超精密加工技术的发展与应用

超精密加工技术的发展与应用

超精加工技术是适应现代高新技术发展的一项新技术。它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等,是尖端技术产品发展中不可缺少的关键环节。例如,关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变用的反射镜、大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜、大规模集成电路的硅片、计算机磁盘及复印机的磁鼓等都需要超精密加工。超精密加工技术的发展也促进了机械、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。从某种意义上说,超精密加工担负着最新科学技术进步的重要使命,也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。超精密加工有两种含义,一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的加工,即高精度加工;二是指向实现微细尺寸界限挑战的加工,即以微电子电路生产为代表的微细加工。另外,超精密加工不仅涉及精度指标,还必须考虑到工件的形状特点和材料等因素。一般认为,加工精度高于0.1μm,粗糙度优于百分之几μm的加工即为超精密加工,更严格地说,尺寸精度高于IT-1或更高的加工即为超精密加工。超精密加工包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨和超精密微细加工。上述各种方法能加工出普通精密加工达不到的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度。超精密加工与被加工材料、刀具、机床、控制和监测系统及加工环境等因素密切相关,这些因素的综合参数性能决定了超精密加工的精度。1残余应力的消除超精密加工精度最终是受刀具——被切削材料在接触区域的相对运动所左右。用于超精密加工的工件材料,在其化学成分、物理性能或熔炼、塑性加工、热处理等工艺方面都有严格的要求。超精密加工用的材料的化学成化纯度应为10就金属材料而言,各金属元素只有达到熔化温度才能混合均匀,如有尚未达到熔点的金属存在,有可能引起恶劣影响,故冶炼时采用陶瓷过滤等措施。另外,材料晶粒的大小对加工表面质量有很大影响,必须通过正确的热处理来控制晶粒细化。因此,为了获得好的加工精度和表面粗糙度,材料必须没有气泡、均匀细化且无杂质、加工后残余应力小、能长期保持尺寸精度稳定性,同时还要考虑微量吃刀的加工性及与刀具磨损的关系。由被切削材料直接造成精度下降的主要原因有:(1)在熔炼过程中表现出现杂质、金属间化合物、沉淀物或生成不规则的空穴和划伤。(2)在熔炼过程中出现晶界阶梯、晶界位错。这是由于晶粒变形的方位不同和晶粒本身的弹性系数不同而引起的。(3)经轧制而成的被切削材料,在做成卷材时,在其组织内部则产生残余应力。以后即使用热处理进行完全退火,也难以完全消除这些残余应力。对于影响因素(1),主要采用高纯度合金元素并在高真空中进行熔炼和铸造。如现在所用的99.99%Al和99.9~99.99%Mg都是在真空中或高洁净的环境中生产的。对于影响因素(2),可以考虑制成单晶,以消除晶界阶梯或铸造时以极快的速度冷却,使之成为微粒结晶。目前采用的方法主要是加快冷却速度,提高合金元素的纯度和在洁净的环境中进行冶炼,以缓和由杂质和金属间化合物造成的局部应力场,借助热处理等工艺进行晶粒细化或降低残余应力。对于影响因素(3),理想方法是省掉轧制等塑性加工工序,由铸造直接进行成型加工。但是,即使在这种状态下,要使铸造产生的残余应力下降为零也是很难的。另外,象磁盘基片那样1.9mm的厚度的铸件还存在本身强度低,组织粗糙等问题。通常,消除残余应力的方法是将坯料再次升温到再结晶温度以上,再放入与制品的标准形状一样的框架中加载并保持长时间的高温高压,进行矫正。被加工材料如不合要求,将影响产品的质量,如反射镜的反射率会降低,磁盘存储密度无法提高,另外,对零件的表面完整性、残余应力等也有很大的影响。