超精密加工

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$ }( ]7 t7 ]- I$ [$ I K) o9 `$ e f7 [7 {8 T: u- S0 H* A5 G* f/ w # ?3 H# F9 q2 U, N, ? D7 L8 k! V x9 h+ y$ Y4 G$ C+ I8 i0 A4 B0 t3 i 图1a　超精密切削加工机床示例(图为SHPERE-200超精密球面镜机床) 图1b　超精密切削加工形面示例(图为各种镜面切削加工的形面) 超精密加工的市场需求 精密、超精密加工是个相对概念，而且随着工艺水平的普遍提高，不同年代有着不同的划分界限，但并无严格统一的标准。从目前机械加工的工艺水平来看，超精密加工一般指加工精度<0.3µm，表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工。同时也包含加工尺寸在微米级的微细加工。 随着科学技术的发展，特别是许多高新科技的发展，使超精密加工的市场需求呈现出如下的特点： ; B* o8 g) _1 u" ~1 P- l1 | 要求超精密加工的机电产品元器件越来越多，不仅有传统的光学零件、块规等，而且有现代IT中广泛采用之大规模集成电路的各种芯片，计算机用的磁盘、光盘，复印机用的磁鼓；核聚变用的激光反射镜；导弹制导系统用的激光反射镜；导航用的陀螺仪腔体；气浮和静电陀螺仪的球状支承；人造卫星姿态控制用的过半球体；卫星、航天器上各种仪器仪表用的真空无润滑轴承；全球定位系统(GPS)和电子对抗技术中用的砷化镓半导体大规模集成电路；红外夜视设备、大型天文望远镜和太空望远镜中用的球面和非球面光学透镜，以及多种军、民使用的高新科技产品中的精密零部件等。 相同品名的元器件要求超精密加工的数量越来越大。例如有些品名，以前只是单件或小批生产，用于实验性的产品上，现在则要求批量乃至大批量规模生产，用在军、民使用的高新科技产品上，如大规模集成电路用的硅片、磁盘、磁鼓等，年需求量数以百万、千万件计。 要求超精密加工的表面形状越来越复杂，精度要求也越来越高。其中不仅有平面、圆柱面，还有球面、非球形曲面、抛物面等。其面形精度一般都要求控制在加工尺寸(用nm表示)的10%(用nm表示，实质上是百万分之一)以内，也就是说，加工Ø100mm直径的外圆时，加工圆度要求要控制在100×10%=10nm以内。加工的表面粗糙度Ra值则在2nm~10nm之间。 要求超精密加工的材料也越来越广泛；不仅有黑色金属、有色金属、还有玻璃、陶瓷和各种半导体材料，如硅、砷化镓、碲镉汞晶体等。 # w+ `) J/ p( g' Q2 X1 E4 _ 要求超精密加工的零件尺寸在向大型(Ø2m以上)和微型(微米、纳米级)两极发展。 总而言之，超精密加工的市场需求在迅速扩大。目前虽无直接的数据说明，但有一些数据也可以作为佐证的。例如，目前以半导体IC为基础的电子信息产品的世界贸易额已达到一万亿美元，是世界第一大产业；2003年中国的电子电讯设备制造业的产值达14917.6亿元人民币。全球的IC有90%以上都要采用硅片，而大规模和超大规模的IC芯片(主要为硅片)都要用超精密加工来进行生产。美国为了部署战略导弹防御系统和发展先进武器，大大增加国防开支；许多国家也为了自身的安全和防卫而提高对高新科技研发的投入和国防费用，所有这些将扩大对超精密加工的市场需求。 实现超精密加工基本条件 为了能实现超精密加工并获得预期的加工效果，必须具备下述基本条件： * s' k; o* H7 ^6 A C9 N+ j7 n 1 } n+ x0 [6 w& W1 b2 a& A 被加工工件的材质要密实；各向的同一性要好(最好为单晶)；表层硬度和弹性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化学成份与机械物理性能对标准值的偏差不应超过0.1%。 选用的超精密加工工艺方法要与被加工材料相匹配。