1、超精密加工 机械制造与加工工艺设备专业 内容摘要 ： 从超精密加工的应用场合入手，简要介绍各个超精密加工方法和实现方法 。 关键词： 超精密加工；精密加工机床；精密加工方法； 一、超精密加工 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 0.3m，表面粗糙度 Ra 值 0.03m 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： （ 1） 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
2、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。 （ 2） 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
3、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。 （ 3） 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100mm 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 2nm10nm 之间。 （ 4） 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
4、和各种半导体材料，如硅、砷化镓、碲镉汞晶体等。 （ 5） 要求超精密加工的零件尺寸在向大型 (2m 以上 )和微型 (微米、纳米级 )两极发展。 （ 6） 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
5、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。 二、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： （ 1） 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%。 （ 2） 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。
6、 （ 3） 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 0.1m 的微粒含量应不多于 10 颗。 （ 4） 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。 （ 5） 超精密加工的工艺方法 （ 6） 根据被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工
7、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。 三、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。 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=35nm。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=1203600m/min)的范围内变化，而不影响被加工表面的粗糙度值。 常选的切削用量是：加工有色金属时 V=12
8、04000m/min ， 加 工 玻 璃 或 陶 瓷 时V=15120m/min；根据刀尖圆弧末径 rc 值的不同，进给量可在 0.110m/r 的范围内选取，切削深度则为 t=0.050.1m。 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 0.025m、表面粗糙度为 Ra=24nm。 四、磨削加工法 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
9、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=2535m/s，粗磨时 t=0.020.07mm，精磨时 t=310m；当用油石研、抛时， V=1050m/min，材料的去除速度为 0.1m1m/min。超精磨削可达到 0.01m 的圆度和 Ra 0.002m 的表面粗糙度。 球形镜面的研、抛加工与测量示意图 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 角来实 现。 球形镜面的磨抛加工法是建立在借助激光干
10、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。 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0.2m/300mm，表面粗糙度 Ra1nm。 五、电物理加工法 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
11、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。 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 1.3310-3Pa 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 1m 5m/h 的速率去除表层材料，从而达到 10nm 乃至更高的形状精度。 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
12、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 0.2m，表面粗糙度则达Ra=20nm。 六、超精密加工机床的设计与制造 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
13、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： （ 1） 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。 （ 2） 选用热胀系数 和导热系数 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。 （ 3） 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 200mm1500mm 时，风的流量应为(310)m3/s 或液体的通量为 (110)L/s，从而可分别保持温度波动为 0.05和
