超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)策

1、超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)策超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)策1前言超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。超精密加工是指亞微米級(jí)(尺寸誤差為0.3～0.03m，表面粗糙度為Ra0.03～0.005m)和納米級(jí)(精度誤差為0.03m，表面粗糙度小于Ra0.005m)精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精

2、加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域：超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1m。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬

3、可達(dá)2～5nm。2國外概況美國是最早研制開發(fā)超精密加工技術(shù)的國家。早在1962年，美國就開發(fā)出以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床，其主軸回轉(zhuǎn)精度為0.125m，加工直徑為100mm的半球，尺寸精度為0.6m，粗糙度為Ra0.025m。1984年又研制成功大型光學(xué)金剛石車床，可加工重1350kg，1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達(dá)0.025m，表面粗糙度為Ra0.042m。在該機(jī)床上采用多項(xiàng)新技術(shù)，如多光路激

4、光測量反饋控制，用靜電電容測微儀測量工件變形，32位機(jī)的CNC系統(tǒng)，用摩擦式驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和熱交換器控制溫度等。美國利用自己已有的成熟單元技術(shù)，只用兩周的時(shí)間便組裝成了一臺(tái)小型的超精密加工車床(BODTM型)，用刀尖半徑為5～10nm的單晶金剛石刀具，實(shí)現(xiàn)切削厚度為1nm(納米)的加工。盡管如此，最近美國政府還是繼續(xù)把微米級(jí)和納米級(jí)的加工技術(shù)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說明美國對(duì)這一技術(shù)的重視。英國是較早從事超精加工技術(shù)研究的國家之一。從1

5、979年起，開發(fā)用于制造X射線望遠(yuǎn)鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀車床。要求反射鏡的精度在30mm范圍內(nèi)的表面凹凸達(dá)到6nm以下，整個(gè)鏡面的形狀精度達(dá)1m以下。該機(jī)床為保證超精加工，采用了許多新技術(shù)。例如采用封裝合成花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)(總重48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為0.1m，空氣軸承支承的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，分辨率為0.015m的HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的X軸、Z軸工

6、件尺寸及形狀精度的測量補(bǔ)償系統(tǒng)，壓電式刀具微進(jìn)給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等。英國在80年代初就已開始實(shí)施納米計(jì)劃，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)。Cranfield理工學(xué)院是世界上第二個(gè)能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度(2kNm)氣浮精密軸承和主軸系統(tǒng)的單位。第一臺(tái)STM是GBining等于1981年研制成功的。現(xiàn)在裝置的結(jié)構(gòu)、防震、穩(wěn)定性和分辨率等方面都日趨完善。在原理上，STM與通常的電子束一樣，在固體器件制造中可用來進(jìn)行平面制版

7、加工。其優(yōu)點(diǎn)是能顯示表面的結(jié)構(gòu)形貌，具有原子尺度的分辨率；所涉及的電子能量低(100eV)，對(duì)材料的損傷少；可以在真空、大氣、甚至液體中工作；結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比需聚焦、偏轉(zhuǎn)的離子、電子束裝置簡單，如直接用于平面結(jié)構(gòu)的制版加工，使現(xiàn)有的VLSI微細(xì)工藝水平提高到一個(gè)新的量級(jí)，對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生巨大影響。假定寫入點(diǎn)的直徑為1nm，點(diǎn)中心間距為2nm，數(shù)據(jù)存貯器的記憶密度可達(dá)1013bitscm2，可以存下300頁的書100萬本；對(duì)于3.5英寸大小的

8、軟盤，存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國省級(jí)圖書館的全部藏書。4我國對(duì)超精密加工技術(shù)的研究我國對(duì)超精密加工技術(shù)的研究起步不晚?；咀龇ㄅc日本有類似之處，先從電子工業(yè)開始，用于加工磁盤、磁鼓、磁頭。1965年前后研制出鏡面外圓磨床，加工圓度優(yōu)于0.3m，表面粗糙度Ra0.01m以下。1968年研制成功單晶金剛石刀鏡面車床，可使黃銅件的表面粗糙度達(dá)Ra0.025m以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盤車床。SI235型超精密車床，

9、主軸回轉(zhuǎn)精度值優(yōu)于0.2m，還有超精球面車床。進(jìn)入80年代，研制了回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.025m的精密軸系，單晶金剛石刀切削的超精車床和超精銑床，最高分辨率為0.01m的CNC數(shù)控超精密車床等產(chǎn)品，可加工球面和拋物面體、菲涅爾鏡等零件。加工形狀精度達(dá)0.1m，表面粗糙度達(dá)Ra0.025m以下。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功HCM1亞微米超精密加工機(jī)床，其技術(shù)性能如表所示。還研制成CSPM930型STM、AFM等一批掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。但與