机械制造工艺学课件第7章-精密、超精密及微细加工工艺

第7章精密、超精密及微细加工工艺1现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该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。超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。7.1概述2目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下：加工等级加工精度表面粗糙度Ra加工举例一般加工10μm0.3~0.8μm如车、铣、刨、磨、镗、铰等，适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。精密加工10~0.1μm0.3~0.03μm如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。适用于精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。超精密加工0.1~0.01μm0.03~0.05μm如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。纳米加工<0.005μm其加工方法大多己不是传统的机械加工方法，而是诸如原子分子单位加工等方法。3超精密加工技术所涉及的技术领域包含了以下几个方面：加工技术主要有超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工及复合加工。材料技术如超精密加工刀具磨具材料、刀具磨具制备及刃磨技术。加工设备及其基础元部件主要加工设备有超精密切削机床、各种研磨机、抛光机以及各种特种精密加工、复合加工设备。测量及误差补偿技术必须有相应精度级别的测量技术和装置，即超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级工作环境超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行，必须具备各种物理效应恒定的工作环境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。4

超精密及纳米加工技术在以下领域有着广阔的应用前景：仪器仪表工业、航空航天工业、电子工业、国防工业、计算机制造、各种反射镜的加工、微型机械领域。当前，超精密及纳米加工技术的发展趋势主要表现在以下一些方面：向高精度方向发展，向加工精度的极限冲刺，由现阶段的亚微米级向纳米级进军，其最终目标是做到“移动原子”，实现原子级精度的加工。向大型化方向发展，研制各种大型超精密加工设备，以满足航天航空、电子通信等领域的需要。向微型化方向发展，以适应微型机械、集成电路的发展。向超精结构、多功能、光机电一体化、加工检测一体化方向发展，并广泛采用各种测量、控制技术实时补偿误差。不断出现许多新工艺和复合加工技术，被加工的材料范围不断扩大。在作业环境建造方面诸如高性能的基础隔振技术、净化技术与环境温控技术将有更大发展。57.2精密、超精密加工工艺精密、超精密切削加工超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工软金属材料，如铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维板等非金属材料，主要加工对象是精度要求很高的镜面零件。最新进展表明，国外金刚石刀具刃口半径可达到纳米级水平，日本大阪大学和美国LLL实验室合作研究超精密切削的最小极限，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，可以实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削。现在我国生产中使用的金刚石刀具，刀刃锋锐度约为0.2~0.5μm，特殊精心研磨可以达到0.1μm。在对加工表面质量有特殊要求时，特别是在要求残留应力和变质层很小时，需要进一步提高刀刃的锋锐度。6精密、超精密磨削和磨料加工超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固结磨料和游离磨料两大类加工方式。固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID磨削、双端面精密磨削以及电泳磨削等。超精密砂轮磨削技术超精密磨削即是加工精度在0.1μm以下、表面粗糙度Ra0.025μm以下的砂轮磨削方法，此时因磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受到高温和高压作用，因此，需要用人造金刚石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮7经研究表明，超精密磨削实现极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精细修正得到大量的、等高性很好的微刃，实现了微量切削作用，经过磨削一定时间之后，形成了大量的半钝化刃，起到了摩擦抛光作用，最后又经过光磨作用进一步进行了精细的摩擦抛光，从而获得了高质量表面。8超精密砂带磨削技术随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。砂带磨削机构示意图9ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。目前，ELID磨削技术在加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题，有待进一步研究解决。10双端面精密磨削技术近期新出现了作平面研磨运动的双端面精磨技术，其双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨一样，工件既作公转又作自转，磨具的磨料粒度也很细，一般为3000#~8000#，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。11电泳磨削技术基于超微磨粒电泳效应的磨削技术即电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米级磨削技术，其磨削机理是利用超细磨粒的电泳特性，在加工过程中使磨粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一超细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充。由于磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性，同时，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。通过对电场强度、液体及磨粒特性等影响因素加以控制，就可使磨粒层在加工过程中呈现两种不同的状态：一种是在加工过程中使磨料的脱落量与吸附量保持动态平衡，这样就可以稳定吸附层的厚度，得到一个表面不断自我修整而尺寸不变的超细砂轮；另一种状态是在加工过程中，使磨料的吸附量超过脱落量，那么磨粒层厚度就会不断增加，这样就可以在机床无切深进给条件下实现磨削深度的不断增加，即所谓的自进给电泳磨削。