例如，有色金属材料(如铜、铝合金)宜用单点金刚石刀具进行车削或铣削加工；黑色金属材料(如钢等)则宜选磨削与研、抛等工艺，否则得不到预期的加工效果等。 加工环境要严格恒温、隔振和净化。恒温室(第一分隔区)中的温度波动不得大于±0.1℃；加工区(第二分隔区)中则不应超过±0.01℃；环境的相对湿度要保持在40%±10%以内；大气压力(如用激光测量仪时)应保持1MPa±0.1%；机床地基的隔振系统固有频率<2Hz；加工区的净化度应为每立方英尺中大于0.1µm的微粒含量应不多于10颗。 & _* g$ Q) ~5 I" ~; f 具有能实现纳米级(1nm ~10nm)增量进给的机床和分辨力优于0.1nm的测量设备，如激光干涉仪，扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。 超精密加工的工艺方法 根据被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工工艺方法主要分三大类：切削加工法、磨削加工(含研、抛)法和电物理加工法。 切削加工法 切削加工法主要是采用优质的天然金刚石作刀具的切削刃，对有色金属、玻璃或陶瓷工件进行车削和铣削加工，可以加工端面、球面和抛物面等曲面(图1b)。 超精密车削加工中，金刚石刀具的刃磨是关键。刀尖的圆弧半径应为被加工表面要求值的五分之一左右，一般rc小于10nm，用铸铁研具进行研抛时，可获得rc=3~5nm。再小的rc值则要用离子束加工来获得。实践证明，采用这样的刀具，便于切削速度在很大(V=120~3600m/min)的范围内变化，而不影响被加工表面的粗糙度值。 ! v- W8 A* L+ l0 P& c$ _& n S& a 常选的切削用量是：加工有色金属时V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷时V=15~120m/min；根据刀尖圆弧末径rc值的不同，进给量可在0.1~10µm/r的范围内选取，切削深度则为t=0.05~0.1µm。 在用雾化酒精或温度可控的矿物润滑油冷却的情况下，高质量的单晶金刚石刀具的耐用度(用一次刃磨后切刃可以有效地进行切削的长度来衡量)可达1500km。 切削加工法所能达到的最高水平：面形精度为0.025µm、表面粗糙度为Ra=2~4nm。 7 e3 D$ T: d! | 磨削加工法 3 H2 L' x9 _- O3 E 磨削加工法是采用精细磨粒的砂轮或砂带进行磨削和研、抛的加工。此法多用于硬度较高的黑色金属材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金属材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面――平面、圆柱面、球面和非球面。 圆柱形镜面通常用磨削方法加工，磨削速度选V=25~35m/s，粗磨时t=0.02~0.07mm，精磨时t=3~10µm；当用油石研、抛时，V=10~50m/min，材料的去除速度为0.1µm~1µm/min。超精磨削可达到0.01µm的圆度和Ra 0.002µm的表面粗糙度。 + v6 j5 ?8 H* N! N2 w' E0 A) R: A6 r( J# K: y2 m6 L0 F' y7 M0 R; H+ S) r+ n9 }7 F, t% W 图2　球形镜面的研、抛加工与测量示意图 4 p( L: J4 l. { 球形镜面研、抛时要求研具保持在被加工表面的法向上，有两种保证方法(如图2a所示)：一是通过研具(1)本身的自定位机构来达到；二是通过采用数控系统使研磨头(2)倾斜一φ角来实现。 ' o I6 x J4 V; p6 [ 球形镜面的磨抛加工法是建立在借助激光干涉仪(4)进行表面(3)的误差测量的基础上(图2b)。测量时，激光干涉仪沿X和Y坐标移动，或沿X，Y中之一的方向移动和工作台(5)转动，镜面误差的测量结果被记录在模拟量或数字量的记忆装置中，然后进行处理。