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深圳市茂和興精密機械有限公司
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精密與超精密加工技術綜述

加入日期:2012-03-14    錄入: 茂和興   查看:5389   復制鏈接

  就先進制造技術的技術實質性而論,主要有精密和超精密加工技術和制造自動化兩大領域1。前者包括了精密加工、超精密加工、微細加工,以及廣為流傳的納米加工,它追求加工上的精度和表面質量的極限,可統稱為精密工程;后者包括了設計、制造和管理的自動化,它不僅是快速響應市場需求、提高生產率、改善勞動條件的重要手段,而且是提高產品質量的有效方式。兩者有密切聯系,許多精密和超精密加工要靠自動化技術才能達到預期目標,而不少制造自動化則有賴于精密加工才能達到設計要求。精密工程和制造自動化具有全局性的、決策性的作用,是先進制造技術的支柱。 
   精密和超精密加工與國防工業有密切關系。導彈是現代戰爭的重要武器,其命中精度由慣性儀表的精度所決定,因而需要高超的精密和超精密加工設備來制造這種儀表。例如,美國“民兵”型洲際導彈系統的陀螺儀其漂移率為0.03~0.05°/h,加速度計敏感元件不允許有0.05μm的塵粒,它的命中精度的圓概率誤差為500m;MX戰略導彈(可裝載10個核彈頭),由于其制導系統陀螺儀精度比“民兵—Ⅲ”型導彈要高出一個數量級,因而其命中精度的圓概率誤差僅為50~150m。對射程4000km的潛射彈道導彈,當潛艇的位置誤差對射程偏差的影響為400m、潛艇速度誤差對射程偏差的影響為800m、慣性平臺的垂直對準精度對射程偏差的影響為400m時,要求慣性導航的陀螺儀的漂移精度為0.001°/h、航向精度在1′以上、10小時運行的定位精度為0.4~0.7海里,因此,陀螺元件的加工精度必須達到亞微米級,表面粗糙度達到Ra0.012~0.008μm。由此可知,慣性儀表的制造精度十分關鍵。如1kg重的陀螺轉子,其質量中心偏離其對稱軸為0.5nm時,就會造成100m的射程誤差和50m的軌道誤差;激光陀螺的平面反射鏡的平面度為0.03~0.06μm,表面粗糙度要求為Ra0.012μm以上;紅外制導的導彈,其紅外探測器中接受紅外線的反射鏡,其表面粗糙度要求達到Ra0.015~0.01μm[2]。 
   航天、航空工業中,人造衛星、航天飛機、民用客機等,在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求,如人造衛星用的姿態軸承和遙測部件對觀測性能影響很大。該軸承為真空無潤滑軸承,其孔和軸的表面粗糙度要求為Ry0.01μm,即1nm,其圓度和圓柱度均要求納米級精度。被送入太空的哈勃望遠鏡(HST),可攝取億萬千米遠的星球的圖像,為了加工該望遠鏡中直徑為2.4m、重達900kg的大型反光鏡,專門研制了一臺形狀精度為0.01μm的加工光學玻璃的六軸CNC研磨拋光機。據英國Rolls-Royce公司報道,若將飛機發動機轉子葉片的加工度,由60μm提高到12μm、表面粗糙度由Ra0.5μm減少到0.2μm,發動機的加速效率將從89%提高到94%;齒輪的齒形和齒距誤差若能從目前的3~6μm,降低到1μm,則其單位重量所能傳遞的扭距可提高近1倍。 
   當前,微型衛星、微型飛機、超大規模集成電路的發展十分迅猛,涉及微細加工技術、納米加工技術和微型機電系統(MEMS)等已形成微型機械制造。這些技術都在精密和超精密加工范疇內,與計算機工業、國防工業的發展直接相關。 
   1 精密和超精密加工的技術內涵
丁香六月    精密加工和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段,通常,按加工精度劃分,可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。由于生產技術的不斷發展,劃分的界限將逐漸向前推移,過去的精密加工對今天來說已是普通加工,因此,其劃分的界限是相對的,且在具體數值上至今沒有固定。

1.1 精密加工和超精密加工的范疇
   當前,精密加工是指加工精度為1~0.1μm、表面粗糙度為Ra0.1~0.025μm的加工技術;超精密加工是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.025μm的加工技術,因此,超精密加工又稱之為亞微米級加工。但是,目前超精密加工已進入納米級精度階段,故出現了納米加工及其相應的技術
   從精密加工和超精密加工的范疇來看,它應該包括微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等加工技術。 
