精密电子机加工

超精密机加系列
作者: 发布于:2017-4-8 17:55:13 点击量:


超精密机械加工车间

工业时代的我们,都应该看过一个视频,就是从一个滚珠轴承对比中国制造与德国制造的差异。中国制造的轴承滚珠转动一下,大约过不到5秒就停住了,这还是相对来说不错的轴承;但不比不知道,一比吓一跳,德国的轴承可以转到约30秒,不可思议吧。

这里就显示出精密机械加工的差异有多大,对工艺设备,人员操作,车间环境的要求有多高,如果我们需要更上一个台阶,那么我们就得做的更好,才能让中国创造的商品走向世界舞台。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

超精密机械加工平面图


------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

精密及超精密机械加工技术在表面加工领域的应用及发展

 

一、精密及超精密机械加工技术概述

    精密和超精密机械加工技术是现代机械制造业最主要的发展方向之一, 已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。这一方面是因为,尖端技术和国防工业的发展离不开精密和超精密加工技术, 当代精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的基础, 也是明天技术的基础。 另一方面很多新技术机电产品要提高加工精度, 这促使精密和超精密加工技术得到发展和推广, 提高了整个机械制造业的加工精度和技术水平,使机械产品的质量、性能和可靠性得到普遍的提高, 大大提高了产品的竞争力。

    我国的精密和超精密机械加工起步较晚, 六十年代虽有开始, 但到七十年代后才重视发展。和国外相比, 还有相当大的差距。有不少精密产品要靠进口, 有些产品靠老工人手艺, 废品率甚高。例如现在生产的某种高精度惯性仪表, 从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品, 磁带录像机的磁鼓、激光打印机的多面棱镜等尚不能生产, 每年尚需进口较多的精密机床和其它精密仪器设备。某些大型精密机械和仪器, 特别是有关尖端技术和国防需要的, 国外对我们禁运。因此我国迫切需要大力加速发展精密和超精密加工技术。

    精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段。由于生产技术的不断发展, 划分的界限将随着历史进程而逐渐向前推移, 过去的精密加工对今天来说已是一般加工, 因此, 其划分的界限是相对的, 并且在具体数值上至今没有准确的定义。

    当前, 精密加工是指加工精度为10.1μm、表面超糙度为及Ra0.10.01μm 的加工技术; 超精密加工是指加工精度高于0.1μm , 表面粗糙度小于及Ra0.025μm 的加工技术, 又称亚微米级加工。但目前超精密加工已进入纳米级, 并称为纳米加工及相应的纳米技术。

二、超精密机械加工发展简介

超精密机械加工的发展经历了如下三个阶段。

120世纪50 年代至80 年代超精密机械加工技术的开创期。20 世纪50 年代末,出于航天、国防等尖端技术发展的需要,美国率先发展了超精密加工技术,开发了金刚石刀具超精密切削——单点金刚石切削(Singlepoint diamond turningSPDT)技术,又称为“微英寸技术”,用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等;

20 世纪80 年代至90 年代是民间工业应用的初期。在20 世纪80 年代,美国政府推动数家民间公司如Moore Special Tool Pneumo Precision 公司开始超精密加工设备的商品化,而日本数家公司如Toshiba Hitachi 与欧洲的Cranfield 大学等也陆续推出产品,这些设备开始面向一般民间工业光学组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依然昂贵而稀少,主要以专用机的形式订作。在这一时期,除加工软质金属的金刚石车床外,可加工硬质金属和硬脆性材料的超精密金刚石磨削也被开发出来;

320 世纪90 年代至今被视为民间工业应用成熟期。从1990 年起,由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的蓬勃发展,超精密加工机的需求急剧增加,在工业界的应用包括非球面光学镜片、Fresnel 镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板加工、半导体晶片切割等。在这一时期,超精密加工设备的相关技术,例如控制器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟,超精密加工设备变为工业界常见的生产机器设备,许多公司,甚至是小公司也纷纷推出量产型设备。

