机械制造技术课件

机械制造技术机械制造技术第五章第五章 精密与精密与超精密加工超精密加工1第一节 概述u精密加工精密加工-加工公差为加工公差为10.00.1m，外表粗糙度，外表粗糙度Ra0.300.03m的加工精的加工精密加工密加工微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。u纳米加工纳米加工-加工公差小于加工公差小于0.01m、外表粗糙度外表粗糙度Ra小于小于0.005m的加工称为纳的加工称为纳米加工。米加工。u超精密加工超精密加工-加工公差为加工公差为0.10.01m、外表粗糙度、外表粗糙度Ra0.030.005m的加工超精密加工；的加工超精密加工；2 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度几种典型精密零件的加工精度3精密加工与超精密加工的发展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份 精密加工与超精密加工的开展精密加工与超精密加工的开展4 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术根底和关键精密加工与超精密加工技术是先进制造技术根底和关键例例：美美国国陀陀螺螺仪仪球球圆圆度度0.1m0.1m，粗粗糙糙度度Ra0.01mRa0.01m，导导弹弹命命中中精精度度控控制制在在50m50m范范围围内内；英英国国飞飞机机发发电电机机转转子子叶叶片片加加工工误误差差从从60m60m降降至至12m12m，发发电电机机压压缩缩效效率率从从89%89%提提高高到到94%94%；齿齿形形误误差差从从3-4m3-4m减减小小1m1m，单单位位重重量量齿齿轮轮箱箱扭扭矩矩可提高一倍可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精精密密与与超超精精密密加加工工技技术术涉涉及及多多种种根根底底学学科科和和多多种种新新兴兴技技术，其开展无疑会带动和促进这些相关科学技术的开展术，其开展无疑会带动和促进这些相关科学技术的开展q 精密与超精密加工地位精密与超精密加工地位5结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向精密与超精密加工分类6 直直接接式式进进化化加加工工：利利用用低低于于工工件件精精度度的的设设备备、工工具具，通通过过工工艺艺手手段段和和特特殊殊工工艺艺装装备备，加加工工出出所所需需工工件件。适适用用于单件、小批生产。于单件、小批生产。间间接接式式进进化化加加工工：借借助助于于直直接接式式“进进化化”加加工工原原则则，生生产产出出第第二二代代工工作作母母机机，再再用用此此工工作作母母机机加加工工工工件件。适适用于批量生产用于批量生产。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点精密与超精密加工特点7要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。8 用用于于铜铜、铝铝及及其其合合金金精精密密切切削削（切切铁铁金金属属，由由于于亲亲合合作用，产生作用，产生“碳化碳化磨损磨损”，影响刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典典型型产产品品：光光学学反反射射镜镜、射射电电望望远远镜镜主主镜镜面面、大大型型投投影电视屏幕、影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用应用 机理、特点机理、特点第二节第二节 金刚石超精密加工技术金刚石超精密加工技术 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行(吃刀量吃刀量 )切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N 13000 N/mmmm2 2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高高速速切切削削（与与传传统统精精密密切切削削相相反反），工工件件变变形形小小，表表层高温不会层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量9 加工设备 要要求求高高精精度度、高高刚刚度度、良良好好稳稳定定性性、抗抗振振性性及及数控功能等。数控功能等。关键技术关键技术Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如如美美国国MooreMoore公公司司M-M-18AG18AG金金刚刚石石车车床床，主主轴轴采采用用空空气气静静压压轴轴承承，转转速速50005000转转/分分，径径跳跳0.1m0.1m；液液体体静静压压导导轨轨，直直 线线 度度 达达 0.05/100mm0.05/100mm；数数 控控 系系统分辨率统分辨率0.01 0.01。10车床主轴装在横向滑台X轴上，刀架装在纵向滑台Z轴上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产本钱较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。