超精密加工之气囊抛光

超精密加工之气囊抛光超精密加工之气囊抛光超精密加工发展趋势超精密加工技术超精密加工的材料气囊抛光实验的详论述和介绍

51234超精密加工之气囊抛光超精密加工发展趋势

1.1：超精密加工的发展趋势

1.2促进超精密加工发展的因素

20世纪50年代至80年代为技术开创期。

20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密切削——单点金刚石切削(Singlepointdiamondturning，SPDT)技术，又称为“微英寸技术”，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。超精密加工的发展经历了如下三个阶段。1.1：超精密加工的发展趋势从1966年起，美国的UnionCarbide公司、荷兰Philips公司和美国LawrenceLivermoreLaboratories陆续推出各自的超精密金刚石车床。但其应用限于少数大公司与研究单位的试验研究，并以国防用途或科学研究用途的产品加工为主。这一时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等。20世纪80年代至90年代为民间工业应用

初期。在20世纪80年代，美国政府推动数家民间公司如MooreSpecialTool和PneumoPrecision公司开始超精密加工设备的商品化，而日本数家公司如Toshiba和Hitachi与欧洲的Cranfield大学等也陆续推出产品，这些设备开始面向一般民间工业光学组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依然高贵而稀少，主要以专用机的形式订作。20世纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床(Largeopticsdiamondturningmachine，LODTM)成为超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1.625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有±25nm的加工。20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工机的需求急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、Fresnel镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板加工、半导体晶片切割等。在这一时期，超精密加工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界常见的生产机器设备，许多公司，甚至是小公司也纷纷推出量产型设备。目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投入巨额经费，对大型紫外线、Ｘ射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。如美国太空署(NASA)推动的太空开发计划，以制作1m以上反射镜为目标，目的是探测X射线等短波(0.1～30nm)。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚，却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人造器官等。1.2促进超精密加工发展的因素尽管随时代的变化，超精密加工技术不断更新，加工精度不断提高，各国之间的研究侧重点有所不同，但促进超精密加工发展的因素在本质上是相同的。这些因素可归结如下。对产品高质量的追求。为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，就必须获得粗糙度更低的表面。为使电子元件的功能正常发挥，就要求加工后的表面不能残留加工变质层。对产品小型化的追求。伴随着加工精度提高的是工程零部件尺寸的减小。电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。对产品高可靠性的追求。对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定性、延长使用寿命。加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，所以从提高零件耐腐蚀能力的角度出发，要求加工产生的变质层尽量小。对产品高性能的追求。机构运动精度的提高，有利于减缓力学性能的波动、降低振动和噪声。对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度可减少泄露而降低损失。以上四个方面相互关联，共同促进了超精密加工技术的发展。国际知名超精密加工研究单位与企业主要有，美国LLL实验室和Moore公司、英国Granfield和Tayler公司、德国Zeiss公司和Kugler公司、日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等。我国从20世纪80年代初期开始研究超精密加工技术，主要的研究单位有北京机床研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所应用光学重点实验室、大连理工大学和浙江工业大学等。超精密加工技术2.1什么是超精密加工技术？2.2超精密加工的加工范畴2.3超精密切削2.4超精密磨削2.5超精密研磨与抛光2.1什么是超精密加工技术？超精密加工技术标志着一个国家机械制造业的水平,在提高光机电产品的性能、质量、寿命和研发高科技产品等方面具有十分重要的作用。当前，超精密加工是指加工误差小于0.0lµm、表面粗糙度小于Ra0.025µm的加工，又称之为亚微米级加工。现在，超精密加工已进入纳米级，

