高速切削课件

高速切削课件第一节超高速加工技术一、超高速加工的概念与内涵超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。概括地说，超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切除率，并保证加工精度和加工质量的现代

第2页,共124页，2024年2月25日，星期天

制造加工技术，其切削速度通常比常规高10倍左右。德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)博士于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。图3-19所示为“萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内(图3-19中A区)，切削温度随着切削速度的增大而提高。第3页,共124页，2024年2月25日，星期天图3-19萨洛蒙曲线

第4页,共124页，2024年2月25日，星期天

在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。Salomon的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”(图3-19中B区)在超高速区内(图3-19中C区)进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。第5页,共124页，2024年2月25日，星期天表6-3不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围

第6页,共124页，2024年2月25日，星期天

应当指出的是，超高速加工的切削速度不仅是一个技术指标，而且是一个经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度，而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高切削速度是没有工程意义的。目前定位的经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％，第7页,共124页，2024年2月25日，星期天

以此来衡量高切削速度的合理性。二、超高速加工技术的现状及发展趋势自20世纪30年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到20世纪90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；21世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。第8页,共124页，2024年2月25日，星期天

工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件。超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。第9页,共124页，2024年2月25日，星期天目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国GE公司于20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。第10页,共124页，2024年2月25日，星期天

20世纪90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为，随着新刀具(磨具)材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。第11页,共124页，2024年2月25日，星期天世界许多著名公司的加工中心，如美国的Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司，其标准主轴转速配置可达8000～10000r/min，可选的20000r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到40～60m/min，加速度达到1g，工作进给可达到30m/min以上，定位精度达到20～25μm。第12页,共124页，2024年2月25日，星期天

采用直线电机的进给驱动系统，快速进给可以达到160m/min，进给加速度达到2.5g以上，定位精度高达0.05～0.5μm甚至更高。这些加工中心的刀具到刀具的换刀时间小于1s，切削到切削的换刀时间小于2.4s，托盘交换时间小于10s。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000～40000r/min，工作台快速移动速度为36～40m/min。第13页,共124页，2024年2月25日，星期天高速磨削在20世纪60年代初，砂轮磨削速度曾一度达到90m/s，但更多的还是在45～60m/s之间。德国居林公司1983年制造出了当时世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨床，即HEDG磨床，其主轴功率为60kW，砂轮直径为400mm，砂轮转速为10000r/min，vs达到100～180m/s。第14页,共124页，2024年2月25日，星期天

Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。

近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域(如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应的研究成果。第15页,共124页，2024年2月25日，星期天

50m/s高速磨削研究起始于1958年，近20年来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削速度曾达到250m/s，但离产业化还有一段距离。目前工业应用的磨削速度未能超过100m/s。显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差距很大。

三、超高速加工技术的优势1.超高速切削加工的优越性(1)加工效率高。第16页,共124页，2024年2月25日，星期天(2)切削力小。(3)热变形小。(4)加工精度高。(5)工艺系统振动减小。(6)减少后续加工工序。(7)良好的技术经济效益。第17页,共124页，2024年2月25日，星期天2.超高速磨削加工的优越性(1)可以大幅度提高磨削效率。(2)磨削力小，零件加工精度高。(3)可以获得低粗糙度表面。(4)可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化。(5)可以改善加工表面的完整性。第18页,共124页，2024年2月25日，星期天四、超高速切削的相关技术图6-20超高速切削的相关技术

第19页,共124页，2024年2月25日，星期天1.超高速切削的刀具技术1)超高速切削的刀具材料(1)涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。第20页,共124页，2024年2月25日，星期天

硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800℃。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。第21页,共124页，2024年2月25日，星期天

(2)金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC＋Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC＋TaC＋WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC)等。金属陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。第22页,共124页，2024年2月25日，星期天

(3)陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min的切削第23页,共124页，2024年2月25日，星期天

速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁等。

(4)PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧性。PCD材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应用。第24页,共124页，2024年2月25日，星期天

PCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金刀具10～500倍。(5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，它的突出优点是热稳定性(140℃)好，化学惰性大，在1200～1300℃下也不发生化学反应。第25页,共124页，2024年2月25日，星期天CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件，是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。