根据来自数控系统的指令磨头(研具)被移动到标有对给定面形误差最大的偏差处并磨除材料。之后表面被重新检测和重复加工工序。就这样以逐步趋近的方法去达到所要求的面形精度。 U- ^3 e W+ k: ~9 e 平面形镜面的加工主要采用磨削和研抛工艺方法来加工，目前此法所能达到的最高平面度<0.2µm/300mm，表面粗糙度Ra<1nm。 9 w0 \+ ?5 q6 M+ R7 k1 h" U 电物理加工法 8 L: r. F1 E& Y l0 ^! l" {! L 电物理加工的方法有多种，其中获得最广泛应用的是电磨料抛光和离子束表面加工。前者的实质是使电解加工过程中所产生并留下的氧化膜由磨料从被加工表面上去掉以获得镜面；後者则是借助离子发生器射出的离子束对表面进行研、抛。 % f# e9 N5 m$ `* c 离子束表面加工法如图3所示：经过预磨削加工的工件(2)被放置入真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室(1)中，离子发生器(8)射出的离子束以高达30K电子伏的强度作用在被加工的表面上，并以1µm ~5µm/h的速率去除表层材料，从而达到10nm乃至更高的形状精度。 ) O: c3 Z7 z; T6 U9 t9 B: u' u, h# I6 M4 E8 o; j9 C 图3　离子束表面加工示意图 ) `# ~1 H9 m( y 在工作过程中，离子发生器(8)射出的离子束打在工件上的强度和加工过程均由计算机(6)及程序软件(5)来实现，而根据激光干涉仪(9)对被加工表面形状的检测结果，借助驱动装置(12)来调节光栏(掩盖物)(11)改变离子束强度，通过控制器(7)控制离子发生器(8)，通过驱装置(3)和(4)控制工件位置，并由传感器(10)来测量和控制真空室(1)中的温度，使之保持恒定。 除上述方法之外，还有其他的超精密复合加工方法，如电火花成形加工後继而采用的流体抛光法、电化学抛光法、超声化学抛光法、动力悬浮研磨法、磁流体研磨法以及采用ELID技术的磨削法等。采用ELID技术进行光学玻璃非球面透镜加工时面形精度可达0.2µm，表面粗糙度则达Ra=20nm。 * g1 d! h7 A) V: O7 P0 f 超精密加工机床的设计与制造 % D( q. N5 }3 E6 b6 o/ V# ?, j& L 超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保证超精密加工工艺和目标的实现。因此，超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是：消除或减少机床上的热源和振源；提高机床的结构刚度和几何精度；减少机床的变形(含温度变形和力变形)对机床加工精度的影响等。为了实现这些基本原则和要求，超精密加工机床设计时，经常采取的一些原则措施有： % j+ ^% T% r& y l . _! G/ i1 A2 x) g& O 首先是尽量不用或少用摩擦发热量大的传动装置(如机械无级调速器)，并把工作过程中发热量大的热源(如电机、冷却润滑油箱等)与机床本体结构分离或隔热，以避免热量落入机床本体引起机床结构的热变形。 * S S5 a1 ^8 E7 K. v7 ]* a) R) S! C8 B6 C/ Y3 n# I5 d$ @3 x+ J) t7 Q$ M! z9 k$ {1 [. S( j a+ B5 p, s" X0 K* v' m( Y0 B: J! M7 a+ a& Y9 {# y f; E6 Z$ _& K/ W, p+ E" k. V3 b) p* V8 R4 z' w. Q/ A: r, _! C+ Y 表　可用作超精密加工机床重要零部件的材料 材料名称 4 z7 H; H1 ^0 w9 m a值(µm/m℃) l值(W/m℃) 可用作零件 天然大理石 / O* o! M7 a8 B) c 7×10-6 7 `0 \3 X- w- S, g 3~3.5 床身、平板、机架 % l$ O# ?6 t | \7 n SiN陶瓷 