超精密機(jī)械加工方法與類型(車銑鉆磨等)探討

1、超精密機(jī)械加工方法與類型 （車銑鉆磨等）探討班級(jí)：拓展3班姓名：王建鵬學(xué)號(hào)：201224370326指導(dǎo)老師：郭洋超精密機(jī)械加工方法與類型（車銑鉆磨等）探討摘要：20世紀(jì)60年代為了適應(yīng)核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的一種加工技術(shù)。到80年代初，其最高加工尺寸精度已可達(dá)10納米(1納米=0.001微米)級(jí)，表面粗糙度達(dá)1納米，加工的最小尺寸達(dá) 1微米，正在向納米級(jí)加工尺寸精度的目標(biāo)前進(jìn)。納米級(jí)的超精密加工也稱為納米工藝(nano-technology) 。超精密加工是處于發(fā)展中的跨學(xué)科綜合技術(shù)。超精加工的分類有去除加工、結(jié)合加工、變形加工。1 超精密機(jī)械加

2、工技術(shù)概述傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法(普通加工)與精密和超精密加工方法一樣。隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新的測(cè)試技術(shù)和儀器的采用，其加工精度都在不斷地提高。加工精度的不斷提高，反映了加工工件時(shí)材料的分割水平不斷由宏觀進(jìn)人微觀世界的發(fā)展趨勢(shì)。隨著時(shí)間的進(jìn)展，原來認(rèn)為是難以達(dá)到的加工精度會(huì)變得相對(duì)容易。因此，普通加工、精密加工和超精密加工只是一個(gè)相對(duì)概念?其間的界限隨著時(shí)間的推移不斷變化。精密切削與超精密加工的典型代表是金剛石切削。以金剛石切削為例。其刀刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發(fā)展。因?yàn)樗拇笮≈苯佑绊懙奖患庸け砻娴拇植诙龋c光學(xué)鏡面的反射率直接有關(guān)，對(duì)儀器設(shè)備的反射率要求越來越高。如激光陀螺反射

3、鏡的反射率已提出要達(dá)到99.99%，這就必然要求金剛石刀具更加鋒利。為了進(jìn)行切極薄試驗(yàn)，目標(biāo)是達(dá)到切屑厚度nm，其刀具刃口圓弧半徑應(yīng)趨近2.4nm。為了達(dá)到這個(gè)高度，促使金剛石研磨機(jī)改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其中主軸軸承采用了空氣軸承作為支承，研磨盤的端面跳動(dòng)可在機(jī)床上自行修正，使其端面跳動(dòng)控制在0.5m以下。刀具方面，采用金剛石砂輪，控制背吃刀量和進(jìn)給量，在超精密磨床上，可以進(jìn)行延性方式磨削，即納米磨削。即使是玻璃的表面也可以獲得光學(xué)鏡面。2精密加工和超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)從長遠(yuǎn)發(fā)展的觀點(diǎn)來看，制造技術(shù)是當(dāng)前世界各國發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的主攻方向和戰(zhàn)略決策，是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段之一，同時(shí)又是一個(gè)國家獨(dú)

4、立自主、繁榮昌盛、經(jīng)濟(jì)上持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、科技上保持領(lǐng)先的長遠(yuǎn)大計(jì)?？萍嫉陌l(fā)展對(duì)精密加工和超精密加工技術(shù)也提出了更高的要求。從大到天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡，小到大規(guī)模集成電路線寬m要求的微細(xì)工程和微機(jī)械的微納米尺寸零件，不論體積大小，其最高尺寸精度都趨近于納米;零件形狀也日益復(fù)雜化，各種非球面已是當(dāng)前非常典型的幾何形狀。微機(jī)械技術(shù)為超精密制造技術(shù)引來一種嶄新的態(tài)勢(shì)?它的微細(xì)程度使傳統(tǒng)的制造技術(shù)面臨一種新的挑戰(zhàn)，促進(jìn)了各種產(chǎn)品技術(shù)性能的提高，發(fā)展過程呈現(xiàn)出螺旋式循環(huán)發(fā)展，直接對(duì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類文明作出貢獻(xiàn)。對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量、小型化、高可靠性和高性能的追求，使超精密加工技術(shù)得以迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為現(xiàn)代制造工業(yè)的