总之,用于超精密加工的材料必须从冶炼、铸造、轧制、热处理到表面处理等过程都要严格控制。22.1刀头的安装技术超粗密切削的理想刀具材料主要是天然金刚石,因为超精密被加工材料主要是有色金属并且为微量切削,切深小于1μm,可达到0.075μm,相当于从材料晶格上逐个地去除原子,其切削力必须超过晶体内部的原子结合力,才能产生切削作用,而加工极限又受到刀具刃口圆弧半径所支配。刀尖能承受如此大的切削力且具有较高的耐用性的,目前只有天然金刚石。由于超精密加工的表面精度要求为0.1μm左右,所以刀头要设计成不易产生走刀痕迹的形状,一般做成直线刃或圆弧刃两种形状。但直线刃刀头的安装很难,需要高超的安装技术,有10″角度误差就会影响表面质量,但是这种刀头的加工表面精度最好。圆弧刃刀头安装容易,但加工表面质量稍差一点,因此最好采用能微调安装角度的直线刃刀夹。金刚石刀具的磨损,是在高温、高压、高速下与各种被加工材料发生磨擦而产生的。在高温下,金刚石的热磨损量比切削刃的几何因素影响大得多,且某种接触物质的存在,更促进其磨损作用,即金刚石和切削材料接触表面的热化学特性是决定刀具磨损的主要因素。这种磨损对高精密加工质量带来很大影响,但是,监视这样微小的磨损相当困难。超精密切削,由于进刀量非常小,刀尖上的单位阻力反而加大,使刀尖易受损。在小范围内,由于金属结晶中滑移变小,在刀尖上产生剪切力,最后造成刀刃的损伤,缩短了刀刃的寿命,也使切削距离变短。另一方面,由于进给量小,加工一个工件的距离就变长,加工的件数就减少。超精密切削对刀头的要求条件是非常苛刻的。总之,超精密切削刀头必须满足以下条件:有研磨得特别锋利的刀尖;不产生走刀痕迹的刀刃形状;刀刃结晶位置要处于承受阻力特别大的方向;切削阻力非常小的刀尖形状。2.2砂轮的磨粒要匀在超精密磨削中,砂轮材质十分重要,要求砂轮锐利、耐磨、颗粒大小均匀、结合均匀,在加工过程中,砂轮的磨损要小,磨粒的脱落要少。CBN砂轮与金刚石砂轮适于超精密磨削,但这两种砂轮修正十分困难,采用石墨砂轮能得到良好的粗糙度,但尺寸和形状精度以及其它表面质量指标欠佳。2.3超精密研磨和研磨加工材料的选择超精密研磨和抛光对研具具有严格的要求。加工质量的表面粗糙度和加工变质层的深度是受磨粒和研具的机械作用所支配。为了实现超精密研磨和抛光,需要使用微细的磨粒和使磨粒作用工件很浅的研具材料。作为超精密研磨、抛光用的研具和抛光器,其工作面的形状精度会反映到工件表面上,因此必须减小因工作面磨损和弹性变形引起的精度下降。3机床的运动精度超精密加工就是将高精度、高刚性的机床运动精度,通过锋利的刀具正确地复映到工件上。工件的加工精度主要依赖于机床本身的运动精度,作为加工的代表精度通常举出尺寸和形状精度为0.1μm,表面粗糙度为Rmax0.02μm左右,所以机床必须具备保证上述加工精度的运动精度,机床主轴精度、工作台静、动态精度及其热稳定性都必须很高。3.1几何精度误差机床的运动精度是直接影响加工精度的重要因素。利用静压支撑运动部分的超精密加工机床,由轴和轴承的圆度或直线度等几何精度误差会引起回转振摆和静压工作台的直线运动误。同时,由于轴承型式和所用流体的种类不同,有时也会发生微小振动。另外,空气和油静压导轨在停止时,运动体和工作台之间有相对位移。传动机构由于分辨率的限制及爬行现象的存在,也影响了加工精度。3.2超精密加工的微观刚度机床的零部件必须具有很高的刚性才能保证超精密加工的顺利进行。现在的超精密加工机床零部件刚度可达到100N/μm,即使因大负荷而产生相当大的位移,如果这种位移是弹性的,其重复性将很高。同时,通过检测负荷和变形量,并把它减到最小,便可使它看起来具有很大的刚性。在高精度条件下,宏观变形比接触部分和滑动部分的动态变形重要。在超精密加工中,由于切削力很小,因此必须充分注意这种微观刚性。同时接触部分变形的微观重复性和非可逆的动态变形也会影响超精密加工的精度。3.3热变形一般来说,固体的线性膨胀系数为104超精密加工精度超精密加工控制采用数控系统,控制精度要求很高,但其控制模型难以精确建立,一般应用误差补偿闭环控制、插补等技术以提高控制精度。精密测量同加工一样重要,超精密加工对测量期望更高。因为没有高精度测量手段,就不能评价超精密加工精度,通常认为测量精度应高于加工精度一个数量级。运动精度和定位精度的提高依赖于检测、控制分辨率的提高。