3 a+ ^& }% v O 3×10-6 7.3 工作台、滑板、刀架 玻璃陶瓷 (2~3)×10-8 ' x" h! ?7 e/ @. N+ }( x 1.6 主轴 1 X! |1 q; `& N* ~& k2 W6 Y5 p 人造大理石 / l' l8 _ N3 ?2 U, t: B: Z. h 16×10-6 / E# M7 N5 X% p4 k: F: j4 U* `. I 1.6~1.75 0 y" k' ]- |' [: t. r 床身、立柱、平板、基座 / Z8 |: V! g: H3 K) X1 Z 铟钢 # k! x% `) d2 @7 y, t* Q (1.5~4)×10-6 ' E9 L/ W. Z% P9 ~ 12~14 复杂形状的铸件 / n6 j& y& _) N5 K. s0 _+ S! { 超铟钢 * C7 M1 q" J/ C" v2 h (0.5~1.5)×10-6 选用热胀系数α和导热系数λ值低的材料作机床的重要零部件材料。这样的材料如表所示。与此同时也要尽量采用热物理特性相同或相近的材料来制造机床的构件和零部件。 ( `9 r$ ?' b. ]8 ?" d6 j3 v 零部件的结构设计力求热对称，而且应考虑采取强迫的风冷或液体冷却并预留相应的冷却液循环流动通道。当冷却的尺寸范围在200mm~1500mm时，风的流量应为(3~10)m3/s或液体的通量为(1~10)L/s，从而可分别保持温度波动为±0.05℃和±0.02℃。对个别强热源处(如主轴轴承)所产生的热量，必要时可采用专门的热管带走。 超精密加工机床不仅要考虑安装和工作在恒温室里，而且在极高精度要求的情况下，还应考虑控制机床工作在温度±0.01℃的油淋浴的恒温箱中，因此，机床的工作过程必须是完全自动或遥控的，不能有人在现场，以免人的活动和体温对环境条件产生影响。 , f7 r' N8 E! b 为了避免振动影响加工精度，除了机床必须安装在由空气支承、弹簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，机床上的旋转运动件也要严格进行动平衡，残馀不平衡量应小于0.5~1g.mm。与此同时，为了消除和减少机床本身内部振源，要尽量采用运动平稳的传动系统，如非接触的气动和液体传动，禁止或避免采用带有冲击力的传动，如有间隙的换向机构等。 ! l1 c8 Z2 G1 Y) k$ S 通过振源振动频率的调整(如改变转速)或通过对机床工艺系统的质量(m)和弹簧刚度(k)等动力参数的选择使振源的振动频率与机床工艺系统的固有频率相互远离，避开共振区，减少振动对机床工作的影响。 选用具有高内阻尼系数的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的双层壁铸铁件作为机床的结构件，以保证高度衰减内部产生和外部传来的振动，因为振动衰减的效果正比于阻尼系数(即衰减指数)。正常情况下，铸铁的衰减指数为0.006~0.008，而天然大理石和人造大理石的衰减指数则分别为0.02~0.04和0.06~0.08；不清砂的双层壁铸件可以大大增加结构的内阻尼，因而可大大提高衰减振动的效果。 ' T6 W' k* @1 m# V, @6 J 主轴部件设计的关键指标是回转精度和刚度，为此优先采用带有温控的低噪音主轴电机并通过扭矩或各种电磁的和薄膜的联轴节与主轴联接进行驱动，主轴轴承则采用具有自定位功能的球面气浮或液体静压轴承结构。用此结构的主轴精度(径向和轴向跳动)可达0.01µm。当工作压力为0.3MPa~0.6MPa时，气浮轴承的平均刚度为200N~400N/µm，液体静压轴承则为600N~1000N/µm。但为了主轴跳动不超过0.05µm，供油压力的波动值不应大于0.01MPa，油温波动也不应大于0.05℃。 进给传动的设计主要要求是：保证能有效进行误差动态补偿的换向精度；可实现最小5nm的脉冲位移；采用修正系统後具有2nm的高定位精度。