PCBN的制造方法与PCD相同。PCBN主要用于加工黑色金属等难加工材料，特别适于切削HRC45～65的淬硬钢、耐热合金、高速钢(HSS)、灰铸铁等。第26页,共124页，2024年2月25日，星期天

PCBN、PCD是超高速切削中工作寿命最长的刀具，但PCBN、PCD对振动比较敏感，在应用中机床结构和工件夹持状况对刀具寿命有很大影响。2)超高速切削刀具的结构超高速切削刀具的结构主要从加工精度、安全性、高效方面考虑，如超高速刀具的几何结构和刀具的装夹结构。第27页,共124页，2024年2月25日，星期天

为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力，刀具的几何角度必须选择最佳数值。如超高速切削铝合金时，刀具最佳前角数值为12°～15°，后角数值为13°～15°；超高速切削钢材时，对应的是0°～5°和12°～16°，铸铁对应的是0°和12°，铜合金是8°和16°；超高速切削纤维强化复合材料时，最佳前角数值为20°，后角为15°～20°。第28页,共124页，2024年2月25日，星期天

用于超高速切削(n＞6000r/min)的可转位面铣刀由于刀体和可转位刀片均受很大的离心力作用，通常不允许采用摩擦力夹紧方式，而必须采用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧，并控制螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受预应力的大小。刀片、刀座夹紧力方向最好与离心力方向一致。第29页,共124页，2024年2月25日，星期天

刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高度，选用比重轻、强度高的材料。铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中；还应减少机夹零件的数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线。超高速回转刀具还应提出动平衡要求。第30页,共124页，2024年2月25日，星期天高速切削不仅要求刀具本身具有良好的刚性、韧性、动平衡性和可操作性，同时对刀具与机床主轴间的连接刚性、精度和可靠性都提出了严格的要求。当主轴转速超过15000r/min时，由于离心力的作用将使主轴锥孔扩张，刀柄与主轴的连接刚度会明显降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。第31页,共124页，2024年2月25日，星期天

为了满足高速旋转时不降低刀柄的接触精度，一种新型的双定位刀柄已在高速切削机床上得到应用。这种刀柄的锥部和端面同时与主轴保持面接触，定位精度明显提高，轴向定位重复精度可达0.001mm。这种刀柄结构在高速转动的离心力作用下会更牢固地锁紧，在整个转速范围内保持较高的静态和动态刚性。图3-21所示的德国HSK刀柄就采用这种结构。第32页,共124页，2024年2月25日，星期天图3-21HSK刀柄结构(a)刀柄结构原理；(b)刀柄结构型式

第33页,共124页，2024年2月25日，星期天

HSK刀柄结构采用1∶10锥度，刀柄为中空短柄，如图3-21所示。其工作原理是靠锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求可低一些。但中空刀柄结构也使其刚度和强度受到一定影响。HSK整体式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有A型、B型、C型、D型、E型、F型等六种型式，如图3-21(b)所示。第34页,共124页，2024年2月25日，星期天2.超高速切削机床1)超高速切削的主轴系统超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，即分离式高速主轴与内装式电主轴。第35页,共124页，2024年2月25日，星期天

分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内。第36页,共124页，2024年2月25日，星期天

这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，因而把主传动链的长度缩短为零。我们称这种新型的驱动与传动方式为“零传动”。超高速电主轴如图3-22所示。第37页,共124页，2024年2月25日，星期天第38页,共124页，2024年2月25日，星期天图6-22超高速电主轴

第39页,共124页，2024年2月25日，星期天第40页,共124页，2024年2月25日，星期天集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因而减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。同时，集成式主轴也简化了机床设计中一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，容易实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：第41页,共124页，2024年2月25日，星期天(1)有很大的驱动功率和扭矩；(2)有较宽的调速范围；(3)有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。国外超高速主轴单元的发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到10000r/min，甚至更高。第42页,共124页，2024年2月25日，星期天

美国福特汽车公司推出的HVM800卧式加工中心主轴单元采用液体动静压，轴承最高转速为15000r/min。瑞士米克朗公司作为铣削行业的先锋企业，一直致力于超高速加工机床的研制开发，先后推出了主轴转速42000r/min和60000r/min的超高速铣削加工中心。我国北京第一机床厂的VRA400立式加工中心，其主轴转速也达到了20000r/min，快速移动速度X、Y轴为48m/min，第43页,共124页，2024年2月25日，星期天Z轴为24m/min。