但是,能够用10nm数量级的精度等级来评价机床运动精度的计量技术还没有通用化。传感器的检测精度(分辨率和重复性等)的提高是提高检测精度的关键问题。4.1用光棚结构来进行分细光棚式刻度尺是通过移动两块刻度尺的位置,使之产生黑白条纹,再用光电二极管检测明暗条纹数而进行测量。将所得的一个明暗周期的1/4信号,通过组合,还能进行分细。为了提高光棚的分辨率,最好是缩小刻线尺条纹的间距。但间距过小,则会引起光衍射现象,因而分辨率是有限的(约为0.1μm)。为此,开发了衍射光棚。利用光的多次衍射现象,可以覆盖几十毫米的范围,使分辨率提高到0.01μm。但是,当使整个测量范围的累计误差达到与分辨率相等时,再提高就困难了。另外,由于计数器的性能关系,高速移动刻度尺会造成计数跟不上的难题。4.2光外差测长方法激光干涉仪是利用激光作光源的干涉方法,其特点如下:分辨率高;测量范围大;是以光波长为基准的绝对测长。使用不同波长的二束激长的光外差方法,可以高灵敏度地检测位移,可得到nm级的分辨率。但是激光干涉仪在操作上有一定的难度:对环境有严格要求,需补偿光的折射率;操作者需要有对光学元件的调整经验。4.3隧道电流。隧道电流是一种特殊这种方法可以获得0.1nm的分辨率,它是使具有电位差的两个物体接近而不接触,利用在其间隙中流动的隧道电流产生的隧道效应进行测量。进行这样的超精密测量,其测量环境是非常重要的,即必须能高精度的控制振动和温度变化。5求十分严格超精密加工对环境的要求十分严格,不仅要求恒温、恒湿和洁净,而且还要隔绝振动。5.1热容量对机床的影响在金属零件加工中,尺寸为100mm的零件,温度每变化1℃,就会造成尺寸误差1~1.6μm。所以对要保证0.01μm的尺寸精度,必须有能控制0.01℃的温度措施。对高精度机床,在设计时可采用如下方法:5.1.1选用与加工零件相同的材料构成机床,采用对温度适应性好的薄壁结构。5.1.2选择导热性差的材料作为结构材料,设计大热容量,使之不受微小温度变化的影响。但热容量大,意味着达到设定温度的时间长。5.1.3使用不受热影响的线性膨胀系数极低的材料。一般在加工过程中采用油喷淋冷却以控制机床和工件温度、隔绝热对超精密加工区的干扰。在油喷淋温度监控制系统中要消除因环境和冷却水温度变化引起的低频温度变化,减少温度变化源的干扰,减少输送油温出现的滞后时间。伴随切削而产生的振动对超精密加工带来很大影响。通常,软金属的微量切削,所需的切削力只是几牛顿以下。因此,在超精密加工机床整体设计时可不必太在意,相反,在刀具的周围和工件安装的局部范围内,就应注意切削力引起的振动和变形。为了解决机床内部的强制振动,运动部分需要彻底的轻量化和充分的动态平衡。光有满足刚性的床身设计是不够的,还必须有能吸收不平衡振动的床身重量。大面积超净不易达到高的洁净度,且造价昂贵,所以机床要用防尘罩隔离,通入洁净空气造成正压,以形成可靠的洁净小环境。此外机床还应有吸尘装置,以保证加工质量。5.2超精确加工的环境基础设施5.2.1面粗糙度的加工超精密加工应在高洁净度室内进行,无高洁净度环境是不能研磨出低粗糙度表面,所以要达到低的表面粗糙度的加工,就要注意灰尘的影响,灰尘的混入会使镜面划伤和使工件精度受到损害。在超精密研磨中,研磨剂的颗粒可小至100.,而灰尘的微粒竟比研磨刘的颗粒大数十倍至数百倍。通常要求洁净度为100级(即每立方英尺的空气内含大于0.5μm的灰尘粒不超过100个)以上的洁净室。5.2.2发热量的湿度在要求纳米加工的超精密环境中,温湿度是基本要求的环境因素。严格的温度控制需掌握各机器设备的发热量。湿度与加工内容有关,一般在40%RH以下时由于静电的影响加工精度易受影响,而在50%RH以上时,又担心生锈,因此多把湿度40%~50%RH定为要求的环境。湿度的容许范围与温度的容许范围有关联,±5%的湿度控制范围适应于±1℃的温度控制范围。5.2.3空气的冲洗和输入量为得到很高的洁净度,采用使室内的气流以均匀的速度向同一个方向流动的方式,让洁净的空气直接流过作业区域,用洁净的空气冲洗灰尘。为保持超精密加工环境的洁净度和温湿度,需要使室内的压力比外部高即室内正压。为保持室内正压,空气的输入量比输出量大。因此,必须正确地掌握从作业空间排出的气量,以保持室内外稳定的压差