精密与超精密加工ppt机械制造技术.ppt

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10.0～0.1μm，表面粗糙度Ra0.30～0.03μm的加工精密加工◆◆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0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工称为纳米加工 u超精密加工超精密加工----加工公差为0.1～0.01μm、表面粗糙度Ra0.03～0.005μm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 0.1μm Ra 0.01～0.05μm 多面镜 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁头 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁盘 波度 0.01 ～0.02μm Ra ＜0.02μm 雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm Ra ＜0.02μm 卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜0.01μm Ra ＜0.002μm 天体望远镜 形状误差 ＜ 0.03μm Ra ＜0.01μm 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（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份◆◆ 精密加工与超精密加工的发展精密加工与超精密加工的发展4ØØ 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0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nmØØ 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍ØØ 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展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ØØ 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ØØ 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ØØ 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）ØØ 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ØØ 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料ØØ 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ØØ 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行( (吃刀量吃刀量 ) )ØØ 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 N13000 N/ / mmmm2 2））ØØ 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ØØ 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ØØ 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ØØ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5 5000000转转/ /分分，，径径跳跳＜＜0.10.1μmμm；；液液体体静静压压导导轨轨 ，， 直直 线线 度度 达达 0.05μ/100mm0.05μ/100mm；； 数数 控控 系系统分辨率统分辨率0.01 μ0.01 μ10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，生产成本较低，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ØØ T形布局（如图）11ØØ 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 /μm400×2005000～1000050000. 1～0.01≤0. 2/100≤0. 1≤0. 1≤1/150≤2/100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(±2σ) / μ m主轴径向圆跳动 / μ m滑台运动的直线度 / μ m主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度 /（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度 /（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / μ m横滑台对主轴的垂直度 / μ m12◆◆ 金刚石刀具金刚石刀具ØØ 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ØØ 金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构：：规规整整的的单单晶晶金金刚刚石石晶晶体体有有八八面面体体、、十十二二面面体体和和六六面面体体，，有有三三根根4 4次次对对称称轴轴，，四四根根3 3次次对对称称轴轴和和六根六根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ØØ 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（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好◎◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（如图）（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面◎◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开◎◎在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”14ØØ 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（理论可达到圆角半径越小越好（理论可达到1nm1nm））单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000金刚石刀具角度ØØ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◆◆ 砂轮材料砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）ØØ 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））ØØ 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ØØ 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：ØØ 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ØØ 常用方法常用方法 — — ①① 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； ②② 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，并可修整修整◆◆ 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ØØ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 ØØ 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表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹ØØ 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和磨粒的几何形状有关一般临界切削深度＜磨粒的几何形状有关一般临界切削深度＜1μm1μm 为为此此对对机机床床要要求求：：①①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1μm1μm时时，，导导致致转转变变为为脆脆性性磨磨削削②②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，，机机床床刚刚性性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件低，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ØØ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ØØ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ØØ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、、内内外外圆表面、曲面等圆表面、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用于磨削管件的用于磨削管件的砂带磨床（砂带磨床（带有带有行星系统）行星系统）21ØØ 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ØØ 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 0.02μm）。

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）可用于内外表面及成形表面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ØØ 工作原理（右图）工作原理（右图）ØØ 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ØØ 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 0.10.1～～0.01μm0.01μm24ØØ 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ØØ 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ØØ 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表表面面产产生生固固相相反反应应，，形形成成软粒子，使其便于加工。

软粒子，使其便于加工ØØ 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ØØ 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ØØ 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，微观表面形貌等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等； 还还可可以以实实现现动动态态测测量量，，在线测测量量，，并并易易于于实实现现测测量量自自动化ØØ 激光测量精度目前可达激光测量精度目前可达0.01μm0.01μmq 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ØØ 激光高速扫描尺寸计量系统（如下图）27由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2±Δf2 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± Δf2 ））= Δf + Δf2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（= f1 － f2）的参考信号大部分激光到偏振分光镜：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±Δf2 的具有长度单位当量的电信号由于使用频率差Δf 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ØØ 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 +Δf2f1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 +Δf2偏振分光镜f1f1ΔfΔf +Δf27.2.1 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：±1℃～ ±0.01℃ 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，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————要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100） 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ØØ 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0.1μm 0.1μm ～～ 10μm 10μm 。

