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精密与超精密加工技术综述

加入日期:2012-03-14    录入: 茂和兴   查看:5391   复制链接

  就先进制造技术的技术实质性而论,主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域1。前者包括了精密加工、超精密加工、微细加工,以及广为流传的纳米加工,它追求加工上的精度和表面质量的极限,可统称为精密工程;后者包括了设计、制造和管理的自动化,它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段,而且是提高产品质量的有效方式。两者有密切联系,许多精密和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标,而不少制造自动化则有赖于精密加工才能达到设计要求。精密工程和制造自动化具有全局性的、决策性的作用,是先进制造技术的支柱。 
   精密和超精密加工与国防工业有密切关系。导弹是现代战争的重要武器,其命中精度由惯性仪表的精度所决定,因而需要高超的精密和超精密加工设备来制造这种仪表。例如,美国“民兵”型洲际导弹系统的陀螺仪其漂移率为0.03~0.05°/h,加速度计敏感元件不允许有0.05μm的尘粒,它的命中精度的圆概率误差为500m;MX战略导弹(可装载10个核弹头),由于其制导系统陀螺仪精度比“民兵—Ⅲ”型导弹要高出一个数量级,因而其命中精度的圆概率误差仅为50~150m。对射程4000km的潜射弹道导弹,当潜艇的位置误差对射程偏差的影响为400m、潜艇速度误差对射程偏差的影响为800m、惯性平台的垂直对准精度对射程偏差的影响为400m时,要求惯性导航的陀螺仪的漂移精度为0.001°/h、航向精度在1′以上、10小时运行的定位精度为0.4~0.7海里,因此,陀螺元件的加工精度必须达到亚微米级,表面粗糙度达到Ra0.012~0.008μm。由此可知,惯性仪表的制造精度十分关键。如1kg重的陀螺转子,其质量中心偏离其对称轴为0.5nm时,就会造成100m的射程误差和50m的轨道误差;激光陀螺的平面反射镜的平面度为0.03~0.06μm,表面粗糙度要求为Ra0.012μm以上;红外制导的导弹,其红外探测器中接受红外线的反射镜,其表面粗糙度要求达到Ra0.015~0.01μm[2]。 
   航天、航空工业中,人造卫星、航天飞机、民用客机等,在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求,如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能影响很大。该轴承为真空无润滑轴承,其孔和轴的表面粗糙度要求为Ry0.01μm,即1nm,其圆度和圆柱度均要求纳米级精度。被送入太空的哈勃望远镜(HST),可摄取亿万千米远的星球的图像,为了加工该望远镜中直径为2.4m、重达900kg的大型反光镜,专门研制了一台形状精度为0.01μm的加工光学玻璃的六轴CNC研磨抛光机。据英国Rolls-Royce公司报道,若将飞机发动机转子叶片的加工度,由60μm提高到12μm、表面粗糙度由Ra0.5μm减少到0.2μm,发动机的加速效率将从89%提高到94%;齿轮的齿形和齿距误差若能从目前的3~6μm,降低到1μm,则其单位重量所能传递的扭距可提高近1倍。 
   当前,微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛,涉及微细加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内,与计算机工业、国防工业的发展直接相关。 
   1 精密和超精密加工的技术内涵
   精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段,通常,按加工精度划分,可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展,划分的界限将逐渐向前推移,过去的精密加工对今天来说已是普通加工,因此,其划分的界限是相对的,且在具体数值上至今没有固定。

