随着超精密机械需求的增加和电子技术的发展,精密机械加工技术日臻成熟。当前,为顺应机械加工技术继续升级的需求,超精密机械加工技术和需求也快速发展。比如:超大规模集成电路中要求在1m㎡平面上集成几十万个以上的元件,线条宽度只有1μm,形状和位置误差小于0.05μm。这就对传统机床加工精度提出了更高的要求,加工工艺等也必须相应采取有效措施来保证加工要求。
一、超精密机械加工技术的突出特点
1)加工技术超精密化。该技术相对传统精密机械加工技术,最 核心的区别就是 :加工对象、加工要求在尺寸、外型上的超精密化。
2)加工手段高智能化。传统人工凭经验、手感、目视的操作方式已无法再胜任超精密机械加工的需要,必须以更水平的自动化、智能化加工设备来确保机械加工的稳定与效率。
3)加工全过程的信息化。更水平的自动化、智能化加工设备、更加复杂繁琐加工流程,使得超精密机械加工全过程必然产生大量的输入、控制和反馈信息。因此,全加工过程必须是 对上述信息进行收集、输入、加工与处理,也就必然要依赖更加信息化的技术手段。
二、超精密机械加工的典型方法、内容及优 势
根据零件成形机理和特点,分为去除、结合和变形三类加工方法。去除加工手段有力、热、电、光等方法,操作包括切削、磨削、电加工等。结合加工操作包括电镀、气相沉积、氧 化、渗碳、粘接、焊接等。变形加工手段有力、热、分子运动等,操作包括铸造、锻压等。目前,还出现了可见加工的概念,常用手段包括堆积、生长、变形等,它强调表面处理。
超精密机械加工技术的主要内容有:1)加工机理;2)被加工材料;3)加工设备和工艺装备;4)检测;5)工作环境。
超精密机械加工的突出优点有:
1)同时确保高的材料切除率和良好经济性。
2)超精密机械加工可集中在一台车床上完成,能够实现工序集成。
三、超精密机械加工在制造业中的应用
光学表面制造技术,特别是 中大口径光学元件的加工,由于其材料的特性和光学本身对精度要求的严格性,导致了其几个世纪以来发展缓慢,且严重依赖操作者的经验和技巧。传统光学加工技术是 在17世纪牛顿开发的平、球面镜加工技术基础上发展而来的,基本原理是 磨具与镜面在全口径范围接触下的相对研磨和抛光,其加工效率低、加工周期长、质量不稳定,且难以加工相对孔 径大于1:2的镜面。这种 加工工艺不苛求加工设备本身的精度(此时机床只是 起到运动传递的作用),而更多地依赖于人工经验,被称为非 确定性超精密加工工艺。
随着现代科技的发展,由于光学元件几何尺度的极端性、材料的多样性、形面的复杂性使传统的非 确定性超精密加工工艺和设备已不能适应现代光学元件加工的需求。随着机床功能部件精度的提高以及计算机控制技术的发展,确定性超精密加工工艺和加工设备的出现有效地解决了上述问题。当今主流的超精密加工设备主要是 指确定性超精密加工设备,按照设备精度、加工方式和加工工艺分可以分为以下两大类,这两类设备采用不同的超精密工艺都能达到亚微米或更高的零件精度。两类设备均采用大理石平台为基准平台,采用大理石构件为床身结构。
第 一类是 指利用轨迹可控的刀具(如单晶金刚石刀具、砂轮等),以极高的空间运动精度完成具有光学元部件的加工,典型的设备如单点金刚石超精密车床、超精密铣床、超精密磨床等,这类超精密加工设备的主轴及导轨均采用液体静压或空气静压 轴承,一般主轴回转精度小于0.1μm,导轨运动直线度0.1~0.3μm/300mm,运动分辨率可达到1nm,此类设备也可称为运动复印型设备,即将设备的运动精度复制到被加工工件上。需要通过控制影响部件精度的各因素才能达到超精密数控机床最 终的精度,而这些影响因素通常要求做到极限:如机床的机械功能部件、机床位置检测反馈系统、伺服运动控制系统以及设备总体等必须具有极高的精度、极好的动静态特性、极高的数据处理和实时控制能力、极高的稳定性、极严格的环境要求等。
第 二类是 指基于计算机控制光学表面成型技术(ComputerControlledOpticalSurfacing,CCOS)的超精密加工设备,这类超精密加工设备与第 一类相比精度要求较低,主轴及导轨一般均采用机械滚动轴承,运动精度及定位精度均在0.01mm量级,典型的基于CCOS的超精密研抛设备包括小磨头抛光设备、应力盘抛光设备、气囊抛光设备、磁流变抛光设备、离子束抛光设备等。在此类设备进行的超精密加工工艺是 随着测量测试、计算机控制等先进技术的发展,从20世纪70年代开始相继发展的用数学模型描述工艺过程、以计算机数控技术为主导的先进光学制造技术,其原理是 利用可控的去除函数,在相对确定的位置进行确定量的材料去除,从而得到高精度高表面质量的产品。
上述两类设备构成了当今通用超精密数控加工设备的主体,也代表了一个国家超精密加工技术研究和应用的水平。通用精密加工设备一般由各大机床制造厂商提供货架式商品,用户根据加工需求进行选择订购。如果用户有特殊加工需求,如加工件的规格尺寸、材料、工艺等方面的特殊要求,可以由机床厂商为之量身设计制造专用设备,对于超精密加工设备也有类似情况。与精密加工设备相比,生产通用性超精密加工设备的厂商较少,在全世界范围内仅有几十家,大部分集中在美国、欧洲和日本。而到目前为止,国内还没有一家专业化超精密加工设备生产厂商。美国Moore公司、Precitech公司等生产的超精密切削设备,SatisLoh公司、Optech公司生产的光学铣、磨、抛设备等都属于通用设备,这些机床具备齐全的功能和较高的精度,但价格较昂贵。而专用的超精密加工机床,如磁盘车床、KDP晶体超精密飞切加工机床、大口径非 球面反射镜研抛机等。这种 机床结构较为简单,价格相对便宜,但功能单一,可加工零件种 类较少,而且需要单独专门设计,研制周期长、不能快速响应用户的需求。
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