T形布局的金刚石车床 T T形布局如图形布局如图11 金刚石车床主要性能指标金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/m40020050001000050000.10.010.2/1000.10.11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速 r/mm最大进给速度mm/min重复精度(2)/m主轴径向圆跳动/m滑台运动的直线度/m主轴前静压轴承（100mm）的刚度/（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度/（N/m）纵横滑台的静压支承刚度/（N/m）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/m横滑台对主轴的垂直度/m12 金刚石刀具金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根十二面体和六面体，有三根4 4次对称轴，四根次对称轴，四根3 3次对称轴和次对称轴和六根六根2 2次对称轴图次对称轴图7-207-20。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面13 金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的金刚石晶体的111111晶面面网密度最大，耐磨性最好。晶面面网密度最大，耐磨性最好。100100与与110110面网的面间距分布均匀；面网的面间距分布均匀；111111面网面网的面间距一宽一窄如图的面间距一宽一窄如图（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在在距距离离大大的的111111面面之之间间，只只需需击击破破一一个个共共价价键键就就可可以以劈劈开开，而而在在距距离离小小的的111111面面之之间间，那那么么需需击击破破三三个个共价键才能劈开。共价键才能劈开。在在两两个个相相邻邻的的加加强强111111面面之之间间劈劈开开，可可得得到到很很平平的的劈劈开开面面，称称之为之为“解理。解理。14 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好理论可到达圆角半径越小越好理论可到达1nm1nm单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.64.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000金刚石刀具角度金刚石刀具角度如图金刚石刀具角度如图15金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片16 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼砂轮材料：金刚石，立方氮化硼CBNCBN 可可加加工工各各种种高高硬硬度度、高高脆脆性性金金属属及及非非金金属属材材料料（铁铁金金属属用用CBNCBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点特点：分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整在线修整 砂轮修整砂轮修整：第三节第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削超硬磨料砂轮精密与超精密磨削17进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 电泳磨削电泳磨削使使用用ELIDELID磨磨削削，冷冷却却液液为为一一种种特特殊殊电电解解液液。通通电电后后，砂砂轮轮结结合合剂剂发发生生氧氧化化，氧氧化化层层阻阻止止电电解解进进一一步步进进行行。在在切切削削力力作作用用下下，氧氧化化层层脱脱落落，露露出出了了新新的的锋锋利利磨磨粒粒。由由于于电电解解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。18 塑性延性磨削塑性延性磨削 磨磨削削脆脆性性材材料料时时，在在一一定定工工艺艺条条件件下下，切切屑屑形形成成与与塑塑性性材材料料相相似似，即即通通过过剪剪切切形形式式被被磨磨粒粒从从基基体体上上切切除除下下来来。磨磨削削后后工件外表呈有规那么纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。工件外表呈有规那么纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：塑性磨削工艺条件：1 1切切削削深深度度小小于于临临界界切切削削深深度度，它它与与工工件件材材料料特特性性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m1m。为为此此对对机机床床要要求求：高高的的定定位位精精度度和和运运动动精精度度。以以免免因因磨磨粒粒切切削削深深度度超超过过1m1m时时，导导致致转转变变为为脆脆性性磨磨削削。高高的的刚刚性性。因因为为塑塑性性磨磨削削切切削削力力远远超超过过脆脆性性磨磨削削的的水水平平，机机床床刚刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。2 2磨磨粒粒与与工工件件的的接接触触点点的的温温度度高高到到一一定定程程度度时时，工工件件材材料料的的局局部部物物理理特特性性会会发发生生变变化化，导导致致切切屑屑形形成成机机理理的的变变化化已有试验作支持。已有试验作支持。19砂砂带带：带带基基材材料料为为聚聚碳碳酸酸脂脂薄薄膜膜，其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。砂砂带带在在一一定定工工作作压压力力下下与与工工件件接接触触并并作作相相对对运运动动，进进行磨削或抛光。