1.1 精密加工和超精密加工的范畴
   当前,精密加工是指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度为Ra0.1~0.025μm的加工技术;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的加工技术,因此,超精密加工又称之为亚微米级加工。但是,目前超精密加工已进入纳米级精度阶段,故出现了纳米加工及其相应的技术
   从精密加工和超精密加工的范畴来看,它应该包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。 
   微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术;超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术,它们是针对集成电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绝对值来表示,而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示。 
   光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法,不着重于提高加工精度,其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实际上,这些加工方法不仅能提高表面质量,而且可以提高加工精度。精整加工是近年来提出的一个新的名词术语,它与光整加工是对应的,是指既要降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质,又要提高加工精度(包括尺寸、形状位置精度)的加工方法。 
   1.2 精密加工和超精密加工方法
   根据加工方法的机理和特点,精密和超精密加工方法,可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。 
   (1)去除加工。又称为分离加工,是从工件上去除一部分材料,传统的机械加工方法,如车削、铣削、磨削、研磨和抛光等,以及特种加工中的电火花加工、电解加工等,均属这种加工方法。 
   (2)结合加工。利用物理和化学方法,将不同材料结合(bonding)在一起。按结合的机理、方法、强弱等,它又分为附着(deposition)、注入(injection)和连接(jointed)三种。①附着加工又称为沉积加工,是在工件表面上覆盖一层物质,是一种弱结合,典型的加工方法是镀;②注入加工又称为渗入加工,是在工件表面上注入某些元素,使之与基体材料产生物理化学反应,是具有共价键、离子键、金属键的强结合,用以改变工件表层材料的力学机械性质,如渗碳渗氮等;③连接是将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起,如焊接、粘接等。 
   (3)变形加工。又称为流动加工,利用力、热、分子运动等手段,使工件产生变形,改变其尺寸、形状和性能。 
   从材料在加工过程中的流动分析,去除加工是使材料逐渐减少,一部分材料变为切屑,这种流动称为分散流;结合加工是使材料逐渐增加,这种流动称为汇合流;变形加工是使材料基本不变,这种流动称为直通流[3]。多年来,传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工。近年来,提出了电铸、晶体生长、分子束外延和快速成型等加工方法,突破了传统加工概念。 
从加工方法的机理、特点和传统来分类,精密和超精密加工又可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固结磨料和游离磨料的磨削加工;非传统加工是指利用电能、磁能、声能、光能、化学能和核能等对材料进行加工和处理;复合加工是采用多种加工方法的复合作用,进行优势互补,相辅相成。当前,在制造业中,占主要地位的仍是传统加工方法。 
   2 精密和超精密加工的体系结构
   2.1 精密加工系统工程
   当前,精密加工和超精密加工已从单一的技术方法发展为制造系统工程,简称精密工程 ,其体系结构。它以人、技术、组织为基础,涉及超微量去除、结合、变形加工技术,高稳定性和高净化的加工环境,检测与误差补偿,工况监测与质量控制,被加工材料等。
精密工程是一个制造系统[3],该系统由物质分系统、信息分系统、能量分系统构成[3]。它与普通制造系统虽有许多相同的共性技术、基础和关键问题,但在精密度的层次上要高得多。 
   2.2 影响精密加工和超精密加工的因素
影响精密和超精密加工的因素很多[4],主要有以下几点。 
   2.2.1 加工机理
   近年来,在传统加工方法中,金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位;在非传统加工中,出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法,特别是复合加工,如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等,在加工机理上均有所创新。 
   在加工机理上特别提出了以快速成型为代表的“堆积”加工,这在加工技术上具有里程碑意义。

2.2.2 被加工材料
   用精密和超精密加工的零件,其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如,要求被加工材料质地均匀,性能稳定,无外部及内部微观缺陷;其化学成分的误差应在10-2~10-3数量级,不能含有杂质;其物理力学性能,如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到10-5~10-6数量级;材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中,应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等,使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性,能满足物理、化学、力学等性能要求。 
   2.2.3 加工设备及其基础元部件
   对精密和超精密加工所用的加工设备有下列要求。 
   (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,如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等; 
   (2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度,除本身刚度外,还应注意接触刚度,以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。 
   (3)高稳定性。设备在经运输、存储以后,在规定的工作环境下使用,应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。 
   (4)高自动化。为了保证加工质量,减少人为因素影响,加工设备多采用数控系统实现自动化。 
   加工设备的质量与基础元部件,如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关,应注意这些元部件质量。此外,夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。 
   2.2.4 加工工具
   加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削,值得研究的问题有:金刚石刀具的超精密刃磨,其刃口钝圆半径应达到2~4nm,同时应解决其检测方法,刃口钝圆半径与切削厚度关系密切,若切削的厚度欲达到10nm,则刃口钝圆半径应为2nm。 
磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削,这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题,通常,采用粒度为W20~W0.5的微粉金刚石,粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。 
   2.2.5 检测与误差补偿
   精密和超精密加工必须具备相应的检测手段和方法,不仅要对工件和表面质量进行检验,而且要检验加工设备和基础元部件的精度。 
   尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量,或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量;表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷,可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。 
   误差预防和误差补偿是提高精密和超精密加工精度的重要措施。误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响;误差补偿是在误差分离的基础上,利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿,以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值,在加工时通过硬件或软件进行补偿;动态误差补偿是在在线检测基础上,在加工时进行实时补偿。 
   2.2.6 工作环境
   精密和超精密加工的工作环境是保证加工质量的必要条件,影响环境主要有温度、湿度、污染和振动等因素。 
   环境温度可根据加工要求控制在±1℃~±0.02℃,甚至达到±0.0005℃。达到恒温的办法是采用多层套间,可逐步得到大恒温间、小恒温间,温度控制的精度愈来愈高,再采用局部恒温的方法,如恒温罩,罩内还可用恒温液喷淋,达到更精确的控制温度。 
   在恒温室内,一般湿度应保持在55%~60%,防止机器的锈蚀、石材膨胀,以及一些仪器,如激光干涉仪的零点漂移等。 
   污染主要是指空气中的尘埃,尘埃可能会在加工时划伤加工表面。通常,洁净度要求1000~100级,100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个,依此类推。由于大面积的超净间造价很高,且达到高洁净度的难度很大,因此,出现了超净工作台、超净工作腔等局部超净环境,采用通入正压洁净空气,以防止腔外不洁净的空气进入,保证洁净度。为了防止工作人员的衣服、肤发的污染,要穿戴专门的工作服,并要通过风淋室洁净精密和超精密加工设备须安放在带防振沟和隔振器的防振地基上,并可使用空气弹簧(垫)来隔离低频振动。

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