5、重要組成部分。2超精密機(jī)械加工類型一、概述a刨床系指用刨刀加工工件表面的機(jī)床。刀具與工件做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，主要用于各種平面與溝槽加工，也可用于直線成形面的加工。按其結(jié)構(gòu)可分為以下類型：(1)懸臂刨床：具有單立柱和懸臂的刨床，工作臺(tái)沿床身導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，垂直刀架可沿懸臂導(dǎo)軌橫向移動(dòng)、側(cè)刀架沿立柱導(dǎo)軌垂向移動(dòng)。(2)龍門刨床：具有雙立柱和橫梁，工作臺(tái)沿床身導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，立柱和橫梁分別裝有可移動(dòng)側(cè)刀架和垂直刀架的刨床。(3)牛頭刨床：刨刀安裝在滑枕的刀架上作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刨床。通常工作臺(tái)作橫向或垂向間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。(4)插床(立刨床)：該類機(jī)床刀具在垂直面內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

6、。b磨床系指用磨具或磨料加工工件各種表面的機(jī)床。一般用于對(duì)零件淬硬表面做磨削加工。通常，磨具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，工件或磨具的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其應(yīng)用廣泛、加工精度高、表面粗糙度Ra值小，磨床可分為十余種：(1)外圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形外表面的磨床。(2)內(nèi)圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形內(nèi)表面的磨床。(3)座標(biāo)磨床：具有精密座標(biāo)定位裝置的內(nèi)圓磨床。(4)無心磨床：工件采用無心夾持，一般支承在導(dǎo)輪和托架之間，由導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，主要用于磨削圓柱形表面的磨床。(5)平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。(6)砂帶磨床：用快速運(yùn)動(dòng)的砂帶進(jìn)行磨削的磨床。(

7、7)珩磨機(jī)：用于珩磨工件各種表面的磨床。(8)研磨機(jī)：用于研磨工件平面或圓柱形內(nèi)，外表面的磨床。(9)導(dǎo)軌磨床：主要用于磨削機(jī)床導(dǎo)軌面的磨床。(10)工具磨床：用于磨削工具的磨床。(11)多用磨床：用于磨削圓柱、圓錐形內(nèi)、外表面或平面，并能用隨動(dòng)裝置及附件磨削多種工件的磨床。(12)專用磨床：從事對(duì)某類零件進(jìn)行磨削的專用機(jī)床。按其加工對(duì)象又可分為：花鍵軸磨床、曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、螺紋磨床、曲線磨床等。c鉆床系指主要用鉆頭在工件上加工孔的機(jī)床。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，鉆頭軸向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床結(jié)構(gòu)簡單，加工精度相對(duì)較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴(kuò)、锪孔，鉸孔或進(jìn)行攻絲等加工。鉆

8、床可分為下列類型：(1)臺(tái)式鉆床：可安放在作業(yè)臺(tái)上，主軸垂直布置的小型鉆床。(2)立式鉆床：主軸箱和工作臺(tái)安置在立柱上，主軸垂直布置的鉆床。(3)搖臂鉆床：搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)、升降，通常主軸箱可在搖臂上作水平移動(dòng)的鉆床。它適用于大件和不同方位孔的加工。(4)銑鉆床：工作臺(tái)可縱橫向移動(dòng)，鉆軸垂直布置，能進(jìn)行銑削的鉆床。(5)深孔鉆床：使用特制深孔鉆頭，工件旋轉(zhuǎn)，鉆削深孔的鉆床。(6)平端面中心孔鉆床：切削軸類端面和用中心鉆加工的中心孔鉆床。(7)臥式鉆床：主軸水平布置，主軸箱可垂直移動(dòng)的鉆床。d鏜床系指主要用鏜刀在工件上加工已有預(yù)制孔的機(jī)床。通常，鏜刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，鏜刀或工件的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它主