行磨削或抛光。有有开开式式右右图图和和闭闭式式两两种种形形式式，可可磨磨削削平平面面、内内外外圆外表、曲面等。圆外表、曲面等。接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动 精密与超精密砂带磨削精密与超精密砂带磨削20用于磨削管件的砂带磨床带有用于磨削管件的砂带磨床带有行星系统行星系统21 几种常见砂带磨削方式几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮22 砂带磨削特点1砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好 Ra 值可达 0.02m。3强力砂带磨削，磨削比切除工件重量与砂轮磨耗重量之比高，有“高效磨削之称。4制作简单，价格低廉，使用方便。5可用于内外外表及成形外表加工。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带结构2静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上右图，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。23工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（右图）工作原理（右图）机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工弹性发射加工 游离磨料加工游离磨料加工 抛光轮：抛光轮：由由聚聚氨氨基基甲甲酸酸乙乙酯酯制制成成，磨磨料料直直径径 0.10.10.01m0.01m24 工作原理右图工作原理右图抛抛光光工工具具上上开开有有锯锯齿齿槽槽，靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的反反弹，增加微切削作用。弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒 工作原理右图工作原理右图活活性性抛抛光光液液和和磨磨粒粒与与工工件件外外表表产产生生固固相相反反响响，形形成软粒子，使其便于加工。成软粒子，使其便于加工。机机理理：机机械械+化化学学作作用用，称为称为“增压活化。增压活化。液体动力抛光液体动力抛光 机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压25 激激光光由由于于其其优优良良的的特特性性强强度度高高，亮亮度度大大，单单色色性性、相相干性、方向性好等在精密测量中得到广泛应用。干性、方向性好等在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观外表形貌等；也可以测量位移，速度，振动，微观外表形貌等；还还可可以以实实现现动动态态测测量量，在在线线测测量量，并并易易于于实实现现测测量量自动化。自动化。激光测量精度目前可达激光测量精度目前可达0.01m0.01m。q 激光测量激光测量26受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。激光扫描尺寸计量系统 激光高速扫描尺寸计量系统如以下图激光高速扫描尺寸计量系统如以下图27由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（f2 f2）=f+f2 经分光镜，折射一小局部，经干预测量仪获得拍频f=f1 f2的参考信号。大局部激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较，获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。双频激光测量固定反射棱镜 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2+f2偏振分光镜f1f1ff+f27.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术28双频激光测量系统29恒温恒温要求：要求：11 0.01 0.01 实实现现方方法法：大大、小小恒恒温温间间+局局部部恒恒温温恒恒温温罩罩，恒温油喷淋恒温油喷淋恒恒湿湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统 净净化化要要求求：1000010000100100级级100100级级系系指指每每立立方方英英尺尺空气中所含大于空气中所含大于0.5m0.5m尘埃个数不超过尘埃个数不超过100100 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气隔振隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境精密与超精密加工环境30 微微细细加加工工 通通常常指指1mm1mm以以下下微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工工，其加工误差为其加工误差为0.1m 0.1m 10m 10m。超超微微细细加加工工 通通常常指指1m1m以以下下超超微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工，其加工误差为工，其加工误差为0.01m 0.01m 0.1m0.1m。精精度度表表示示方方法法一一般般尺尺寸寸加加工工，其其精精度度用用误误差差尺尺寸寸与与加加工工尺尺寸寸比比值值表表示示；微微细细加加工工，其其精精度度用用误误差差尺尺寸寸绝绝对对值值表示。