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机械工程前沿之精密超精密加工技术

日期:2016-11-19 22:31:45    浏览:

1 引言

近些年,随着社会经济的不断发展,精密加工和超精密加工技术已成为机械制造技术的前沿标志。它反映着一个工业国家机械加工的水平,它是六十年代应电子、计算机、宇航及激光尖端技术的发展而发展起来的一门新兴工艺技术。在三十年的时间里,利用近代先进的技术和工艺使机械加工精度提高了一个数量级,目前正从微米、亚微米向纳米级精度迈进。提高制造精度后可提高产品的性能和质量,提高其稳定性和可靠性;促进产品的小型化;增强零件的互换性,提高装配生产率,并促进自动化装配。现如今,无论是科研领域还是生产领域,这项技术都得到了必要的应用。这项技术的重要性是不言而喻的,直接关系到工艺事业的发展进程。本文从精密超精密加工技术的相关理论、发展现状、运用三个角度,对该问题进行深入地分析与研究。

2精密超精密加工技术理论

众所周知,加工是一个非常宽泛的词汇。在现实生活中,存在着普通加工、精密加工和超精密加工三种形式的加工。普通加工是指一般技术水平就完成的精度;精密加工是指通过高精度的加工工具或器械,以及先进的加工技术才能实现的精度; 超精密加工是指必须对先进加工技术进行实验、讨论、研究才能完成的精度。每个时期的精度指标是不同的,因此,这三种形式的加工也会随着时间的变化而变化。超精密加工技术以每个历史时期所能达到的最高加工精度值为衡量标准,只要超过了这个标准,我们就可将这些加工方法称之为超精密加工技术。就目前的标准而言,精密加工技术的加工精度为1一0.1um、表面粗糙度为Ra0.2一0.01um;而超精密加工技术的加工精度高于0.1um、表面粗糙度Ra小于0.25um,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01um。

超精密加工主要包括三个领域:

(1) 超精密切削加工 如金刚石刀具的超精密切削,可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。

(2) 超精密磨削和研磨加工 如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。

(3) 超精密特种加工 如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工,线宽可达0.1Lm。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工,线宽可达2~5nm。

3国内外发展状况

3.1国外发展状况

精密超精密工艺技术作为装备制造业中的关键技术,长期以来一直是世界各国进行研发和应用的重点。精密超精密工艺技术在国际上处于领先地位的国家有美、英、日等国。其精密超精密工艺技术不仅总体成套水平高,而且商品化的程度也非常高。

美国是开展精密超精密工艺技术研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末,由于航天等尖端技术发展的需要,美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术,称为“SPDT技术”(SinglePointDiamondTurning),并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床,用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。在精密超精密加工技术领域,英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)享有较高声誉,它是当今世界上精密工程的研究中心之一,是英国精密超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanoeentre(纳米加工中心)既可进行超精密车削,又带有磨头,也可进行超精密磨削,加工工件的形状精度可达0.1µm,表面粗糙度Ra<10nm 。日本对精密超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但它是当今世界上精密超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国以发展国防尖端技术为主要目标,而是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的精密、超精密加工技术方面,更具有优势,在这方面甚至超过了美国。

3.2 国内发展状况

我国的精密超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步,20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行精密超精密加工技术研究的主要单位之一,研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等。此外,航空航天工业部精密加工研究所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深人研究及产品生产。但总的来说,我国在超精密加工的效率、精度可靠性,特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外比,与生产实际要求比,还有相当大的差距。

4精密超精密加工技术的应用

超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用。与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜(HST)、飞机发动机转子叶片等;与集成电路(IC)有关的硅片加工(要求硅片的加工表面粗糙度Ra一般小于2nm,最高要求达0.1nm);此外光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米和纳米级。导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等,其表面粗糙度均要求达到纳米级。另外,光学非球曲面零件面形制造精度要求已达λ/(30—50),表面粗糙度要求≤0.5nm。

5超精密加工的发展前景

超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。

5.1 高精度、高效率

随着科学技术的不断进步,对精度、效率、质量的要求愈来愈高,高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题。超精密切削、磨削技术能有效提高加工效率,CMP、EEM技术能够保证加工精度,而半固着磨粒加工方法及电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加工方法,成为超精密加工的趋势。

5.2 大型化、微型化

由于航天航空等技术的发展,大型光电子器件要求大型超精密加工设备,如美国研制的加工直径为2.4~4m的大型光学器件超精密加工机床。同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展,超精密加工技术向微型化发展,如微型传感器,微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工设备。

5.3 智能化

以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率,这一点在超精密加工中体现更为明显。

5.4 工艺整合化

当今企业间的竞争趋于白热化,高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下,出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面,使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。

5.5 在线加工检测一体化

由于超精密加工的精度很高,必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率。同时由于加工设备本身的精度有时很难满足要求,采用在线检测、工况监控和误差补偿的方法可以提高精度,保证加工质量的要求。

5.6 绿色化

磨料加工是超精密加工的主要手段,磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国,大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及我国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制,为此,各国研究人员对CMP加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时,提高了自身的生命力。

6结论与展望

精密超精密加工技术的发展及应用是一项非常系统的工程。我们要想将该项工作做好,必须做好这样几项工作:首先,我们要对精密超精密加工技术的相关理论有一个清晰的认识;其次,我们要对目前国内外精密超精密加工技术的发展现状有一个准确的分析;最后,我们要采取各项切实有效的措施,增强我国的精密超精密加工技术水平。只有这样,才能实现我国精密超精密加工技术持续、健康、快速、稳定的发展精密超精密加工技术兴起于上世纪60年代,随着时间的推移,这项技术已经发展成为高科技产品的关键制造技术。从近50年的发展时期内,精密超精密加工技术所涉及的领域在不断扩展,目前已扩展到国民经济的各领域;精密超精密加工技术的生产方式发生了根本性的转变,由单件小批量生产发展为多件大规模生产。从这个变化中,我们不难看出,精密超精密加工技术的应用广度和深度在不断加大。我们有理由相信,随着各类新产品的不断涌现,精密超精密加工技术将获得更为深刻地发展。

参考文献

[1] 王先逵.精密及超精密加工.机械加工手册第2卷第14章[M].北京:机械工业出版社,1991

[2] 袁哲俊,周明.加速发展我国的精密和超精密加工技术[J].工具技术,1994

[3] 李圣怡,戴一帆.超精密加工技术的发展及对策.中国机械工程,2000,8

[4] 袁哲俊.精密和超精密加工技术的新进展[J].工具技术,2006(3).

作者: 编辑:宣传部

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