《機(jī)械制造技術(shù)》PPT課件

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1、1,機(jī)械制造技術(shù),,第五章 精密與 超精密加工,2,,第一節(jié) 概述,精密加工----加工公差為10.00.1m,表面粗糙度Ra0.300.03m的加工精密加工,微細(xì)加工 微小尺寸的精密加工 超微細(xì)加工 微小尺寸的超精密加工,在高精度加工范圍內(nèi),根據(jù)加工精度水平的不同,可進(jìn)一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個(gè)檔次。,納米加工----加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工稱為納米加工。,超精密加工----加工公差為0.10.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工;,3, 幾種典型精密零件的加工精度,4, 精密加工與超精密加工的發(fā)展,5,,精密與

2、超精密加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平重要標(biāo)志 例:美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01m;超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1m,日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達(dá)2nm,精密加工與超精密加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵 例:美國(guó)陀螺儀球圓度0.1m,粗糙度Ra0.01m,導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi);英國(guó)飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60m降至12m,發(fā)電機(jī)壓縮效率從89%提高到94%;齒形誤差從3-4m減小1m,單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍,精密加工與超精密加工技術(shù)是新技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn) 精密與超精密加工技術(shù)涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科和多種新興技術(shù),其發(fā)展無(wú)疑會(huì)帶動(dòng)和促進(jìn)這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,精密與超精密加工地位,6,,7

3、,,精密與超精密加工特點(diǎn),8,,9,, 機(jī)理、特點(diǎn),第二節(jié) 金剛石超精密加工技術(shù),切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行(吃刀量 ) 切削力原子結(jié)合力(剪切應(yīng)力達(dá) 13000 N/ mm2) 刀尖處溫度極高,應(yīng)力極大,普通刀具難以承受 高速切削(與傳統(tǒng)精密切削相反),工件變形小,表層高溫不會(huì)波及工件內(nèi)層,可獲得高精度和好表面質(zhì)量,10,, 加工設(shè)備,要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等。, 關(guān)鍵技術(shù),11,,車(chē)床主軸裝在橫向滑臺(tái)(X軸)上,刀架裝在縱向滑臺(tái)(Z軸)上。可解決兩滑臺(tái)的相互影響問(wèn)題,而且縱、橫兩移動(dòng)軸的垂直度可以通過(guò)裝配調(diào)整保證,生產(chǎn)成本較低,已成為當(dāng)前金剛石車(chē)床的主流布局。,T形

4、布局的金剛石車(chē)床,T形布局(如圖),12,,金剛石車(chē)床主要性能指標(biāo),13,, 金剛石刀具,超精切削刀具材料:天然金剛石,人造單晶金剛石 金剛石的晶體結(jié)構(gòu):規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體,有三根4次對(duì)稱軸,四根3次對(duì)稱軸和六根2次對(duì)稱軸(圖7-20)。,14,,金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象,金剛石晶體的(111)晶面面網(wǎng)密度最大,耐磨性最好。 (100)與(110)面網(wǎng)的面間距分布均勻;(111)面網(wǎng)的面間距一寬一窄(如圖),在距離大的(111)面之間,只需擊破一個(gè)共價(jià)鍵就可以劈開(kāi),而在距離小的(111)面之間,則需擊破三個(gè)共價(jià)鍵才能劈開(kāi)。,在兩個(gè)相鄰的加強(qiáng)(111)面之間劈開(kāi),

5、可得到很平的劈開(kāi)面,稱之為“解理”。,15,金剛石刀具刃磨 通常在鑄鐵研磨盤(pán)上進(jìn)行研磨 晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行 圓角半徑越小越好(理論可達(dá)到1nm),金剛石刀具角度(如圖),16,,金剛石車(chē)床,加工4.5mm陶瓷球,金剛石車(chē)床及其加工照片,17,, 砂輪材料:金剛石,立方氮化硼(CBN),第三節(jié) 超硬磨料砂輪精密與超精密磨削,18, 電泳磨削,使用ELID磨削,冷卻液為一種特殊電解液。通電后,砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化,氧化層阻止電解進(jìn)一步進(jìn)行。在切削力作用下,氧化層脫落,露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進(jìn)行,砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程保持同一鋒利狀態(tài)。,19,

6、, 塑性(延性)磨削,磨削脆性材料時(shí),在一定工藝條件下,切屑形成與塑性材料相似,即通過(guò)剪切形式被磨粒從基體上切除下來(lái)。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理,無(wú)脆性斷裂凹凸不平,也無(wú)裂紋。 塑性磨削工藝條件: (1)切削深度小于臨界切削深度,它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般臨界切削深度1m。 為此對(duì)機(jī)床要求:高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。以免因磨粒切削深度超過(guò)1m時(shí),導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ?。高的剛性。因?yàn)樗苄阅ハ髑邢髁h(yuǎn)超過(guò)脆性磨削的水平,機(jī)床剛性低,會(huì)因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。 (2)磨粒與工件的接觸點(diǎn)的溫度高到一定程度時(shí),工件材料的局部物理特性會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致切屑形成機(jī)理的變化