表示。“加加工工单单位位 去去除除一一块块材材料料的的大大小小，对对于于微微细细加加工工，加工单位可以到分子级或原子级。加工单位可以到分子级或原子级。微微切切削削机机理理切切削削在在晶晶粒粒内内进进行行，切切削削力力要要超超过过晶晶体体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述概述第四节第四节 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术31热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法32主主要要采采用用铣铣、钻钻和和车车三三种种形形式式，可可加加工工平平面面、内腔、孔和外圆外表。内腔、孔和外圆外表。刀刀具具：多多用用单单晶晶金金刚刚石石车车刀刀、铣铣刀刀右右图图。铣铣刀刀的的回回转转半半径径可可小小到到5m5m靠靠刀刀尖尖相相对对于于回回转转轴轴线线的的偏偏移移来来得得到到。当当刀刀具具回回转转时时，刀刀具具的的切切削削刃刃形形成成一一个个圆圆锥锥形形的切削面。的切削面。微细机械微细机械加工加工单晶金刚石铣刀刀头形状33微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米 。高高灵灵敏敏的的伺伺服服进进给给系系统统。要要求求低低摩摩擦擦的的传传动动系系统统和和导导轨轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。微细机械加工设备34 机机床床有有X X、Z Z、C C、B B四四个个轴轴，在在B B 轴轴回回转转工工作作台台上上增增加加A A轴轴转转台台后后，可可实实现现5 5轴轴控控制制，数数控控系系统统的的最最小小设设定定单单位位为为1nm1nm。可可进进行行车车、铣铣、磨磨和和电火花加工。电火花加工。旋旋转转轴轴采采用用编编码码器器半半闭闭环环控控制制，直直线线轴轴那那么么采采用用激激光光全全息息式式全闭环控制。全闭环控制。为为了了降降低低伺伺服服系系统统的的摩摩擦擦，导导轨轨、丝丝杠杠螺螺母母副副以以及及伺伺服服电电机机转转子子的的推推力力轴轴承承和和径径向向轴轴承承均均采采用用气气体体静静压结构。压结构。FANUC 微型超精密加工机床 FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床35 载流导体：载流导体：逆逆压压电电材材料料如如压压电电陶陶瓷瓷PZTPZT电电场场作作用用引引起起晶晶体内正负电荷重心位移极化位移，导致晶体发生形变。体内正负电荷重心位移极化位移，导致晶体发生形变。磁磁致致伸伸缩缩材材料料如如某某些些强强磁磁材材料料磁磁场场作作用用引引起起晶体发生应变。晶体发生应变。直接线性驱动直线电机驱动直接线性驱动直线电机驱动 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移。形变，并转化为微位移。特点：特点：结构简单，运行可靠，传动效率高。结构简单，运行可靠，传动效率高。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。行程不受限制。行程不受限制。运动精度高。运动精度高。技术复杂。技术复杂。36电磁驱动装置直线电机工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧37直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）38 直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm)510 0.51.0 重复定位精度(m)25 0.10.2 最高速度(m/min)2050 60200 最大加速度(g)12 210 寿命(h)600010000 5000039电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件以下图。线放电磨削法线放电磨削法WEDGWEDG WEDG 可加工的各种截形杆微细电加工微细电加工 WEDG工作原理工件金属丝导丝器40离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工电子束光刻大规模集成电路光刻加工电子束光刻大规模集成电路1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片41要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液气静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2 加工设备电子束光刻大规模集成电路加工设备电子束光刻大规模集成电路42利用氩Ar离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击工件外表，进行“溅射加工。离子束加工离子束加工离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空43将将被被加加速速的的离离子子聚聚焦焦成成细细束束，射射到到被被加加工工外外表表上上。被被加加工工外外表表受受“轰轰击击后后，打打出出原原子子或或分分子子，实实现现分分子子级级去去除除加工。加工。离子束溅射去除加工 四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台 离子束去除加工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。