现代超精密五金加工

设计梦想

         精密五金加工机械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从C N C到C I M S发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。其精度从微米到亚微米，乃至纳米，其应用范围日趋广泛，在高技术领域和军用工业以及民用工业中都有广泛应用。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、惯导级陀螺、精密机床、精密仪器、录象机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术。

　　它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节，超精密加工技术的发展促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

　　1精密五金加工技术概述

　　超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。

　　超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)超精密磨削、超精密研磨

　　(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。上述各种方法均能加工出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。

　　1.1超精密切削加工

　　超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于ρ0.01μm，实际应用一般ρ0，05μm)可加工出优于Ra0.01μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达到Ba0.005μm，加工φ800mm的非球面透镜，形状精度可达0.2／μm。超精密加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛(见表1)并向更高精度等方向发展(见表2)。

. T; s2 E" d+ h! s1 @4 l! R

　　1.2超精密磨削

　　超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。

　　目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成3—5nm的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技术。

　　此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除

　　物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。

; f5 `# V3 S0 `+ Y5 ~

　　当前的超精密磨削技术能加工出0.0 1μm圆度，O.1μm尺寸精度和Ra0.005μm粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出0.03μm／100mm的平面。

　　1.3超精密研磨

　　精密五金加工研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度达0.025ttm，表面粗糙度达RaO.003μm。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度为λ／200的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高精度检测方法也比不可少。

　　1.4超精密特种加工

　　1.4.1电子束加工

　　离子束加工是指在真空中将阴极(电子枪)不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台X Y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达O.25μm的线条图形分辨串。

　　1.4.2离子束加工

　　在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离子是带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的，可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削加工。

　　1.4.3激光束加工

　　由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照.射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。

　　1.4.4微细电火花加工

　　电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。

　　1.4.5微细电解加工

　　导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀，而工件阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现纳米级精度的电解加工，而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。

　　1.4.6复合加工

　　复合加工是指采用几种不同能量形式、几种不同的工艺方法，互相取长补短、复合作用的加工技术，例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花、超声切削加工等，可比单一加工方法更有效，适用范围更广。

　　2纳米技术(Nanotechnology)

　　2.1概述

　　随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小型化方面不断提出更新、更高的要求。目前，纳米技术发展十分迅猛，它使人类在改造自然方面进入一个新的层次。它将开发物质潜在的信息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。

　　纳米技术是指纳米级(＜10纳米)的材料、设计、制造、测量和控制技术。随着纳米技术的发展。开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的军民两用前景。美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应用。

　　2.1.1微型机电系统( microelectron—mechanical systems，MEMS)

　　10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感器以及各种阀门等。

　　MEMS主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天。如用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统。在环境、医学应用中，微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度。在军事主要有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用。

　　2.1.2专用集成微型仪器( application specific integrated micro-instrument，ASIM)

　　精密五金加工微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集。本文由深圳金威图sz-jwt.com整理

, [4 ^: H0 W: r  g1 d/ q2 V