称之为纳米加工。

2超精密加工技术

2.2超精密加工的加工范畴精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，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、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等）2.3超精密切削超精密切削以SPDT（单点精钢石切削）技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小(约20nm)。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。超精密切削技术也由单点金刚石切削拓展至多点金刚石铣削。2.4超精密磨削超精密加工发展初期，磨削这种加工方法是被忽略的，因为砂轮中磨粒切削刃高度沿径向分布的随机性和磨损的不规则性限制了磨削加工精度的提高。随着超硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展，超精密磨削技术逐渐成形并迅速发展。超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮是指由金刚石或CBN磨料制成的砂轮。超硬磨料砂轮修整技术。超硬磨粒砂轮具有优良的耐磨损能力，不需经常修整，但在初始安装和使用磨钝后修整却比较困难。珩磨。20世纪80年代出现了平面珩磨技术，该技术采用类似研磨的运动方式，珩磨的砂轮速度是传统磨削砂轮速度的1/30～1/60。2.5超精密研磨与抛光研磨、抛光是最古老的加工工艺，也一直都是超精密加工最主要的加工手段。通常，研磨为次终加工工序，将平面度降低至数微米以下，并去前道工序(通常为磨削)产生的损伤层。抛光是目前主要的终加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的损伤层，获得光滑、无损伤的加工表面。抛光过程中材料去除量十分微小，约为5µm。到目前为止，众多学者提出了多种抛光方法，其中应用最为广泛，技术最为成熟的是化学机械抛光(Chemicalmechanicalpolishing，CMP)技术。除CMP技术外，经典的超精密研磨抛光方法还有以下几种。弹性发射加工(Elasticemissionmachine，EEM)。

日本大阪大学TSUWA等研究了在工件表面,以原子级去除材料的可行性，建立了弹性发射加工理论，其加工原理和生产设备分别如图所示。（2）动压浮离抛光。WATANABE等利用动压轴承的原理开发了动压浮离抛光技术。通过在抛光盘沿其圆周方向制有若干倾斜平面，利用抛光盘转动时产生的液动压，使工件浮于抛光盘表面，通过浮动间隙中的抛光料微粒对工件进行抛光。(3)浮法抛光。1977年，日本的NAMBA等研究人员为了加工抛光磁头材料，提出了浮法抛光工艺。该工艺使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，使得抛光盘和工件高速旋转，在两者之间抛光液呈动压液体状态，并形成一层液膜，再利用液膜里的磨料高速冲击工件表面，从而实现材料的去除。(4)低温抛光。低温抛光是指在低温环境下利用凝结成固态的抛光液进行抛光加工。(5)磁场辅助抛光。磁场辅助抛光主要包括磁性磨粒加工(Magneticabrasivefinishing，MAF)、磁浮置抛光(Magneticfloatpolishing，MPF)和磁流变加工(Magnetor-heologicalfinishing，MRF)。(6)应力盘抛光。为实现大型非球面元件的超

精密加工，诞生了应力盘抛光方法。(7)气囊式抛光。气囊式抛光技术是2000年伦敦学院大学光学科学实验室和Zeeko有限公司联合提出的。抛光工具外面包有磨料薄膜层(如聚氨酯抛光垫、抛光布等)的胶皮气囊。抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对的进给运动，使工件的全部表面都被能抛光加工。工具气囊同时还作摆动(摆动中心为气囊曲面的曲率中心)，使磨料薄膜层均匀磨损。由于工具气囊具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光不同外形的曲面。该方法适于大型自由曲面的超精密加工。3超精密加工的材料