7、(已有試驗(yàn)作支持)。,20,,砂帶:帶基材料為聚碳酸脂薄膜,其上植有細(xì)微砂粒。 砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行磨削或拋光。 有開(kāi)式(右圖)和閉式兩種形式,可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等。, 精密與超精密砂帶磨削,21,,用于磨削管件的砂帶磨床(帶有行星系統(tǒng)),22,幾種常見(jiàn)砂帶磨削方式,23,,,砂帶磨削特點(diǎn),1)砂帶與工件柔性接觸,磨粒載荷小,且均勻,工件受力、熱作用小,加工質(zhì)量好( Ra 值可達(dá) 0.02m)。,3)強(qiáng)力砂帶磨削,磨削比(切除工件重量與砂輪磨耗重量之比)高,有“高效磨削”之稱。 4)制作簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,使用方便。 5)可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。,2)靜

8、電植砂,磨粒有方向性,尖端向上(右圖),摩擦生熱小,磨屑不易堵塞砂輪,磨削性能好。,24,,機(jī)理:微切削被加工材料的微塑性流動(dòng)作用, 彈性發(fā)射加工, 游離磨料加工,拋光輪: 由聚氨基甲酸(乙)酯制成,磨料直徑 0.10.01m,25,,工作原理(右圖) 拋光工具上開(kāi)有鋸齒槽,靠楔形擠壓和拋光液的反彈,增加微切削作用。 機(jī)理:微切削作用。,工作原理(右圖) 活性拋光液和磨粒與工件表面產(chǎn)生固相反應(yīng),形成軟粒子,使其便于加工。 機(jī)理:機(jī)械+化學(xué)作用,稱為“增壓活化”。, 液體動(dòng)力拋光, 機(jī)械化學(xué)拋光,26,,激光由于其優(yōu)良的特性(強(qiáng)度高,亮度大,單色性、相干性、方向性好等)在精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

9、 可以測(cè)量長(zhǎng)度,小角度,直線度,平面度,垂直度等; 也可以測(cè)量位移,速度,振動(dòng),微觀表面形貌等; 還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量,在線測(cè)量,并易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。 激光測(cè)量精度目前可達(dá)0.01m。,激光測(cè)量,27,激光高速掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)(如下圖),28,經(jīng)分光鏡,折射一小部分,經(jīng)干涉測(cè)量?jī)x獲得拍頻f(= f1 f2)的參考信號(hào)。大部分激光到偏振分光鏡:垂直線偏振光f1被反射,再經(jīng)固定反射棱鏡反射回來(lái);水平線偏振光 f2全部透射,再經(jīng)移動(dòng)反射棱鏡反射回來(lái)。,該信號(hào)與參考信號(hào)比較, 獲得f2 的具有長(zhǎng)度單位當(dāng)量的電信號(hào)。由于使用頻率差f 進(jìn)行測(cè)量,使其不受環(huán)境變化影響,可獲得高的測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性。,

10、氦氖激光器發(fā)出的激光,在軸向強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,產(chǎn)生頻率 f1和f2旋向相反的圓偏振光,經(jīng)1/4波片形成頻率f1的垂直線偏振光和頻率f2的水平線偏振光。經(jīng)透鏡組成平行光束。,,雙頻激光測(cè)量,7.2.1 精密與超精密加工技術(shù),29,,雙頻激光測(cè)量系統(tǒng),30,,恒溫要求:1 0.01 實(shí)現(xiàn)方法:大、小恒溫間+局部恒溫(恒溫罩,恒溫油噴淋),恒濕要求:相對(duì)濕度35%45%,波動(dòng)10% 1% 實(shí)現(xiàn)方法:采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),凈化要求:10000100級(jí)(100級(jí)系指每立方英尺空氣中所含大于0.5m塵埃個(gè)數(shù)不超過(guò)100) 實(shí)現(xiàn)方法:采用空氣過(guò)濾器,送入潔凈空氣,隔振要求:消除內(nèi)部、隔絕外部

11、振動(dòng)干擾 實(shí)現(xiàn)方法:隔振地基,隔振墊層,空氣彈簧隔振器,精密與超精密加工環(huán)境,31,微細(xì)加工 通常指1mm以下微細(xì)尺寸零件的加工,其加工誤差為0.1m 10m 。 超微細(xì)加工 通常指1m以下超微細(xì)尺寸零件的加工,其加工誤差為0.01m 0.1m。 精度表示方法一般尺寸加工,其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示;微細(xì)加工,其精度用誤差尺寸絕對(duì)值表示。 “加工單位” 去除一塊材料的大小,對(duì)于微細(xì)加工,加工單位可以到分子級(jí)或原子級(jí)。 微切削機(jī)理切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行,切削力要超過(guò)晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力,單位面積切削阻力急劇增大。,第四節(jié) 微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù),32,,33,,主要采用銑、鉆