在电泳磨削技术中，磨粒吸附层可以作为磨具用于脆性材料的精密磨削工艺；自进给电泳磨削实现微米级甚至亚微米级深度进给，而不依赖于机床本身的进给精度是可能的。12游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。超精密研磨技术研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处，使被加工表面的精度得以提高（可达0.025μm），表面粗糙度值得以降低（达Ra0.01μm）研磨机理可以归纳为以下几种作用：磨粒的切削作用；磨粒的挤压使工件表面产生塑性变形；磨粒的压力使工件表面加工硬化和断裂；磨粒去除工件表面的氧化膜的化学促进作用。超精密研磨是一种加工误差达0.1μm以下，表面粗糙度Ra达0.02μm以下的研磨方法，是一种原子、分子加工单位的加工方法，从机理上来看，其主要是磨粒的挤压使被加工表面产生塑性变形，以及当有化学作用时使工件表面生成氧化膜的反复去除。相比较研磨加工，超精密研磨具有一些特点，即：在恒温条件下进行，磨料与研磨液混合均匀，超精研磨时所使用磨粒的颗粒非常小，所用研具材料较软、研具刚度精度高、研磨液经过了严格过滤。超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅片、石英晶体、高级平晶和光学镜头等零件的最后加工工序。13磁流体精研技术磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（<0.015um）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，其特性是：每一个粒子的磁力矩极大，不会因重力而沉降；磁性曲线无磁滞，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。磁流体精研为研磨加工的可控性开拓了一个方向，有可能成为一种新的无接触研磨方法。磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。14磁力研磨技术磁力研磨是利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨刷，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。15电解研磨、机械化学研磨、超声研磨等复合研磨方法电解研磨是电解和研磨的复合加工，研具是一个与工件表面接触的研磨头，它既起研磨作用，又是电解加工用的阴极，工件接阳极。机械化学研磨是在研磨的机械作用下，加上研磨剂中的活性物质的化学反应，从而提高了研磨质量和效率。超声研磨是在研磨中使研具附加超声振动，从而提高了效率，对难加工材料的研磨有较好效果。16磁流体抛光磁流体是由强磁性微粉（10~15nm大小的Fe3O4）、表面活化剂和运载液体所构成的悬浮液，在重力或磁场作用下呈稳定的胶体分散状态，具有很强的磁性，磁化曲线几乎没有磁滞现象，磁化强度随磁场强度增加而增加;将非磁性材料的磨粒混入磁流体中，置于有磁场梯度的环境内，则非磁性磨粒在磁流体将受磁浮力作用向低磁力方向移动;将工件置于磁流体的上面并与磁流体在水平面产生相对运动，则上浮的磨粒将对工件的下表面产生抛光加工，抛光压力由磁场强度控制;在磁流体抛光中，由于磁流体的作用，磨粒的刮削作用多，滚动作用少，加工质量和效率均提高。磁流体抛光可加工平面、自由曲面等，加工材料范围较广。该方法又称之为磁悬浮抛光较广。17超精研抛超精研抛是一种具有均匀复杂轨迹的精密加工，它同时具有研磨、抛光和超精加工的特点。超精研抛时，研抛头为一圆环状，装于机床的主轴上，由分离传动和采取隔振措施的电动机作高速旋转，工件装于工作台上。工作台由两个作同向同步旋转运动的立式偏心轴带动作纵向直线往复运动，工作台的这两种运动合成为旋摆运动。研抛时，工件浸泡在超精研抛液池中，主轴受主轴箱内的压力弹簧作用对工件施加研抛压力。SUPFINA超精密研磨机18精密、超精密加工装备超精密加工所用的加工设备主要有超精密切削磨削机床、各种研磨机和抛光机等。对于超精密加工所用加工设备应有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化的要求。19超精密切削机床由于其结构、精度、稳定性等均对加工质量有直接影响，因此其应具有如下特点：高精度。超精密切削机床应具有高的几何精度、运动精度和分辨率，主要表现在主轴回转精度、进给运动直线度、定位精度、重复精度等。机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，并可以进一步采用误差补偿方法来提高其精度。为了能进行微细切削、机床配有微动工作台，采用电致伸缩、磁致伸缩、弹性元件等微位移机构，实现微进给。超精密切削机床通常采用宽速直流或交流伺服电机一光栅位置检测闭环系统，采用激光干涉位置检测系统，可以获得极高的定位精度；高刚度。超精密加工时，切削深度和进给量很小，切削力很小，但仍应该有足够刚度，如超精密磁盘加工铝合金基片的端面时，其主轴轴向刚度可达490N/μm；高稳定性。在机床结构上，多采用热导率低、热膨胀系数小、内阻尼大的天然花岗石来制作床身、工作台等，也可采用人造花岗石制作床身、工作台和轴承等。抗振性好。在机床结构上应尽量采用短传动链和柔性连接，以减少传动元件和动力元件的影响，电动机等动力元件和机床的回转零件应进行严格的动平衡，以使本身振动最小。控制性能好。超精密切削机床采用微机数字控制，在选择数控系统时，不仅要考虑所需完成的功能，而且应有良好的控制性能，如插补、进给速度控制、刀具尺寸补偿、主轴转速控制等，要求插补速度快、插补精度高、进给速度稳定。207.3微细加工工艺微型机械的微细加工工艺主要有半导体加工技术、LIGA技术、集成电路（IC）技术、特种精密加工、微细切削磨削加工、快速原型制造技术和键合技术等。半导体加工技术半导体加工技术即半导体的表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上，进行沉积、光刻与腐蚀的工艺过程。半导体加工技术使MEMS的制作具有低成本、大批量生产的潜力。光刻加工技术。光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印制在涂有光致抗蚀剂（光刻胶）的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。21体微机械加工技术体微机械加工就是一种对硅衬底的某些部位用腐蚀技术有选择地除去一部分以形成微机械结构的工艺，常用的主要有湿法腐蚀和干法腐蚀两种。湿法腐蚀是应用化学腐蚀的方法对硅片进行加工的技术，一般用各向同性化学腐蚀、异性化学腐蚀和电化学腐蚀。湿法腐蚀流程图干法腐蚀是另一种体微机械加工技术。它是利用粒子轰击对材料的某些部位进行选择性地腐蚀的方法，即采用等离子体腐蚀、离子束和溅射腐蚀、反应离子束腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜、氮化硅膜以形成微机械结构干法腐蚀原理图22表面微机械加工技术表面微机械加工