3.1、超精密加工对材料的要求3.2、超精密加工材料的分类3.3、常见的材料及加工方法3.4、工件材料方面诸因素对切削加工性的影响3.5先进先进陶瓷材料

姓名：学号：

3超精密加工的材料

3.1、超精密加工对材料的要求化学成分：应准确、质地均匀、无杂质；10-2～10-3数量级。物理力学性能：稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；拉伸强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等应达到10-5～10-6数量级。加工工艺性能：冶炼、铸造、热处理等工艺过程要严格控制。3.2、超精密加工材料分类黑色金属精密合金金属材料非金属材料钢超精密加工材料的分类有色金属铸铁铝合金铜合金弹性合金膨胀合金热双金属有机高分子材料无机非金属材料复合材料塑料橡胶胶黏剂涂料石英宝石石材金刚石工程陶瓷3.3、常见的材料及其加工方法材料超精密加工方法无机硬脆材料半导体材料陶瓷玻璃石英蓝宝石金刚石超精密磨削超精密研磨超精密抛光软质金属塑料超精密金刚石切削耐热合金复合材料黑色金属超精密磨削超精密研磨超精密抛光3.4工件材料方面诸因素对切削加工性的影响3.4.1工件材料的物理、力学性能对切削加工性的影响1、硬度和强度一般情况，金属材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，切削加工性越差。但硬度低、塑性高的材料也不好加工，故硬度适中的材料较好加工。材料硬质夹杂物、加工硬化都将降低材料的切削加工性。2、塑性塑性越高，切削性能越差。3、韧性韧性越高，切削加工性越差。4、导热性导热系数越大，切削加工性越好。5、其他物理力学性能线膨胀系数大，不易控制精度；弹性模量小，易与刀具发生摩擦。6、材料的化学性质如切削镁合金，易燃烧；切削钛合金，加速刀具的磨损。金属材料的化学成分对切削加工性的影响3.4.2金属材料碳锰铅氧中碳钢，切削加工性好。含锰量适中，切削加工性好。有润滑作用，切削加工性好。生成氧化物，加剧刀具磨损，切削加工性差。3.5先进先进陶瓷材料

为满足高精度、高可靠性、高稳定性等品质需求，众多金属及其合金、陶瓷材料、光学玻璃等需要经过超精密加工达到特定的形状、精度和表面完整性。这里特别对先进陶瓷材料进行介绍。先进陶瓷材料已经成为高精密机械、航空航天、军事、光电信息发展的基础之一。先进陶瓷根据性能和应用范围不同，大致可分为功能陶瓷和结构陶瓷两类。（1）功能陶瓷功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生物效应制成的一大类材料。功能陶瓷电功能陶瓷：绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷功能陶瓷的分类磁功能陶瓷：软磁铁氧体、硬磁铁氧体、记忆用铁电体光功能陶瓷：透明陶瓷、透明铁电陶瓷敏感陶瓷：热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷、压敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化学功能陶瓷：载体用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷（2）结构陶瓷结构陶瓷材料具有优良的耐高温抗磨损性能，作为高性能机械结构零件新材料显示出广阔的应用前景。结构陶瓷材料的应用1.陶瓷刀具2.陶瓷发动机3.陶瓷装甲4.陶瓷轴承（3）一些典型先进陶瓷材料及其用途（4）延性金属材料与脆性先进陶瓷材料的部分物理特性超精密加工之气囊抛光宗述

4.1气囊抛光的背景4.2气囊抛光技术综述4.3气囊抛光机床的发展状况4.4抛光机床数控系统的实现方案比较姓名：学号4超精密加工之气囊抛光

4.1气囊抛光的背景近年来，光学制造技术取得了长足的发展和进步，精密与超精密的光学元件在航空航天、军事以及民品有着越来越广泛的应用。由于传统抛光方法侧重于手工操作的加工方法，加工工艺随意，在加工光学曲面元件时，存在工艺和管理费用高、加工效率低、废品率高等缺点。因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研发。为了克服传统抛光方法的缺点，提高光学元件加工的效率，人们在寻找新的光学元件加工工艺方法来满足光学元器件的质量要求。气囊抛光就是新兴的光学表面精密加工方法之一，它利用气囊的柔性去适应各种曲面，其原理上可适用于抛光任何几何形状的光学零件，是一种发展前景广阔的的确定性抛光方法。

4.2气囊抛光技术综述20世纪90年代，伦敦学院大学光学科学实验室和Zeeko有限公司联合提出气囊式抛光技术，并开展了气囊抛光技术的相关研究，取得了一系列的成果。国内研究处于初期。气囊抛光理论