12、和車(chē)三種形式,可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。 刀具:多用單晶金剛石車(chē)刀、銑刀(右圖)。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑(可小到5m)靠刀尖相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來(lái)得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時(shí),刀具的切削刃形成一個(gè)圓錐形的切削面。,,34,,微小位移機(jī)構(gòu) ,微量移動(dòng)應(yīng)可小至幾十個(gè)納米 。 高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌支承系統(tǒng),以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。 高的定位精度和重復(fù)定位精度,高平穩(wěn)性的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。 高的主軸轉(zhuǎn)速及動(dòng)平衡。 穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動(dòng)干擾。 具有刀具破損檢測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)。,, 微細(xì)機(jī)械加工設(shè)備,35,,,機(jī)床有X、Z、C、B四個(gè)軸,

13、在B 軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上增加A軸轉(zhuǎn)臺(tái)后,可實(shí)現(xiàn)5軸控制,數(shù)控系統(tǒng)的最小設(shè)定單位為1nm。可進(jìn)行車(chē)、銑、磨和電火花加工。 旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器半閉環(huán)控制,直線軸則采用激光全息式全閉環(huán)控制。 為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦,導(dǎo)軌、絲杠螺母副以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓結(jié)構(gòu)。,FANUC 微型超精密加工機(jī)床, FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工機(jī)床,36,,載流導(dǎo)體: 逆壓電材料(如壓電陶瓷PZT)電場(chǎng)作用引起晶體內(nèi)正負(fù)電荷重心位移(極化位移),導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。 磁致伸縮材料(如某些強(qiáng)磁材料)磁場(chǎng)作用引起晶體發(fā)生應(yīng)變。, 直接線性驅(qū)動(dòng)(直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)),37,電磁驅(qū)動(dòng)裝

14、置(直線電機(jī))工作原理,38,,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)(YOKOGAWA公司),39,,直線驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較,40,電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以510mm/min的低速滑動(dòng),可加工圓柱形的軸。如導(dǎo)絲器通過(guò)數(shù)字控制作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),還可加工出各種形狀的桿件(下圖)。,, 線放電磨削法(WEDG),41,,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過(guò)程, 光刻加工(電子束光刻大規(guī)模集成電路),42,要求:定位精度 0.1m,重復(fù)定位精度 0.01m 導(dǎo)軌:硬質(zhì)合金滾動(dòng)體導(dǎo)軌,或液(氣)靜壓導(dǎo)軌 工作臺(tái):粗動(dòng) 伺服電機(jī) + 滾珠絲杠 微動(dòng) 壓電晶體電致伸縮機(jī)構(gòu),工作臺(tái)微動(dòng)的形成: X運(yùn)動(dòng): Py1 Py2

15、 Px長(zhǎng)度變化 Y運(yùn)動(dòng): Py1 Py2 Py1長(zhǎng)度變化 Z轉(zhuǎn)動(dòng): Py1 Py2, 加工設(shè)備(電子束光刻大規(guī)模集成電路),43,利用氬(Ar)離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級(jí)動(dòng)能的惰性氣體離子,在電場(chǎng)中加速,以極高速度“轟擊”工件表面,進(jìn)行“濺射”加工。,44,,將被加速的離子聚焦成細(xì)束,射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后,打出原子或分子,實(shí)現(xiàn)分子級(jí)去除加工。,離子束濺射去除加工, 四種工作方式,45,離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形(需要5坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)),金剛石刀具和沖頭的刃磨,大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。,離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。,46,,

16、,離子束濺射鍍膜加工,用加速的離子從靶材上打出原子或分子,并將這些原子或分子附著到工件上,形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”,離子鍍氮化鈦,即美觀,又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。,濺射鍍膜可鍍金屬,也可鍍非金屬。 由于濺射出來(lái)的原子和分子有相當(dāng)大的動(dòng)能,故鍍膜附著力極強(qiáng)(與蒸鍍、電鍍相比)。,47,,,用高能離子(數(shù)十萬(wàn)KeV)轟擊工件表面,離子打入工件表層,其電荷被中和,并留在工件中(置換原子或填隙原子),從而改變工件材料和性質(zhì)。 可用于半導(dǎo)體摻雜(在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì),用于晶體管、集成電路、太陽(yáng)能電池制作),金屬材料改性(提高刀具刃口硬度)等方面。,離子束濺射注入加工,離子束