2)超高速轴承技术轴承是超高速主轴系统的核心零部件。超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。因滚动轴承有很多优点，故多数超高速铣床主轴上采用的是滚动轴承，轴承滚珠由氮化硅陶瓷制成。第44页,共124页，2024年2月25日，星期天

陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、超高温时尺寸稳定、耐腐蚀、弹性模量比钢高、非磁性等优点；缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。气浮轴承主轴的优点在于具有高回转精度、高转速和低温升，其缺点是承载能力较低，因而主要适用于工件形状精度较高、所需承载能力不大的场合。第45页,共124页，2024年2月25日，星期天

液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高，回转误差一般在0.2μm以下；动态刚度大，特别适合于像铣削这样的断续切削过程。但液体静压轴承的最大不足是高压液压油会引起油温升高，造成热变形，影响主轴精度。

磁悬浮轴承采用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其间隙一般在0.1mm左右。第46页,共124页，2024年2月25日，星期天

由于空气间隙的摩擦热量小，因此磁悬浮轴承可达到更高的转速，其转速特征值可达4.0×106mm·r/min以上，为滚动轴承主轴的两倍。高精度、高转速和高刚度是磁悬浮轴承的优点；但由于机械结构复杂，需要一整套传感器系统和控制电路，因而其造价也是滚动轴承主轴的两倍。第47页,共124页，2024年2月25日，星期天3)超高速切削机床的进给系统超高速切削进给系统是评价超高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。第48页,共124页，2024年2月25日，星期天

传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杆本身结构的限制，因而进给速度和加速度一般比较小。目前进给系统采用滚珠丝杠结构的加工中心最高的快速进给速度是60m/min，工作进给速度是40m/min。

直线电机驱动系统如图3-23所示。第49页,共124页，2024年2月25日，星期天

直线电机直接驱动时，把电机平铺下来，电机的动子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动。直线驱动最高加速度可提高到1g以上，加速度的提高可大大提高盲孔加工、任意曲线曲面加工的生产率。第50页,共124页，2024年2月25日，星期天第51页,共124页，2024年2月25日，星期天图3-23直线电机驱动系统(a)原理图；(b)外形图

第52页,共124页，2024年2月25日，星期天直线电机直接驱动的优点是：

(1)控制特性好，增益大，滞动小，在高速运动中保持较高的位移精度；

(2)高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100～180m/min；

(3)高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达2～10g；

(4)无限运动长度；第53页,共124页，2024年2月25日，星期天(5)定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.1～0.01μm；(6)起动推力大(可达12000N)；(7)由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳；(8)有较大的静、动态刚度。第54页,共124页，2024年2月25日，星期天直线电机直接驱动的缺点是：(1)由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，故需附设冷却系统；(2)存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；(3)有较大功率损失；(4)缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；(5)由于磁吸力作用，造成装配困难；(6)系统价格较高。第55页,共124页，2024年2月25日，星期天4)超高速切削机床结构的变化随着高速加工的不断发展，机床设计思想有了重大突破，新型的并联虚拟轴机床诞生。高速切削的基本要求是刀具与工件间相对运动的速度要快，即高切削速度、高进给速度、高加速度。高速度必然导致运动部件轻型化。由于主轴和刀具与工件相比，一般重量小而且基本确定，因而机床设计在构思上趋于让工件处于静止而让主轴和刀具运动。第56页,共124页，2024年2月25日，星期天

新型并联虚拟轴机床六杆并联机床结构原理如图6-24所示。美国Ingersoll公司研制的六杆并联机床如图3-25所示。第57页,共124页，2024年2月25日，星期天图3-24六杆并联机床结构原理第58页,共124页，2024年2月25日，星期天第59页,共124页，2024年2月25日，星期天第60页,共124页，2024年2月25日，星期天第61页,共124页，2024年2月25日，星期天这种机床的优点是：(1)结构简单、刚性好，采用框架结构和伸缩杆的球头万向节联结，各杆只受拉力或压力；(2)运动和定位精度高，机床无导轨，主轴头的运动、定位精度不受其他部件影响；(3)运动质量小，可以高速度运动；(4)对构架的制造、装配无特别精度要求。第62页,共124页，2024年2月25日，星期天它的主要缺点是：(1)测量控制的计算量大，即便是简单的直线运动或绕某一轴线转动也须六轴联动；(2)与同样结构尺寸的机床相比其工作空间较小；(3)目前价格很高。第63页,共124页，2024年2月25日，星期天五、超高速磨削的相关技术1.超高速磨削砂轮1)超高速磨削砂轮的材料超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点。超高速磨削砂轮可以使用Al2O3、SiC、CBN和金刚石磨料。从超高速磨削的发展趋势看，CBN和金刚石砂轮在超高速磨削中所占的比重越来越大。第64页,共124页，2024年2月25日，星期天