   微細加工技術是指制造微小尺寸零件的加工技術;超微細加工技術是指制造超微小尺寸零件的加工技術,它們是針對集成電路的制造要求而提出的,由于尺寸微小,其精度是用切除尺寸的絕對值來表示,而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示。 
   光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質的加工方法,不著重于提高加工精度,其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及無屑加工等。實際上,這些加工方法不僅能提高表面質量,而且可以提高加工精度。精整加工是近年來提出的一個新的名詞術語,它與光整加工是對應的,是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質,又要提高加工精度(包括尺寸、形狀位置精度)的加工方法。 
   1.2 精密加工和超精密加工方法
   根據加工方法的機理和特點,精密和超精密加工方法,可以分為去除加工、結合加工和變形加工三大類。 
   (1)去除加工。又稱為分離加工,是從工件上去除一部分材料,傳統的機械加工方法,如車削、銑削、磨削、研磨和拋光等,以及特種加工中的電火花加工、電解加工等,均屬這種加工方法。 
   (2)結合加工。利用物理和化學方法,將不同材料結合(bonding)在一起。按結合的機理、方法、強弱等,它又分為附著(deposition)、注入(injection)和連接(jointed)三種。①附著加工又稱為沉積加工,是在工件表面上覆蓋一層物質,是一種弱結合,典型的加工方法是鍍;②注入加工又稱為滲入加工,是在工件表面上注入某些元素,使之與基體材料產生物理化學反應,是具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結合,用以改變工件表層材料的力學機械性質,如滲碳滲氮等;③連接是將兩種相同或不同材料通過物化方法連接在一起,如焊接、粘接等。 
   (3)變形加工。又稱為流動加工,利用力、熱、分子運動等手段,使工件產生變形,改變其尺寸、形狀和性能。 
   從材料在加工過程中的流動分析,去除加工是使材料逐漸減少,一部分材料變為切屑,這種流動稱為分散流;結合加工是使材料逐漸增加,這種流動稱為匯合流;變形加工是使材料基本不變,這種流動稱為直通流[3]。多年來,傳統加工的概念一直局限于去除加工和表面結合加工。近年來,提出了電鑄、晶體生長、分子束外延和快速成型等加工方法,突破了傳統加工概念。 
從加工方法的機理、特點和傳統來分類,精密和超精密加工又可分為傳統加工、非傳統加工和復合加工。傳統加工是指刀具切削加工、固結磨料和游離磨料的磨削加工;非傳統加工是指利用電能、磁能、聲能、光能、化學能和核能等對材料進行加工和處理;復合加工是采用多種加工方法的復合作用,進行優勢互補,相輔相成。當前,在制造業中,占主要地位的仍是傳統加工方法。 
   2 精密和超精密加工的體系結構
   2.1 精密加工系統工程
   當前,精密加工和超精密加工已從單一的技術方法發展為制造系統工程,簡稱精密工程 ,其體系結構。它以人、技術、組織為基礎,涉及超微量去除、結合、變形加工技術,高穩定性和高凈化的加工環境,檢測與誤差補償,工況監測與質量控制,被加工材料等。
精密工程是一個制造系統[3],該系統由物質分系統、信息分系統、能量分系統構成[3]。它與普通制造系統雖有許多相同的共性技術、基礎和關鍵問題,但在精密度的層次上要高得多。 
   2.2 影響精密加工和超精密加工的因素
影響精密和超精密加工的因素很多[4],主要有以下幾點。 
   2.2.1 加工機理
   近年來,在傳統加工方法中,金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位;在非傳統加工中,出現了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學加工等多種方法,特別是復合加工,如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等,在加工機理上均有所創新。 
   在加工機理上特別提出了以快速成型為代表的“堆積”加工,這在加工技術上具有里程碑意義。

2.2.2 被加工材料
   用精密和超精密加工的零件,其材料的化學成分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求。例如,要求被加工材料質地均勻,性能穩定,無外部及內部微觀缺陷;其化學成分的誤差應在10-2~10-3數量級,不能含有雜質;其物理力學性能,如拉伸強度、硬度、延伸率、彈性模量、熱導率和膨脹系數等應達到10-5~10-6數量級;材料在冶煉、鑄造、輾軋、熱處理等工藝過程中,應嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等,使材質純凈、晶粒大小勻稱、無方向性,能滿足物理、化學、力學等性能要求。 