17、曝光,用在大規(guī)模集成電路制作中,與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。,48,, 通常指納米級(jí)(0.1nm100nm)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 在達(dá)到納米層次后,決非幾何上的“相似縮小”,而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動(dòng)特性、微觀漲落等不可忽略,甚至成為主導(dǎo)因素。,, 納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容,納米級(jí)精度和表面形貌測(cè)量及表面層物理、化學(xué)性能檢測(cè); 納米級(jí)加工; 納米材料; 納米級(jí)傳感與控制技術(shù); 微型與超微型機(jī)械。,第五節(jié) 納米技術(shù),49,,,掃描隧道顯微測(cè)量(STM),掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士

18、蘇黎世實(shí)驗(yàn)室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明,可用于觀察物體 級(jí)的表面形貌。被列為20世紀(jì)80年度世界十大科技成果之一,1986年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,STM工作原理基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)兩電極之間距離縮小到1nm時(shí),由于粒子波動(dòng)性,電流會(huì)在外加電場(chǎng)作用下,穿過(guò)絕緣勢(shì)壘,從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。當(dāng)一個(gè)電極為非常尖銳的探針時(shí),由于尖端放電使隧道電流加大。,G.Binning H.Rohrer,50,,,STM,STM工作過(guò)程演示,STM實(shí)物照片,51,,,通過(guò)掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個(gè)原子排出的“IBM”字樣,石墨三維圖像,用STM移動(dòng)分子組成的IBM字樣,

19、用STM觀察石墨原子排列,52,,,當(dāng)探針與試件表面距離達(dá)1nm時(shí),形成隧道結(jié)。當(dāng)偏壓Ub小于勢(shì)壘高度時(shí),隧道電流密度為:,式中 h 普郎克常數(shù); e 電子電量; ka,k0 系數(shù)。,由上式可見(jiàn),探針與試件表面距離 d 對(duì)隧道電流密度非常敏感,這正是STM的基礎(chǔ)。,53,,兩種測(cè)量模式,54,,,關(guān)鍵技術(shù): (1)STM探針金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕,在腐蝕斷裂瞬間切斷電流,獲得尖峰,曲率半徑為10nm左右。,STM針尖,55,(2)隧道電流反饋控制,56,,(3)納米級(jí)掃描運(yùn)動(dòng)壓電陶瓷掃描管,(4)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理由軟件完成。,壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)陶瓷管內(nèi)壁接地,X軸兩外壁電

20、極電壓相反時(shí),陶瓷管一側(cè)伸長(zhǎng),另一側(cè)縮短,形成X方向掃描(圖b ) 。若兩外壁電極電壓相同,則陶瓷管伸長(zhǎng)或縮短,形成Z方向位移。,壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖a ,其工作原理見(jiàn)圖b。,57,,, 原子力顯微鏡(AFM),當(dāng)兩原子間距離縮小到 級(jí)時(shí),原子間作用力顯示出來(lái),造成兩原子勢(shì)壘高度降低,兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當(dāng)兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時(shí),由于原子間電子云的不相容性,兩者之間又產(chǎn)生排斥力。,AFM兩種測(cè)量模式: 接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm,利用原子間的排斥力。由于分辨率高,目前采用較多。其工作原理是:保持探針與被測(cè)表面間的原子排斥力一定,探針掃描時(shí)的垂直位移即反映被測(cè)表面形貌。

21、 非接觸式探針針尖與試件表面距離為0.51nm,利用原子間的吸引力。,為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測(cè)量,借鑒掃描隧道顯微鏡原理,C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。,58,,AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面,原子排斥力將探針微微抬起。達(dá)到力平衡。 AFM探針掃描時(shí),因微力簧片壓力基本不變,探針隨被測(cè)表面起伏。,AFM結(jié)構(gòu),在簧片上方安裝STM探針, STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流,若控制電流不變,則STM探針與AFM探針(微力簧片)同步位移,于是可測(cè)出試件表面微觀形貌。,59,AFM實(shí)物照片,,,掃描探針,磁盤(pán)圖像,60,,1)以同步加速器放射的短波長(zhǎng)(1nm)X射線作為曝光光源,

22、在厚度達(dá)0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實(shí)體; 2)用曝光蝕刻圖形實(shí)體作電鑄模具,生成鑄型; 3)以生成的鑄型作為模具,加工出所需微型零件。,LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個(gè)主要工序:,61,,,LIGA工作現(xiàn)場(chǎng),62,,, LIGA特點(diǎn),用材廣泛,可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度達(dá)0.10.5mm,高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu),形狀精度達(dá)亞微米, LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用,微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等 廣泛應(yīng)用于加工、測(cè)量、自動(dòng)化、電子、生物、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制,成本較低,

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