超高速磨削砂轮的结合剂可以是树脂、陶瓷和金属结合剂。20世纪90年代，采用陶瓷或树脂结合剂、Al2O3、SiC或CBN磨料的砂轮其线速度可达125m/s，极硬的CBN或金刚石砂轮的使用速度可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮的线速度可达250m/s左右，甚至更高。

2)超高速砂轮的修整超高速单层电镀砂轮一般不需修整。特殊情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石第65页,共124页，2024年2月25日，星期天修整器对个别高点进行微米级修整。试验表明，当修整轮进给量在3～5μm时不仅保证了工件质量，而且可以延长砂轮寿命。超高速金属结合剂砂轮一般采用电解修锐。超高速陶瓷结合剂砂轮的修整精度对加工质量有重要影响。日本丰田工机在GZ50超高速外圆磨床的主轴后部装有全自动修整装置，金刚石滚轮以25000r/min的速度回转，第66页,共124页，2024年2月25日，星期天采用声发射传感器对CBN砂轮表面接触进行检测，以0.lμm的进给精度对超高速砂轮进行修整。

2.超高速主轴和超高速轴承

1)超高速电主轴技术超高速磨削主要采用大功率超高速电主轴。高速电主轴惯性扭矩小，振动噪声小，高速性能好，可缩短加减速时间，但它有很多技术难点。第67页,共124页，2024年2月25日，星期天从精度方面看，如何减小电动机发热以及如何散热等将成为今后研究开发的课题，其制造难度所带来的经济负担也是相当大的。目前，德国Fa.Hoffmann公司正在进行高速磨削试验，为实现500m/s的线速度，采用最大功率为25kW的高速主轴，使其能在30000r/min和40000r/min转速下正常工作。日本一家轴承厂采用内装AC伺服电机研制了一种第68页,共124页，2024年2月25日，星期天超高速磨头，在250000r/min高速下也能稳定工作。2)超高速轴承技术高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。目前国外多数高速磨床采用的是滚动轴承。德国FAG轴承公司开发了HS70和HS719系列的新型高速主轴轴承，它将球直径缩小至70％，增加了球数，从而提高了轴承结构的刚性。第69页,共124页，2024年2月25日，星期天

采用空心滚动体可减少滚动体质量，从而减小离心力和陀螺力矩。为减少外围所受的应力，还可以使用拱形球轴承。日本东北大学庄司研究室开发的CNC超高速平面磨床使用陶瓷球轴承，主轴转速为30000r/min。日本东芝机械公司在ASV40加工中心上采用了改进的气浮轴承，在大功率下实现30000r/min主轴转速。第70页,共124页，2024年2月25日，星期天

德国Kapp公司采用的磁悬浮轴承砂轮主轴，转速达到60000r/min。德国GMN公司的磁悬浮轴承主轴单元的转速最高达100000r/min以上。此外，液体动静压混合轴承也已逐渐应用于高效磨床。3.超高速磨削的砂轮平衡技术与防护装置超高速砂轮的基盘通常经过精密或超精密加工，仅就砂轮而言不需要平衡。但是砂轮在主轴上的安装、螺钉分布、法兰装配甚至第71页,共124页，2024年2月25日，星期天磨削液的干涉等都会改变磨削系统原有平衡。对于超高速砂轮系统不能仅仅进行静平衡，还必须根据系统及不平衡质量划分平衡阶段，进行分级动平衡以保证在工作转速下的稳定磨削。超高速磨削中，砂轮的平衡主要采用自动在线平衡技术，即砂轮在工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作。第72页,共124页，2024年2月25日，星期天根据自动平衡装置的平衡原理和结构形式的不同，砂轮自动平衡技术可分为机电式、液体注入式和液汽式三种。1)机电式自动平衡技术