44离离子子束束溅溅射射去去除除加加工工可可用用于于非非球球面面透透镜镜成成形形需需要要5 5坐坐标标运运动动，金金刚刚石石刀刀具具和和冲冲头头的的刃刃磨磨，大大规规模模集集成成电电路路芯芯片片刻刻蚀等。蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01m预加工终加工a)金刚石压头r=0.01m离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。45 离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件些原子或分子附着到工件上，形成上，形成“镀膜。又被镀膜。又被称为称为“干式镀干式镀离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。可镀非金属。由于溅射出来的原子和由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强与蒸镀、镀膜附着力极强与蒸镀、电镀相比。电镀相比。46用用高高能能离离子子数数十十万万KeVKeV轰轰击击工工件件外外表表，离离子子打打入入工工件件表表层层，其其电电荷荷被被中中和和，并并留留在在工工件件中中置置换换原原子子或或填填隙隙原子，从而改变工件材料和性质。原子，从而改变工件材料和性质。可可用用于于半半导导体体掺掺杂杂在在单单晶晶硅硅内内注注入入磷磷或或硼硼等等杂杂质质，用用于于晶晶体体管管、集集成成电电路路、太太阳阳能能电电池池制制作作，金金属属材材料料改改性性提高刀具刃口硬度等方面。提高刀具刃口硬度等方面。离子束溅射注入加工 离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。47 通通通通常常常常指指指指纳纳纳纳米米米米级级级级0.1nm0.1nm100nm100nm的的的的材材材材料料料料、设设设设计计计计、制制制制造造造造、测测测测量量量量和和和和控控控控制制制制技技技技术术术术。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术涉涉涉涉及及及及机机机机械械械械、电电电电子子子子、材材材材料料料料、物物物物理理理理、化学、生物、医学等多个领域。化学、生物、医学等多个领域。化学、生物、医学等多个领域。化学、生物、医学等多个领域。在在在在到到到到达达达达纳纳纳纳米米米米层层层层次次次次后后后后，决决决决非非非非几几几几何何何何上上上上的的的的“相相相相似似似似缩缩缩缩小小小小，而而而而出出出出现现现现一一一一系系系系列列列列新新新新现现现现象象象象和和和和规规规规律律律律。量量量量子子子子效效效效应应应应、波波波波动动动动特特特特性性性性、微微微微观观观观涨涨涨涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。落等不可忽略，甚至成为主导因素。落等不可忽略，甚至成为主导因素。落等不可忽略，甚至成为主导因素。纳米技术研究的主要内容纳纳米米级级精精度度和和外外表表形形貌貌测测量量及及外外表表层层物物理理、化化学学性性能能检测；检测；纳米级加工；纳米级加工；纳米材料；纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。微型与超微型机械。第五节第五节 纳米技术纳米技术48q 扫描隧道显微测量STM 扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜19811981年年由由在在IBMIBM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.Binning G.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发发明明，可可用用于于观观察察物物体体 级级的的表表面面形形貌貌。被被列列为为2020世世纪纪8080年年度度世世界界十十大大科科技技成成果果之之一一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。STMSTM工工作作原原理理基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应。当当两两电电极极之之间间距距离离缩缩小小到到1nm1nm时时，由由于于粒粒子子波波动动性性，电电流流会会在在外外加加电电场场作作用用下下，穿穿过过绝绝缘缘势势垒垒，从从一一个个电电极极流流向向另另一一个个电电极极。当当一一个个电电极极为为非非常常锋锋利利的的探探针针时时，由由于于尖尖端端放放电电使使隧隧道道电流加大。电流加大。G.Binning H.RohrerG.Binning H.Rohrer49STMSTM工作过程演示STM实物照片 50通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 用STM移动分子组成的IBM字样用STM观察石墨原子排列51 当当探探针针与与试试件件外外表表距距离离达达1nm1nm时时，形形成成隧隧道道结结。当当偏偏压压UbUb小小于于势垒高度势垒高度 时，隧道电流密度为：时，隧道电流密度为：式中 h 普郎克常数；e 电子电量；ka，k0 系数。由由上上式式可可见见，探探针针与与试试件件外外表表距距离离 d d 对对隧隧道道电电流流密密度度非非常敏感，这正是常敏感，这正是STMSTM的根底。的根底。12d试件STM探针UbSTM隧道结52 两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。