   2.2.3 加工設備及其基礎元部件
   對精密和超精密加工所用的加工設備有下列要求。 
   (1)高精度。包括高的靜精度和動精度,主要的性能指標有幾何精度、定位精度和重復定位精度、分辨率等,如主軸回轉精度、導軌運動精度、分度精度等; 
   (2)高剛度。包括高的靜剛度和動剛度,除本身剛度外,還應注意接觸剛度,以及由工件、機床、刀具、夾具所組成的工藝系統剛度。 
   (3)高穩定性。設備在經運輸、存儲以后,在規定的工作環境下使用,應能長時間保持精度、抗干擾、穩定工作。設備應有良好的耐磨性、抗振性等。 
   (4)高自動化。為了保證加工質量,減少人為因素影響,加工設備多采用數控系統實現自動化。 
   加工設備的質量與基礎元部件,如主軸系統、導軌、直線運動單元和分度轉臺等密切相關,應注意這些元部件質量。此外,夾具、輔具等也要求有相應的高精度、高剛度和高穩定性。 
   2.2.4 加工工具
   加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。用金剛石刀具超精密切削,值得研究的問題有:金剛石刀具的超精密刃磨,其刃口鈍圓半徑應達到2~4nm,同時應解決其檢測方法,刃口鈍圓半徑與切削厚度關系密切,若切削的厚度欲達到10nm,則刃口鈍圓半徑應為2nm。 
磨具當前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削,這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題,通常,采用粒度為W20~W0.5的微粉金剛石,粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。 
   2.2.5 檢測與誤差補償
   精密和超精密加工必須具備相應的檢測手段和方法,不僅要對工件和表面質量進行檢驗,而且要檢驗加工設備和基礎元部件的精度。 
   尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準直儀和激光干涉儀來測量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進行接觸測量,或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進行非接觸測量;表面應力、表面變質層深度、表面微裂紋等缺陷,可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。檢測可采取離線的、在位的和在線的三種方式。 
   誤差預防和誤差補償是提高精密和超精密加工精度的重要措施。誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環境條件等來減少誤差源及其影響;誤差補償是在誤差分離的基礎上,利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態和動態補償,以消除誤差本身的影響。靜態誤差補償是根據事先測出的誤差值,在加工時通過硬件或軟件進行補償;動態誤差補償是在在線檢測基礎上,在加工時進行實時補償。 
   2.2.6 工作環境
   精密和超精密加工的工作環境是保證加工質量的必要條件,影響環境主要有溫度、濕度、污染和振動等因素。 
   環境溫度可根據加工要求控制在±1℃~±0.02℃,甚至達到±0.0005℃。達到恒溫的辦法是采用多層套間,可逐步得到大恒溫間、小恒溫間,溫度控制的精度愈來愈高,再采用局部恒溫的方法,如恒溫罩,罩內還可用恒溫液噴淋,達到更精確的控制溫度。 
   在恒溫室內,一般濕度應保持在55%~60%,防止機器的銹蝕、石材膨脹,以及一些儀器,如激光干涉儀的零點漂移等。 
丁香六月    污染主要是指空氣中的塵埃,塵埃可能會在加工時劃傷加工表面。通常,潔凈度要求1000~100級,100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm的塵埃不超過100個,依此類推。由于大面積的超凈間造價很高,且達到高潔凈度的難度很大,因此,出現了超凈工作臺、超凈工作腔等局部超凈環境,采用通入正壓潔凈空氣,以防止腔外不潔凈的空氣進入,保證潔凈度。為了防止工作人員的衣服、膚發的污染,要穿戴專門的工作服,并要通過風淋室潔凈精密和超精密加工設備須安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上,并可使用空氣彈簧(墊)來隔離低頻振動。