20世纪80年代末，美国SchmitIndustries公司生产出了一种被誉为“世界上最先进的磨床在线砂轮平衡系统”—SBS电脑化磨床砂轮平衡系统。第73页,共124页，2024年2月25日，星期天

该系统由微机控制微电机来移动平衡装置内部的微小重块从而修正砂轮的不平衡量，如图3-26所示。日本研制出一种光控平衡仪，这种平衡技术也是通过微机控制平衡装置内部的传动机构和驱动元件来移动平衡块的，驱动元件的动作通过受光元件接受砂轮罩上发光元件发出的信号控制。第74页,共124页，2024年2月25日，星期天第75页,共124页，2024年2月25日，星期天2)液体注入平衡技术德国Hoffmann公司和HermingHausen工厂设计了砂轮液体自动平衡装置，在砂轮的法兰盘上加工或安装容量一定的4个储水腔，均匀分布于不同象限，每一个进水槽与一个由电磁阀控制的喷水嘴相对应，因此通过不同的喷水嘴就可向不同的储水腔注入一定量的液体，从而改变砂轮不同象限的质量，实现砂轮的动平衡。第76页,共124页，2024年2月25日，星期天

日本KURENOTRON公司把液体注入式砂轮平衡装置与微机控制高精度砂轮装置有机结合，生产出称为BalanceDoctor的全自动砂轮平衡系统，该系统能按机床自动或全自动指令完成砂轮动平衡。3)液汽式平衡技术美国BalanceDynamicsCornoration研制成功一种采用氟里昂作为平衡介质的Baladyne型液汽砂轮平衡装置，第77页,共124页，2024年2月25日，星期天

这种平衡装置在砂轮法兰盘上有四个密封腔，每个腔内分别装有氟里昂液，相对的密封腔通过输送管相连，管道只允许汽化的氟里昂通过。工作时，对不平衡量所在相位的密封腔用电气加热，使腔内液体氟里昂汽化流入对面的不平衡腔内，补偿不平衡量，使砂轮获得平衡。这个平衡装置的控制器采用整套的CMOS集成电路，并附加一个转速表，监控主轴转速。第78页,共124页，2024年2月25日，星期天第二节微细加工技术20世纪80年代,出现了一门新兴学科—微机械。微机械是指可以批量制作的，集微型机械、微传感器、微能源、微制动器、微控制器、微执行器、信号处理、智能控制等于一体的微型装置或系统，美国称其为MEMS（MicroEechanicalSystem),日本称其为(Micromachine,MM)，欧洲叫做微系统（Microsystem,MS)。微机械外型特征尺寸第79页,共124页，2024年2月25日，星期天范围为1nm~10nm，具有高精度、微型化、集成化、高效低耗等特点，广泛应用于生物医学、航空航天、国防、工农业、交通、信息、家庭等，其应用前景不可估量。微细加工（Fabrication)起源于半导体制造工艺,原来指加工尺寸在微米级范围内的加工方式，曾广泛应用于大规模集成电路的加工制作并由此涉及更广泛的领域。在微机械研究领域中，微细加工技术已经成第80页,共124页，2024年2月25日，星期天为其前沿关键技术之一，它是微米级、亚微米级微细加工的通称。微细加工具备精密和超精密加工的特征。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束加工方式。从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工、接合加工、变形加工、材料处理或改性。目前，微机械微细加工得到的埃菲尔铁塔的第81页,共124页，2024年2月25日，星期天微模型，旁边摆放了一枚曲别针以示对照。图3-46三维微细加工得到的铁塔微模型第82页,共124页，2024年2月25日，星期天一、光刻技术光刻加工又称光刻蚀加工或刻蚀加工，简称刻蚀，是微细加工中广泛使用的一种加工方法，主要用于制作半导体集成电路，用它制造的微机械零件有：刻线尺、微电机转子、摄像管的帘栅网等。光刻加工过程如图3-47所示。光刻加工可分为两个阶段：第83页,共124页，2024年2月25日，星期天(a)涂胶(b)曝光(c)显影、烘片(d)蚀刻(e)剥膜