53 关键技术：关键技术：1 1STMSTM探探针针金金属属丝丝经经化化学学腐腐蚀蚀，在在腐腐蚀蚀断断裂裂瞬瞬间间切切断断电电流流，获获得得尖尖峰峰，曲率半径为曲率半径为10nm10nm左右。左右。STM针尖542隧道电流反响控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A553纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管4信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图b)。假设两外壁电极电压相同，那么陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图a，其工作原理见图b。56 原子力显微镜原子力显微镜AFMAFM 当当两两原原子子间间距距离离缩缩小小到到 级级时时，原原子子间间作作用用力力显显示示出出来来，造造成成两两原原子子势势垒垒高高度度降降低低，两两者者之之间间产产生生吸吸引引力力。而而当当两两原原子子间间距距离离继继续续缩缩小小至至原原子子直直径径时时，由由于于原原子子间间电电子子云云的的不不相相容性，两者之间又产生排斥力。容性，两者之间又产生排斥力。AFM AFM两种测量模式：两种测量模式：接接触触式式探探针针针针尖尖与与试试件件外外表表距距离离0.5nm0.5nm，利利用用原原子子间间的的排排斥斥力力。由由于于分分辨辨率率高高，目目前前采采用用较较多多。其其工工作作原原理理是是：保保持持探探针针与与被被测测外外表表间间的的原原子子排排斥斥力力一一定定，探探针针扫扫描描时时的垂直位移即反映被测外表形貌。的垂直位移即反映被测外表形貌。非非接接触触式式探探针针针针尖尖与与试试件件外外表表距距离离为为0.50.51nm1nm，利用原子间的吸引力。利用原子间的吸引力。为解决非导体微观外表形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原为解决非导体微观外表形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，理，C.Binning C.Binning 于于19861986年创造原子力显微镜。年创造原子力显微镜。57AFMAFM探探针针被被微微力力弹弹簧簧片片压压向向试试件件外外表表，原原子子排排斥斥力力将将探探针针微微微微抬抬起起。到到达达力力平平衡衡。AFMAFM探探针针扫扫描描时时，因因微微力力簧簧片片压压力力根根本本不不变变，探探针针随随被被测外表起伏。测外表起伏。AFM AFM结构结构STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装在簧片上方安装STMSTM探针，探针，STMSTM探针与簧片间产生隧道电探针与簧片间产生隧道电流，假设控制电流不变，那么流，假设控制电流不变，那么STMSTM探针与探针与AFMAFM探针微力簧探针微力簧片同步位移，于是可测出试片同步位移，于是可测出试件外表微观形貌。件外表微观形貌。58AFM实物照片扫描探针磁盘图像59LIGALIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung Lithographic Galuanoformung Abformung）1以同步加速器放射的短波长1nmX射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：60LIGA工作现场61 50 m X射线刻蚀的三维实体 LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可可以以制制作作高高度度达达0.10.10.5mm0.5mm，高高宽宽比比大大于于200200的的三三维维微微结结构构，形状精度达亚微米形状精度达亚微米 LIGA代表产品及应用微微传传感感器器、微微电电机机、微微机机械械零零件件、微微光光学学元元件件、微微波波元元件件、真真空空电电子子元元件件、微型医疗器械等微型医疗器械等广广泛泛应应用用于于加加工工、测测量量、自自动动化化、电电子子、生生物物、医医学、化工等领域学、化工等领域可以实现大批量复制，本钱较低可以实现大批量复制，本钱较低62teJ0&5RNAhxcY*jVpx6+6SHB78Y*N#Ci7j6XwBa2!CFCLBspm$uEyqUBcims%!Y#Lb#Vvhk*z(qLlOvu8ld0&p5t0w83t0TqhYPExmDPt6VwFWRX+26#DOTvuH+rLhW($iy*N4BgC9Ud!E$ixhIjFbyD%M2D!bz#075MLyCag*fgP3!Hh-Zx0NlnpATWUlf!M$Aq5!Mi-lDE0fsqP-r2GkBUXEUlE07A7!vE4bJvjabT7iOUgIedP0U1(xj1I$(sFdM#2S%v9KAI2&pEUchK0LdLIVhx4j6OKphLa*dhtYpQoakwgDsv)tJwrIWni#C&x(VyH$-cbZNs&zMwv3!m#ZXVxujsTetO-uwxSBnJb!T+s&KPdut5TUf*KAIj#yX2K4HD&8Xua90DmPQ$r4m15M5d7$mDwZXv$44U67jH92fi$9kYStNjuyRWIhN0*T3mgKK$#Aex)orEzrFs5spT5n%k8ErgAef4HfFP4q0hmr(J9uNpA!9+bM(TsjWsA%uvg62Du7gDp6-lh2JG+FesqNnlxvuL1B7)LOxI4ksiE*m73fT%)ckntin2S)vJUzUF0 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