝杠的空气轴承 图图 低摩擦伺服进给系统低摩擦伺服进给系统微细加工设备微细加工设备日本日本FANUCFANUC微型超精密加工机床微型超精密加工机床 工作原理：载流导体在电场作用下产生微小形变，并转化工作原理：载流导体在电场作用下产生微小形变，并转化为微位移。为微位移。 载流导体：载流导体： 逆压电材料逆压电材料电场作用引起晶体内正负电荷重心位电场作用引起晶体内正负电荷重心位移，导致晶体发生形变。移，导致晶体发生形变。特点：特点： 结构简单，运行可靠，传动效率高。结构简单，运行可靠，

23、传动效率高。 进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。 行程不受限制。行程不受限制。 运动精度高。运动精度高。 微细加工设备微细加工设备直线电机工作原理直线电机工作原理图图 高速加工机床直线电机原理图高速加工机床直线电机原理图直线电机工作原理直线电机工作原理微细加工设备微细加工设备 问题问题1 1：直线电机是如何实现微位移的？直线电机是如何实现微位移的？直线电机工作原理直线电机工作原理微细加工设备微细加工设备逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧电磁铁加励磁，夹紧（电磁铁与（电磁铁与逆压电元件之间绝缘，机械连接）逆压电元件之间绝缘，机械连接）逆压电元件

24、电磁铁1电磁铁2电磁铁电磁铁2 2去掉励磁，松开去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁电磁铁2 2加励磁，夹紧加励磁，夹紧电磁铁电磁铁1 1去掉励磁，松开去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁原长，电磁铁1 1移动移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2直线电机工作原理直线电机工作原理微细加工设备微细加工设备 直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较表表 直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较性性 能能 伺服电机伺服电机滚

25、珠丝杠滚珠丝杠 直线驱动直线驱动定位精度定位精度( (m/300mm)m/300mm) 510 0.51.0重复定位精度重复定位精度( (m)m) 25 0.10.2最高速度最高速度( (m/min)m/min) 2050 60200最大加速度最大加速度( (g)g) 12 210寿命寿命( (h)h) 600010000 50000微细加工设备微细加工设备 指纳米级指纳米级0.1nm-100nm0.1nm-100nm的材料、设计、制的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。在纳米层次造、测量、控制和产品的技术。在纳米层次上，一些宏观物理量已要求重新定义，在工上，一些宏观物理量已要求重新定义

26、，在工程中常用的定理都已不能正常描述纳米级的程中常用的定理都已不能正常描述纳米级的工程现象和规律，而量子效应、物质的波动工程现象和规律，而量子效应、物质的波动特性等已不可忽略，甚至成为主导因素。特性等已不可忽略，甚至成为主导因素。第五节第五节 纳米技术纳米技术概述概述nX X射线干涉测量技术射线干涉测量技术 X X射线的波长和晶体中原子间距均为同样的数量级。射线的波长和晶体中原子间距均为同样的数量级。均一的单晶硅尺寸稳定，其晶格间距可以用作长度基准。均一的单晶硅尺寸稳定，其晶格间距可以用作长度基准。X X射线入射单晶硅片后产生干涉条纹。被测物位移一个射线入射单晶硅片后产生干涉条纹。被测物位移一

27、个晶格间距晶格间距0.2nm0.2nm，干涉信号变化一个周期，由干涉条纹，干涉信号变化一个周期，由干涉条纹数和相位，可以实现数和相位，可以实现0.05nm0.05nm分辨率的位移测量。分辨率的位移测量。第五节第五节 纳米技术纳米技术 纳米级测量技术纳米级测量技术 扫描隧道显微测量技术（扫描隧道显微测量技术（STM)STM) 基于量子力学的隧道效应。当把两电极间距缩短到基于量子力学的隧道效应。当把两电极间距缩短到 1nm1nm时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加电场的作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电场的作用下，穿过绝缘势垒，从一个电

28、极流向另一个电极。当其中一个电极是尖锐的探针时，由于尖端放电电极。当其中一个电极是尖锐的探针时，由于尖端放电现象而使隧道电流加大。用探针在试件表面扫描，将它现象而使隧道电流加大。用探针在试件表面扫描，将它感觉到的原子高低的信息采集起来，就可得到表面的纳感觉到的原子高低的信息采集起来，就可得到表面的纳米级三维的表面形貌。米级三维的表面形貌。 纳米技术纳米技术 纳米级测量技术纳米级测量技术 当探针与试件表面距离达当探针与试件表面距离达1nm1nm时，时，形成隧道结。隧道电流密度为：形成隧道结。隧道电流密度为：24212220 kbaeUdkhej式中：式中： h h 普郎克常数；普郎克常数； e

29、e 电子电量；电子电量； k ka a，k k0 0 系数。系数。12d试件试件STMSTM探针探针Ub 图图 STMSTM隧道结隧道结纳米技术纳米技术 纳米级测量技术纳米级测量技术金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为电流，获得尖峰，曲率半径为10nm10nm左右。左右。 纳米级测量技术纳米级测量技术纳米技术纳米技术 由上式可见，探针与试件表面距离由上式可见，探针与试件表面距离d d 对隧道电流密度对隧道电流密度非常敏感，这正是非常敏感，这正是STMSTM的基础。的基础。计算机计算机差分差分比较比较积分积分放大放大比例比例放大放大高压高压放大放大A/DD/AXYZ控制信号控制信号设定电压设定电压前置放大前置放大对数放大对数放大探针探针压电陶瓷压电陶瓷试件试件 图图 隧道电流反馈控制系统原理框图隧道电流反馈控制系统原理