第84页,共124页，2024年2月25日，星期天第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，为光刻时的模板；第二阶段为光刻。光刻加工的主要过程介绍如下。(1)涂胶：把光致抗蚀剂涂敷在已镀有氧化膜的半导体基片上。(2)曝光：通常有两种方法，一种是由光源发出的光束经掩膜在光致抗蚀剂上成像，称为投影曝光；第85页,共124页，2024年2月25日，星期天另一种是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。常用的光源有电子束、离子束等。

(3)显影与烘片：将曝光后的光致抗蚀剂浸在一定的溶剂中，将曝光图形显示出来，称为显影；显影后进行200～250℃的高温处理，以提高光致抗蚀剂的强度，称为烘片。第86页,共124页，2024年2月25日，星期天(4)刻蚀：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、电解刻蚀等。(5)剥膜(去胶)：用剥膜液去除光致抗蚀剂。剥膜后需进行水洗和干燥处理。二、高能束刻蚀技术

1.电子束刻蚀利用电子束的化学效应进行刻蚀。用功率密度相当低的电子束照射工件表面，第87页,共124页，2024年2月25日，星期天几乎不会引起表面温升，入射的电子与高分子材料的分子相碰撞时，会使其分子链断开或重新聚合，从而引起高分子材料的化学性质和分子量发生改变。利用这种效应，可以进行电子束曝光。曝光主要分两种：一种为电子束扫描型电子束曝光，即将聚焦在1μm以内的电子束在大约0.5～5mm的范围内扫描，可以曝光出任意图形；第88页,共124页，2024年2月25日，星期天

另一种为缩小投影型电子束曝光，即使电子束先通过掩膜板，再以1/5～1/10的比例缩小后投影到电子抗蚀剂上，进行大规模集成电路图形曝光。电子束刻蚀是目前最好的高分辨率图形制作技术，在实验室条件下，最高能达到2nm的特征尺寸，在生产中，一般也可达到0.5～1μm的特征尺寸。第89页,共124页，2024年2月25日，星期天

电子束加工要在真空条件下进行。在真空环境中，电子能高速运动，阴极不氧化，并可避免加工表面被蒸气氧化。因为需要在真空中进行，所以电子束刻蚀有一定的局限性。2.离子束刻蚀离子束刻蚀是利用惰性气体元素或其他元素的离子在电场中加速成高速离子束流，以其动能进行各种微细加工的方法，第90页,共124页，2024年2月25日，星期天是一种在亚微米甚至毫微米级精度的加工中大有发展前途、工艺能力广泛的加工方法。其加工方法分为以下4种。

(1)去除加工。首先把氩、氪或氙等惰性气体充入低真空度的电离室中，用高频放电或直流放电使之等离子化(即正离子数与负离子数相等的混合体)，在加速电极的作用下，离子从等离子体中呈束状被拉出来，第91页,共124页，2024年2月25日，星期天从工件表面打出原子或分子来，这样可以直接完成工件加工面或图形的刻蚀。离子铣、离子抛光、离子减薄及离子溅射都采用这种原理。(2)镀膜加工。把低能量的入射离子附着在工件表面上的微细加工称为离子附着加工。较典型的离子附着加工是离子镀膜加工。离子镀膜时，利用离子束冲击出来的原子或分子以极大的能量粘附在工件表面，第92页,共124页，2024年2月25日，星期天

因此镀覆强度高，镀层质量好。利用离子镀膜技术可以制成耐磨、耐蚀、耐热的表面强化膜以及电子、半导体和集成电路用薄膜。(3)注入加工。离子注入是将离子加速到数十至数百千电子伏特(keV)能量后，轰击工件表面，到达工件表面层的高速离子进入原子间隙或以置换原子的形式嵌入工件表层并保留在表层的过程。第93页,共124页，2024年2月25日，星期天