9、要用于加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關(guān)的其他加工面的加工。二、 按結(jié)構(gòu)和被加工對(duì)象分(1)臥式鏜床：鏜軸水平布置并做軸向進(jìn)給，主軸箱沿前立柱導(dǎo)軌垂直移動(dòng)，工作臺(tái)做縱向或橫向移動(dòng)，進(jìn)行鏜削加工。這種機(jī)床應(yīng)用廣泛且比較經(jīng)濟(jì)，它主要用于箱體(或支架)類零件的孔加工及其與孔有關(guān)的其他加工面加工。(2)坐標(biāo)鏜床：具有精密坐標(biāo)定位裝置的鏜床，它主要用于鏜削尺寸、形狀、特別是位置精度要求較高的孔系，也可用于精密坐標(biāo)測(cè)量、樣板劃線、刻度等工作。(3)精鏜床：用金剛石或硬質(zhì)合金等刀具，進(jìn)行精密鏜孔的鏜床。(4)深孔鏜床：用于鏜削深孔的鏜床。(5)落地鏜床：工件安置在落地工作

10、臺(tái)上，立柱沿床身縱向或橫向運(yùn)動(dòng)。用于加工大型工件。此外還有能進(jìn)行銑削的銑鏜床，或進(jìn)行鉆削的深孔鉆鏜床。3、超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。(1)20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀(jì)50年代末，出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削-單點(diǎn)金剛石切削(Single point diamond tuming，SPDT)技術(shù)，又稱為"微英寸技術(shù)"，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceL

11、ivemoreLaboratories陸續(xù)推出各自的超精密金剛石車床，但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗(yàn)研究，并以國防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時(shí)期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。(2)20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀(jì)80年代，美國政府推動(dòng)數(shù)家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商

12、品的制造。但此時(shí)的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機(jī)的形式訂作。在這一時(shí)期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點(diǎn)是使用高剛性機(jī)構(gòu)，以極小切深對(duì)脆性材料進(jìn)行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級(jí)表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀(jì)80年代后期，美國通過能源部"激光核聚變項(xiàng)目"和陸、海、空三軍"先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃"對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金

13、剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為1.625m的立式車床，定位精度可達(dá)28nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。(3)20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)的需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空

14、氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平，加工行程變得更大，加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。4、世界發(fā)展?fàn)顩r世界上的超精密加工強(qiáng)國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、x射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。如美國太空署(NASA)推動(dòng)的太空開發(fā)計(jì)劃，以制作

15、1m以上反射鏡為目標(biāo)，目的是探測(cè)x射線等短波(O.130nm)。由于X射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達(dá)到埃級(jí)來提高反射率。此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量儀器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，具有優(yōu)勢(shì)，甚至超過了美國。日本超精密加 我國精密和超精密加工發(fā)展策略我國精密和超精密加工經(jīng)過數(shù)

16、十年的努力，日趨成熟。不論是精密機(jī)床、金剛石工具，還是精密加工工藝已形成了一整套完整的精密制造技術(shù)系統(tǒng)，為推動(dòng)機(jī)械制造向更高層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正在向納米級(jí)精度或毫微米精度邁進(jìn)，其前景十分令人鼓舞。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈?越來越多的制造業(yè)開始將大量的人力、財(cái)力和物力投入先進(jìn)的制造技術(shù)和先進(jìn)的制造模式的研究和實(shí)施策略之中。5、總結(jié)盡管隨時(shí)代的變化，超精密加工技術(shù)不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同，但促進(jìn)超精密加工發(fā)展的因素在本質(zhì)上是相同的。這些因素可歸結(jié)如下。(1)對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使

17、電子元件的功能正常發(fā)揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質(zhì)層。按美國微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求，下一代計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra0.2nm，磁盤要求表面劃痕深度hlnm，表面粗糙度Ra0.1nmp。1983年TANIGUCHI對(duì)各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以此為基礎(chǔ)，BYRNE描繪了20世紀(jì)40年代后加工精度的發(fā)展。(2)對(duì)產(chǎn)品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從19892001年，從6.2kg降低到1.8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質(zhì)量及其完整性越來越重要。(3)對(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承