为此，可供选择的进给传动方式有以下几种： + T8 U# C! h4 Y+ L r9 o; E( H / t; B; h8 i/ K+ G* K+ M －滚珠丝杠副。特点是刚度大，可实现的增量位移为100nm(即0.1µm)。 3 o; l( I: {* J1 e% w 摩擦传动。传动刚度为50N~100N/µm，拉力达100N，可实现的移动增量为5nm。缺点是寿命低，不够灵敏。 条(带)传动。仅适合在小型机床上用。 * d' n# Y* ?8 l. Y2 A 压电和磁致伸缩传动。移动量可小于5nm，但总的行程量很小，只有100~200µm，故多数情况下它是与其它传动方式(如滚珠丝杠副)组合使用。 . Q' b8 r5 A" A7 C 自定位静压丝杠副。特点是由于齿形角小(只有10°)，故刚度大(达100N~1000N/µm)和可实现微小的增量位移。缺点是保证油温和油压稳定的系统较复杂。 增量式液压传动。刚度可达600N/µm，位移增量80nm，但供油系统复杂。 电磁丝杠副传动。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的丝杠与带有线圈的螺母相互作用来实现传动。可实现微小的增量位移，但刚度过低，只有10N/µm。 ( V9 ^* Y! n. g$ l* l2 P 导轨设计。导轨是超精密加工机床上保证实现精密微量进给的重要要素之一，虽有多种形式可供选择，但采用得最为广泛的是液体静压导轨和气浮导轨。前者的刚度可达6KN~8KN/µm，并能保证位移精度0.02µm~0.04µm/400mm行程；後者的刚度为1KN~2KN/µm，当气膜厚度为4µm~8µm时，也能保证与液体静压导轨一样的位移精度。液体静压和气浮导轨的直线性均可高达0.02µm/100mm。 在总体布局设计上，超精密加工机床的结构应分成承载部分和计量部分。此时，机床所能实现的精度在很大程度上取决于测量系统的有效性。因此，一般采用像激光干涉仪这样的高精度、高分辨率的仪器作测量装置，并将其单独安装在气浮支承的计量支架上，而且不仅安装测量装置时要遵守阿贝原理，在更广义理解上，也要遵守阿贝原理。阿贝原理要求，测量轴要接近于刀尖，以便消除按杠杆原理放大误差的可能性。从这一立场出发，导轨和测量装置应位于同一水平面上，在机床的承载系统中要避开采用悬伸和刚度不恒定的构件。 在机床整体和各部件所完成的功能分配方面，在多数情况下，一台机床只实现一种加工方法，每个部件也只完成一个固定的功能运动。这样做的目的是简化机床结构和更易于根据精度指标进行优化，而无需采取妥协(折衷)的办法。――这一点是与目前一般机床的设计发展趋势――复合化，扩大工艺可能性――是不一样的，或者说是正好相反的。 + N9 N: [& R; q" ~6 Z/ o 为了保证超精密加工的目标顺利实现，超精密加工机床设计必须考虑采用主动控制的隔振系统和在线的误差自动补偿技术。这是因为很难保证所要求的零件制造精度，同时也很难完全消除振动和热因素带来的负面影响。 - z8 R: D8 P8 P 结束语 4 e6 U6 t! q% H/ j# } 超精密加工是为适应现代高新科技发展的要求而发展起来的先进制造技术，它的成功实现，不仅取决于机床、刀具和工艺方法，也还取决于测量和控制技术，即含机、光、电、传感技术和计算机技术等。它是多种学科新技术成果的综合应用，但也对许多高新科技的发展与进步起着推动的作用。因此超精密加工已成为发展现代高新技术，特别是发展现代武器装备的基础技术，也是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。与美俄相比，中国在这方面还有不少差距，如非轴对称的光学曲面加工工艺的可靠性和可操作性等方面。为使中国超精密加工技术的进一步发展和提高，除继续加强超精密加工工艺和装备的研究外，还必须加强测量和控制，特别是对非轴对称的非球曲面等复杂曲面的测量与控制(如五轴超精密CNC系统)的研究；加强工艺可靠性和可操作性的研究等。而且开发研究工作需要跨学科，跨部门来协同组织进行，以便集中力量(包括人、财、物)解决问题。