在集成电路制作中，离子注入能控制掺杂量而使集成电路获得均匀的电参数；在零件制造中，采用离子注入工艺可实现金属表层改性。(4)离子束写图。电子束曝光时，影响分辨率的主要因素是感光胶的灵敏度、二次电子的产生和衬底的反射电子。离子的质量远大于电子，在固体中散射小，在基片上产生的背散射作用弱，引起的邻近效应小，第94页,共124页，2024年2月25日，星期天因此能制作线宽小于0.1μm的精密微细图形。由于离子质量大，颗粒大，进入抗蚀剂后受到的阻力也大，故射程要短，因此离子能量被抗蚀剂充分吸收，使抗蚀剂的灵敏度增大。3.等离子刻蚀离子束刻蚀是一种以物理作用为主的刻蚀工艺。等离子刻蚀则是一种以化学反应为主的刻蚀工艺。等离子刻蚀中应用的是低温等离子体，在这种等离子体中，游离基的第95页,共124页，2024年2月25日，星期天化学性质十分活泼，利用它与被刻蚀材料的化学反应达到刻蚀薄膜材料的目的。4.激光刻蚀激光刻蚀主要采用固体激光器，CO2激光器波长较长，一般不适于微细加工。从理论上讲，激光光点的直径可以聚焦到1μm，但现在使用的激光工作物质，由于材料质量不均匀及内部温度分布不均匀等因素的影响，因而所形成的激光易产生多重振荡或偏心振荡，第96页,共124页，2024年2月25日，星期天使激光发散角增大，很难聚焦到1μm左右。不过，由于在焦面上的强度分布有一个窄的能量集中带，这样就存在一个能够用来进行加工的能量密度的阈值，故能加工出比束斑直径小的孔。激光打孔的孔径可以小到10μm左右，深径比达5∶以上。影响激光刻蚀精度的主要因素有输出功率和脉宽、焦距和发散角、焦点的位置、光斑内能量的分布、激光多次照射及工件的材料等。第97页,共124页，2024年2月25日，星期天图3-48激光加工微型工件实例(a)激光在钛合金管上切的槽；(b)激光在头发上刻的字

第98页,共124页，2024年2月25日，星期天三、LIGA技术

LIGA技术的工艺过程如图3-49所示。

(1)深层同步辐射X射线光刻：把从同步加速器放射出的具有短波长和很高平行性的X射线作为曝光光源，可在最大厚度达500μm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体。

(2)电铸成型：根据电镀原理，在胎模上沉积一定厚度的金属以形成零件。胎模为阴极，要电铸的金属为阳极。第99页,共124页，2024年2月25日，星期天第100页,共124页，2024年2月25日，星期天用曝光蚀刻的图形实体作电铸的模具，生成铸型。(3)注射成型：以生成的铸型作为注射成型的模具，即能加工出所需的微型零件。

LIGA法可以制作各种微器件和微装置，材料可以是金属、陶瓷和玻璃等，可以制作最大高度1000μm、槽宽0.5μm以上、高宽比大于200的立体微结构，刻出的图形侧壁陡峭，表面光滑。第101页,共124页，2024年2月25日，星期天

图3-50所示是使用LIGA技术制造的光刻胶模型和微器件。图3-50使用LIGA技术制造的微器件(a)光敏件微器件；(b)电铸微器件

第102页,共124页，2024年2月25日，星期天四、牺牲层技术牺牲层技术(SacrificialLayerTechnology)也叫分离层技术。牺牲层技术在硅基板上用化学气相沉积方法形成所需的微型部件，在部件周围的空隙中添入分离层材料(如SiO2)，最后用溶解或刻蚀法去除分离层，使微型部件与基板分离，也可以制造与基板略为连接的微机械，如微静电电机、微齿轮、曲轴和振动传感器的微桥接片等。第103页,共124页，2024年2月25日，星期天五、硅微细加工技术

1.集成电路光刻集成电路的光刻工艺过程为：先对基片(多采用硅片)氧化处理形成SiO2保护膜；然后在保护膜上涂感光胶；利用掩膜在规定的光源下曝光、显影；用腐蚀剂刻蚀保护膜的窗口部分；最后去除感光胶而获得和掩膜上的图形相同的微细图形。第104页,共124页，2024年2月25日，星期天影响图形最小特征尺寸(分辨率)的因素有：感光胶的曝光特性、胶层的厚度及均匀性、光源光束对感光胶层的曝光特性(衍射、散射)、显影与腐蚀处理工艺过程、曝光方式等。其中曝光方式包括接触式、接近式和投影式三种。接触式曝光可得到小于1μm的精度，但不适用于大批量生产，因为掩膜在曝光过程中承受机械负载，接触面很容易被颗粒划伤；第105页,共124页，2024年2月25日，星期天

接近式曝光中，在掩膜和基片间有20～50μm的间隙，这减少了掩膜的磨损，但由于衍射效应，因而精度限制在2μm