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超精密加工技术

发布时间:2022/10/28
  超精密加工技术起源于美国20世纪60年代初期(于1962年首先研制成功超精密车床),它是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺。它综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、计算机技术和测量技术等新技术。
目前,超精密加工就其本质来说,是要实现以现有的普通精密加工手段还达不到的高精密加工。就其量来说,是要加工出亚微米级乃至毫微米级的形状与尺寸精度,并获得纳米级的表面粗糙度,但究竟精度值为多少才算得上超精密加工,一般要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。
  超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。上述各种方法均能加工出普通精密加工磨床所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量,每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。目前,超精密加工的加工精度正在向纳米级发展。
  (1)超精密加工的主要加工方法:
  ①超精密切削:主要是借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削和铣削,可用于加工要求高表面质量和高形状精度的有色金属和非金属零件。此外超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振及隔振等措施,还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件必须质地均匀,没有缺陷。
  ②超精密磨削:该技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超紧密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度,还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此,除要考虑各种工艺因素外,还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件,消除各种动态误差的影响,并采取高精度检测手段和补偿手段。
  ③超精密研磨:研磨是在被加工表面和研磨工具之间放上游离的磨料和润滑液,使被加工表面和研磨工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,表面粗糙度值得以降低。
  ④超微细加工:主要用于微小零件和微小尺寸的加工,多以集成电路和微型机械为对象,与微电子技术联系密切。
  ⑤光整与精整加工:光整加工强调了表面粗糙度值的降低及去除毛刺;精整加工则是在光整加工的基础上强调了精度的提高。
  (2)超精密特种加工:超精密特种加工的方法很多,多是分子、原子单位加工方法,可以分为去除(分离)、附着(沉积)和结合以及变形四大类。分离(去除)加工就是从工件上分离原子或分子,如电子束加工和离子束溅射加工等。附着(沉积)是在工件表面上覆盖一层物质,如电子镀、离子镀、分子束处延、离子束外延等。结合是在工件表面上渗入或涂人一些物质,如离子注入、氮化、渗碳等。变形是利用高频电流、热射线、电子束、激光、液流、气流和微粒子束等使工件被加工部分产生变形,改变尺寸和形状。具体主要有电子束加工工,离子束加工,激光束加工,微细电火花加工,复合加工等。
  (3)超精密加工设备: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的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。图是一小型超精密研磨抛光机。
  超精密加工机床是超精密加工水平的标志,其结构、精度、稳定性等均对加工质量有直接影响,因此,它应满足以下一些要求:
  
  图 超精密研磨抛光机
  ①高精度:包括高的静精度和动精度,主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。
  ②高刚度:包括高的静刚度和动剐度,除本身刚度外,还应注意接触刚度,同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。
  ③高稳定性:机床在经运输、存储以后,在规定的工作环境下,在使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。因此,机床应有良好的耐磨性、抗振性等。
  ④抗振性好:在超精密平面磨床床机构上应尽量采用短传递链和柔性连接,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。为了隔离动力元件等振源的影响,超精密机床可采用分离结构形式,即将电动机、油泵、真空泵等与机床本体分离,单独成为一个部件,放在机床旁边,再用皮带传动方式连接起来,获得了很好的效果。此外,对于大件或基础件,还应选用抗振性强的材料。
  ⑤高自动化:为了保证加工质量,减少人为因素影响,加工设备多用数控系统实现自动化。
  对于超精密磨削磨床,其在机床环境等方面有以下要求:高精密和超精密砂轮架轴承;低振幅的机床砂轮架;高灵敏度和高重复定位精度的砂轮架;低速运动平稳的工作台;有良好过滤的切削液,以防止工件表面划伤;超稳定加工环境条件;防振系统。
  (4)超精密加工技术的发展应用:当前,高科技领域中一些关键零部件加工,为了保证其性能,继续采用高精度加工技术。超精密高精度加工技术与国防工业、信息产业和民用产品有密切关系。
  在国防工业中,陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术,导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率。在宇航技术中,卫星的姿态轴承和遥测部件对卫星的观测性能影响很大,该轴承的精度要求很高,必须用超精密加工技术。卫星用的光学望远镜、电视摄像系统、红外传感器等,其光学系统中的高精度非球面透镜等都必须用超精密加工技术进行制造。此外,大型天体望远镜的透镜、红外线探测器反射镜,激光核聚变用的曲面镜等都靠超精密加工技术才能制造。
  在信息产业中,计算机上的芯片、磁盘和磁头,录像机的磁鼓,复印机的感光鼓、光盘和激光头,激光打印机的多面体,喷墨打印机的喷墨头等都要靠超精密加工才能达到产品性能要求。
  在民用产品中,现代小型、超小型的成像设备,如摄像机、照相机等都离不开超精密加工技术。
由此可以看出,超精密加工在各个行业中均有广阔的市场需求,并且是产品开发成败的关键,不仅如此,它的发展还关系到整个制造业的发展。美国和德国都是世界上制造技术方面的强国,他们的特色也都表现在超精密加工方面,能够制造出其他国家不能提供的精密产品。而我国在一些涉及高水平制造技术的硬件方面则不能满足市场要求,如航空工业、航天工业所需要的超精密加工设备、微电子工业所需要的一些集成电路超精密加工设备等都依赖于进口;大多数制造厂的加工水平都不够高,精密机床等都未能在世界市场上占有一席之地。因此,要发展我国的制造业,必须重视超精密加工技术的发展。


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