• 超精密加工方法及其影响因素
    发布日期:2018-07-30

      超加工技术是20世纪60年代发展和完善起来的,现已成为当代高技术产品的关键制造技术。近20年来,超加工不仅进入到国民经济的各个领域,而且正从单件小批生产方式走向规模生产,可以预见,随着新产品的不断涌现,超加工的应用范围将进一步扩大。而我国超加工技术起步较晚,技术水平与发达   相比也有   差距,因此,寻求超加工新的方法并探讨其影响因素就成为目前迫在眉睫的问题。

      一、超加工技术简介

      目前,超加工是指精度在0.1~0.01μm,表面粗糙度Ra值在0.03~0.05μm的加工技术,如金刚石刀具超切削、超磨料加工、超特种加工和复合加工等。它适用于元件、计量标准元件、大规模和规模集成电路的制造。而且,超加工的精度正处在亚纳米级工艺,日趋向纳米级工艺发展。

      二、超加工方法

      根据加工方法的机理和特点,超加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。

      (一)去除加工

      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,如在铸铁平板上完成的车削、铣削、磨削、研磨和抛光,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。

      (二)结合加工

      结合加工利用物化方法,将不同材料结合在一起。按结合的机理不同,它又分为附着、注入和连接加工三种。

      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,其中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.连接加工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。

      (三)变形加工

      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,从而改变其尺寸、形状和性能。

      三、超加工技术的影响因素

      影响超加工技术的因素很多,主要表现为以下几点:

      (一)加工机理

      近年来,在传统加工方法中,金刚石刀具超切削、金刚石微粉砂轮超磨削、高速切削、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   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、超声研磨等,在加工机理上均有所创新,尤其以成型为代表的“堆积”加工,在加工技术领域具有里程碑意义。

      (二)被加工材料

      超加工的零件,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,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   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。

      (三)加工设备及其基础元部件

      对超加工所用的加工设备有下列要求:1.。包括高静精度和高动精度,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、检验平板精度、分度精度等;2.高刚度。包括高静刚度和高动刚度,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、抗干扰及稳定性。设备应具有良好的、抗振性等;4.高自动化。为了加工质量,减少人为因素影响,加工设备多采用数控系统实现自动化。

      (四)加工工具

      加工工具主要是指刀具和磨具。用金刚石刀具超切削,值得研究的问题有:金刚石刀具的超刃磨,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。

      (五)检测与误差补偿

      超加工   具备相应的检测方法,不仅要对工件表面质量进行检验,而且要检验加工设备和基础元部件的精度。其尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪等来测量;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、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。

      误差预防是通过提高机床制造精度、加工环境等来减少误差源对其影响;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,以误差本身的影响,其中静态误差补偿是根据事先测出的误差值,在加工时通件或软件进行补偿;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。

      (六)工作环境

      超加工的工作环境是加工质量的   条件,环境因素主要指温度。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      的控制温度。

      基于超加工技术的重要性,对该技术的研究和都投入了大量的人力和财力,很多学者也在这方面做着大量的研究和实验,相信在不久的将来超加工技术   会取得   大的进展。


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