伦敦大学光学实验室提出采用“进动”气囊抛光理论，所谓“进动”是指抛光时气囊抛光头与接触区法线倾斜，抛光头旋转的同时又绕着接触区法线旋转，这样可使抛光均匀；其次对气囊抛光驻留时间理论和抛光面形控制算法进行了改进，采用数字化算法对气囊抛光面形精度进行优化。(2)气囊抛光工具气囊抛光使用的抛光工具是柔性胶皮气囊，为球冠形状，通过控制内部充气压力控制气囊的柔度，工具气囊具有弹性可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光不同外形的曲面。其外表面包有聚氨酯抛光布、抛光垫等，主要由抛光膜、加强层、气囊层组成；而且在气囊上安装传感器，在加工过程中可以及时获得抛光接触区信息。抛光工件时，气囊以进动方式运动，使工件接触表面均匀抛光，气囊磨料薄膜层均匀磨损。(3)气囊抛光工艺伦敦大学光学实验室针对不同材料进行气囊抛光工艺实验，达到的效果如下表所示，从表中看出气囊抛光的实验结果令人满意，说明气囊抛光技术是一种有效的加工方法，值得我们深入研究。气囊抛光能达到的表面粗糙度（4）国内的研究现状我国对气囊抛光技术研究是在21世纪后，不但在加工的基础理论方面，而且在加工设备，加工工艺，加工工具以及辅料等方面都取得了可喜成果。近几年来，浙江工业大学对机器人气囊抛光技术进行了研究，采用Motoman-HP20型机器人控制气囊抛光[14]，选择工件材料为模具钢Gr12MoV，其被抛光曲面表面粗糙度达到了0.007µm，并获得了表面粗糙度的不同影响因素的最优参数组合。浙工大Motoman-HP20气囊抛光机床哈尔滨工业大学数字化制造技术研究室也对气囊抛光技术进行了研究，已经取得了许多主要研究成果。比如：研制了气囊式抛光实验样机；对工件材料K9光学玻璃进行气囊抛光实验研究，经WYKO检测，粗糙度达到了Ra=1.8nm。国内虽然在这方面做了大量的研究，由于起步较晚，气囊抛光加工技术至今还没有在实际中推广应用。4.3气囊抛光机床的发展状况应用气囊抛光技术理论和实验的研究成果，伦敦大学光学实验室与Zeeko公司合作研制了IRP系列气囊式抛光机床。2000年研制了IRP200抛光机床，随后又相继研制了IRP400、IRP600、IRP800、IRP1200系列抛光机床。Zeeko公司生产的IRP200机床Zeeko公司生产的IRP400机床Zeeko公司生产的IRP800机床Zeeko公司生产的IRP1200机床(1)气囊抛光机床结构IRP系列抛光机床XYZ轴控制气囊和工件的相对位置，HAB轴用来控制气囊的旋转和进动，其中AB轴为虚轴，C轴用来控制工件自身的旋转。IRP200的抛光机床采用的是卧式结构，其他系列机床中采用立式结构。从表中数据我们可以看出机床的加工范围逐渐增大，这说明该公司已经掌握了气囊抛光机床的精度控制技术。(2)气囊抛光机床性能2002年，针对IRP600气囊抛光机床的性能在工业生产环境下做了许多抛光实验。首先在Zeeko机床上对工件进行了“形状保留”的预抛光，以去除上道工序留下粗糙划痕，然后使用经过优化的面形控制代码修整预抛光后的表面。抛光过程结束后，运用TaylorHobson轮廓仪进行检测，抛光表面的峰-谷值是0.19µm，表面粗糙度用TaylorHobsonCCI检测，所测结果为Ra=1.8nm。粗抛光材料的去除率为2.0mm3/min，精抛光材料的去除率为0.25mm3/min。2008年生产的IRP1200通过7轴数控控制，能够完成加工零件尺寸为1200×1200mm，已经商业化支持相机元件等生产，进而走上实际应用的道路。(3)气囊抛光机床辅助功能Zeeko公司与此同时开发了与机床匹配的软件辅助系统，主要有ZeekoTPG、Precessions、MetrologyToolkit三大系统。ZeekoTPG系统提供曲面设计、刀具路径规划模块、几何补偿、表格校正模块等功能；Precessions系统提供计量接口、影响函数数据库、优化模块和并行处理模块功能等；MetrologyToolkit系统计量接口、基本几何建模、先进的数据处理、结合数据分析、点云数据拼接、加工补偿、数据可视化等功能。