ØØ 超超微微细细加加工工 —— —— 通通常常指指1μm1μm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0.01μm 0.01μm ～～0.1μm0.1μmØØ 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ØØ“ “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ØØ 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◆◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。

◆◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（右图）铣刀的回转半径（可小到5μm）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形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ØØ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 ØØ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 ØØ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ØØ低热变形结构设计低热变形结构设计 ØØ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 ØØ高的主轴转速及动平衡高的主轴转速及动平衡 ØØ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 ØØ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ØØ 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ØØ 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，，直直线线轴轴则则采采用用激激光光全全息息式式全全闭环控制闭环控制ØØ 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ØØ 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体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变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晶体发生应变体发生应变◆◆ 直接线性驱动（直线电机驱动）ØØ 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ØØ 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Δ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 Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧ΔΔ37直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 38ØØ 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(μm/300mm) 5～10 0.5～1.0 重复定位精度(μm) ±2～±5 ±0.1～±0.2 最高速度(m/min) 20～50 60～200 最大加速度(g) 1～2 2～10 寿命(h) 6000～10000 5000039电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/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（下图）◆◆ 线放电磨削法（WEDG） 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Ⅰ－－ⅠⅠⅠ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）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片41Ø要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μmØ导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨Ø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Ø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）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”工件表面，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◎◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工ØØ 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◎◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01μm预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01μm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ØØ 离子束溅射镀膜加工◎◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”又被称为“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，也可镀非金属◎◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）46◎◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质◎◎可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面ØØ 离子束溅射注入加工ØØ 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◆◆◆◆ 通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域◆◆◆◆ 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素◆◆◆◆ 纳米技术研究的主要内容ØØ纳纳米米级级精精度度和和表表面面形形貌貌测测量量及及表表面面层层物物理理、、化化学学性性能能检测；检测；ØØ纳米级加工；纳米级加工；ØØ纳米材料；纳米材料；ØØ纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；ØØ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48q 扫描隧道显微测量（STM）ØØ 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.BinningG.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ØØ 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尖尖锐锐的的探探针针时时，，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.BinningG.Binning H.RohrerH.Rohrer49STMSTM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ØØ 当当探探针针与与试试件件表表面面距距离离达达1nm1nm时时，，形形成成隧隧道道结结。

当当偏偏压压U Ub b小小于于势垒高度势垒高度φ φ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ØØ 由由上上式式可可见见，，探探针针与与试试件件表表面面距距离离 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的基础φ1φ2d试件STM探针UbSTM隧道结52ØØ 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ØØ 关键技术：（1）STM探针——金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。

STM针尖54（2）隧道电流反馈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/A55（3）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ΔXΔZ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 ) 若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，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b56◆◆ 原子力显微镜（AFM）ØØ 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ØØ AFAFMM两种测量模式：两种测量模式： ◎◎接触式————探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离＜＜0.50.5nmnm，，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表表面面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的垂垂直位移即反映被测表面形貌直位移即反映被测表面形貌 ◎◎非接触式————探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离为为0.50.5～～1 1nmnm，，利利用用原子间的吸引力原子间的吸引力ØØ 为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，理，C.Binning C.Binning 于于19861986年发明年发明原子力显微镜原子力显微镜57◎◎AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起达到力平衡 AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏 ØØ AFAFMM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STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌58AFM实物照片扫描探针磁盘图像59LIGALIGA（（（（Lithographic Lithographic GaluanoformungGaluanoformung AbformungAbformung ）））） 1）以同步加速器放射的短波长（＜1nm）X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Ø 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：60LIGA工作现场61 50 μm X射线刻蚀的三维实体◆◆ LIGA特点ØØ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ØØ可可以以制制作作高高度度达达0.10.1～～0.5mm0.5mm，，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ØØ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ØØ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ØØ可以实现大批量复制，成本较低可以实现大批量复制，成本较低62。