超精密加工

   時間:2014-03-11 13:27:01
超精密加工簡介
     超精密加工的市場需求 精密、超精密加工是個相對概念,而且隨著工藝水平的普遍提高,不同年代有著不同的……
超精密加工正文
   超精密加工的市場需求
精密、超精密加工是個相對概念,而且隨著工藝水平的普遍提高,不同年代有著不同的劃分界限,但並無嚴格統一的標準。從目前機械加工的工藝水平來看,超精密加工一般指加工精度<0.3µm,表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工。同時也包含加工尺寸在微米級的微細加工。 

超精密切削加工機床示例(圖為SHPERE-200超精密球面鏡機床)隨著科學技術的發展,特別是許多高新科技的發展,使超精密加工的市場需求呈現出如下的特點:
要求超精密加工的機電產品元器件越來越多,不僅有傳統的光學零件、塊規等,而且有現代IT中廣泛採用之大規模集成電路的各種晶元,計算機用的磁碟、光碟,複印機用的磁鼓;核聚變用的激光反射鏡;導彈制導系統用的激光反射鏡;導航用的陀螺儀腔體;氣浮和靜電陀螺儀的球狀支承;人造衛星姿態控制用的過半球體;衛星、航天器上各種儀器儀錶用的真空無潤滑軸承;全球定位系統(GPS)和電子對抗技術中用的砷化鎵半導體大規模集成電路;紅外夜視設備、大型天文望遠鏡和太空望遠鏡中用的球面和非球面光學透鏡,以及多種軍、民使用的高新科技產品中的精密零部件等。
相同品名的元器件要求超精密加工的數量越來越大。例如有些品名,以前只是單件或小批生產,用於實驗性的產品上,現在則要求批量乃至大批量規模生產,用在軍、民使用的高新科技產品上,如大規模集成電路用的矽片、磁碟、磁鼓等,年需求量數以百萬、千萬件計。
要求超精密加工的表面形狀越來越複雜,精度要求也越來越高。其中不僅有平面、圓柱面,還有球面、非球形曲面、拋物面等。其面形精度一般都要求控制在加工尺寸(用mm表示)的10%(用nm表示,實質上是百萬分之一)以內,也就是說,加工Ø100mm直徑的外圓時,加工圓度要求要控制在100×10%=10nm以內。加工的表面粗糙度Ra值則在2nm~10nm之間。
要求超精密加工的材料也越來越廣泛;不僅有黑色金屬、有色金屬、還有玻璃、陶瓷和各種半導體材料,如硅、砷化鎵、碲鎘汞晶體等。
要求超精密加工的零件尺寸在向大型(Ø2m以上)和微型(微米、納米級)兩極發展。
總而言之,超精密加工的市場需求在迅速擴大。目前雖無直接的數據說明,但有一些數據也可以作為佐證的。例如,目前以半導體IC為基礎的電子信息產品的世界貿易額已達到一萬億美元,是世界第一大產業;2003年中國的電子電訊設備製造業的產值達14917.6億元人民幣。全球的IC有90%以上都要採用矽片,而大規模和超大規模的IC晶元(主要為矽片)都要用超精密加工來進行生產。美國為了部署戰略導彈防禦系統和發展先進武器,大大增加國防開支;許多國家也為了自身的安全和防衛而提高對高新科技研發的投入和國防費用,所有這些將擴大對超精密加工的市場需求。
實現超精密加工基本條件
為了能實現超精密加工並獲得預期的加工效果,必須具備下述基本條件:
被加工工件的材質要密實;各向的同一性要好(最好為單晶);表層硬度和彈性模量要恆定一致;可加工性要好;材料的化學成份與機械物理性能對標準值的偏差不應超過0.1%。
選用的超精密加工工藝方法要與被加工材料相匹配。例如,有色金屬材料(如銅、鋁合金)宜用單點金剛石刀具進行車削或銑削加工;黑色金屬材料(如鋼等)則宜選磨削與研、拋等工藝,否則得不到預期的加工效果等。
加工環境要嚴格恆溫、隔振和凈化。恆溫室(第一分隔區)中的溫度波動不得大於±0.1°C;加工區(第二分隔區)中則不應超過±0.01°C;環境的相對濕度要保持在40%±10%以內;大氣壓力(如用激光測量儀時)應保持1MPa±0.1%;機床地基的隔振系統固有頻率<2Hz;加工區的凈化度應為每立方英尺中大於0.1µm的微粒含量應不多於10顆。
具有能實現納米級(1nm ~10nm)增量進給的機床和分辨力優於0.1nm的測量設備,如激光干涉儀,掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。
超精密加工的工藝方法
根據被加工件的材料和形面的不同,常用的超精密加工工藝方法主要分三大類:切削加工法、磨削加工(含研、拋)法和電物理加工法。
切削加工法
切削加工法主要是採用優質的天然金剛石作刀具的切削刃,對有色金屬、玻璃或陶瓷工件進行車削和銑削加工,可以加工端面、球面和拋物面等曲面


超精密切削加工形面示例(圖為各種鏡面切削加工的形面)超精密車削加工中,金剛石刀具的刃磨是關鍵。刀尖的圓弧半徑應為被加工表面要求值的五分之一左右,一般γc小於10nm,用鑄鐵研具進行研拋時,可獲得γc=3~5nm。再小的γc值則要用離子束加工來獲得。實踐證明,採用這樣的刀具,便

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