这些系统可通过GUI接口与机床连接，十分方便的指导机床加工。由此看出，Zeeko公司气囊抛光机床的发展已经达到了一个从工件加工、检测、加工补偿一体化与加工过程可控的程度。4.4抛光机床数控系统的实现方案比较以精密以及非球曲面光学加工需要的不断增长为背景，开发镜面加工的计算机数控系统的关键技术正迅猛发展。CNC控制技术应用于超精密加工机床显得尤为重要，由于各种抛光方式的特殊要求，很难有一种数控系统适用于所有抛光机床，目前超精密抛光机床的数控系统有以下四种实现方案:独立开发数控系统这种方案的实现方式采用“PC机+运动控制卡+伺服驱动器+传感器”的开放式控制结构，即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，以PC为硬件平台作为数控系统。浙江工业大学的气囊抛光机床采用的是这种控制方案。(2)利用现有的数控系统这种方案的实现方式是PC连接NC，将现有原型CNC与普通的PC机用通用串行线直接相连。用户可以利用PC机上的使用通用软件进行处理，将数据传递到FAUC或SIMENS数控系统中，最后在利用数控机床进行加工。(3)开放数控系统PC嵌入型NC这种方案是在专用数控系统中嵌入PC技术，PC与CNC之间通过专用总线连接，PC板主要运行非实时控制任务，比如人机接口、程序管理等，而NC则是数控系统的核心CNC的核心开发工具NCK并不提供给中国，因此难实现数控系统开发，国内类似的产品有哈量引进的LINKS-EXE700。(4)全软件开放数控系统这种方案是由完全PC全软件数控系统实现，NC功能由PC完成，数控系统采用操作系统与实时内核相结合的的方式，并通过装在PC扩展槽中的接口卡和I/O端口实现各模块控制。抛光机床数控系统的实现方案比较气囊抛光气囊表面包覆材料气囊抛光加工原理气囊抛光实验平台引言5气囊抛光实验的论述和介绍5.15.25.35.4气囊抛光实验的论述和介绍非球面光学元件广泛应用于航天、航空、国防等工业。由于非球面光学元件的曲率半径随着空间坐标系的变化而各不相同,获得高精密非球曲面零件是国内外学者面临的难题。近年来新的抛光方法迅速发展起来,主要有小工具抛光方法、磁流变抛光、应力盘抛光、离子束抛光、计算机控制光学表面成型技术等.现有的主流抛光方法--数控抛光方法存在的显著缺点是抛光头不能很好地和工件吻合。5.1引言气囊式抛光技术采用具有一定充气压力的球形气囊作为抛光工具,不仅可以保证抛光头与被抛光工件表面吻合性好,而且可以通过调节压力,控制抛光效率和被抛光工件的表面质量,是一种具有发展潜力的非球曲面抛光方法.是至今所发现的少数可成功用于自由曲面自动化抛光的先进技术之一，十分适合与机器人等自动化机械配合使用，实现自由曲面的自动化抛光。5.2气囊抛光加工原理气囊抛光采用了特殊的抛光头结构，抛光头为球形气囊，外表面粘贴聚氨酯抛光垫，装于旋转的工作部件上，形成封闭的腔体，内部充入低压气体。气囊抛光模在抛光时，其旋转轴与工件表面局部法线成一角度，由气囊抛光模凸起的一个侧面与工件表面接触，避免了传统同轴旋转抛光中心速度为零的缺点。

5.2.1气囊运动方式与尺寸所以气囊的球面半径R取值为N为垂直于工件局部表面的法线，H是气囊旋转轴，对工件上某点进行加工时，气囊旋转轴绕工件表面某点局部法线以一定的角度连续旋转，当气囊旋转轴H移动时，其绕法线N夹角Q保持恒定“进动”，在空间扫过一个圆锥面的轨迹。理论上讲，工件在各个方向上都可被均匀抛光，从而获得无明显抛光擦痕的高精度的表面；零件自身也能旋转，而抛光头高速旋转获得较高的去除率。抛光气囊的路径、速度和压力可以通过计算机进行控制。这种抛光压力和接触面积的连续变化的能力，决定了机床具有抛光球面和非球面的能力，且可实现的加工表面范围十分广泛，甚至是任意自由曲面5.2.2气囊不同运动方式的比较‘进动’工艺使得工件表面在不同方向上得以抛光9因此能够产生较高的面形质量。‘进动’抛光还克服了抛光头垂直抛光的方法中比较容易产生高空间频率和中心点零去除率的缺