  目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先,但两者的研究重点并不一样。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚,却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工最初从铝、铜轮毂的金刚石切削开始,而后又集中于计算机硬盘磁片的大批量生产,随后是用于激光打印机等设备的多面镜的快速金刚石切削,以及非球面透镜等光学元件的超精密切削。

三、精密及超精密机械加工主要技术

精密和超精密加工包含三个领域:1.超精密切削加工;2.精密和超精密磨削和研磨;3.精密特种加工, 如电子束、离子束加工等。本文重点讨论精密和超精密机械加工技术。

1、超精密切削

国外超精密切削始于五十年代末期, 当时开发了超精密机床, 使用大块天然单晶金刚石刀具,加工有色金属可以达到镜面。超精密切削以SPDT 技术开始,该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑,可获得纳米级表面粗糙度。经过不断地研究开发, 现在已达到很高的技术水平。金刚石刀具超精密切削, 主要用于加工激光反射镜(平面、球面及非球面),感光鼓、磁盘、多面镜等。材料多为铜、铝及其合金, 非电解镀镍层, 进而扩散到塑料、硬脆材料(如陶瓷、单晶锗、妮酸铿、KDP) 和复合材料等。要实现超精密切削, 切出超光滑的镜面, 除要求超精密机床外, 高质量的金刚石刀具是最重要的关键。超精密切削中, 金刚石刀具的关键是刀刃必须磨得极其锋锐, 即刀刃半径p 值应甚小, 这样才能切出高质量的镜面, 加工表面粗糙度Ra< 0. 01μm , 表面层残留应力小, 变质层小, 并能实现极小的切削厚度。国外报导研磨质量最好的金刚石刀具, 刃口半径可以小到数纳米 的水平, 而国内现有的金刚石刀具, 刃口半径只能达到0.1~ 0.3μm

2、超精密磨削

超精密加工发展初期,磨削这种加工方法是被忽略的,因为砂轮中磨粒切削刃高度沿径向分布的随机性和磨损的不规则性限制了磨削加工精度的提高。随着超硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展,超精密磨削技术逐渐成形并迅速得到发展。 

(1) 超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮是指由金刚石或CBN 磨料制成的砂轮。金刚石砂轮适于磨削硬、脆有色金属和硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的非金属材料,CBN 砂轮适于磨削淬硬钢、耐热合金和高硬度、高韧性的金属材料,两者相互补充几乎涵盖了所有被加工材料。

(2) 超硬磨料砂轮修整技术。超硬磨粒砂轮具有优良的耐磨损能力,不需经常修整,但在初始安装和使用磨钝后修整却比较困难。传统的修整方法往往通过剪切和挤压作用去除磨粒达到修整的目的,修整过程难控制,修整精度低、砂轮损耗大。为此,国内外学者还提出了多种修整方法,如电解在线修整(ELID)、电化学在线控制修整(ECD)、干式(ECD)、接触式电火花修整(ECDD)、电化学放电加工(ECDM)、激光辅助修整、喷射压力修整、超声振动修整等。其中以ELID 技术最为典型,应用最为成熟。

3、珩磨

20世纪80 年代出现了平面珩磨技术采用类似研磨的运动方式,砂轮速度是传统磨削砂轮速度的1/301/60。由于采用了面接触,同时参与磨削的磨粒数增多,每个磨粒的垂直负荷仅是磨削情况的1/501/100,单个平均切削刃的单位时间发热量是传统磨削的1/1 500 1/3 000 左右,所以产生的热变质层微小。由于磨粒切削深度小,所产生的加工变质层以及残余应力也小,而且一次可以同时对多个工件进行加工。又由于作用于磨粒的切削力方向经常发生变化,使磨粒破碎几率增加、自砺作用显著。因此,从获得优于磨削加工的表面粗糙度这一点来说,具有比磨削更高的效率,并且对机床精度要求不高

 

四、超精密机械加工技术前景展望及发展趋势预测   

1、国内本领域发展状况  

我国1965年研制出镜面外圆磨床,加工圆度优于0.3 μm,表面粗糙度Ra0.01μm 以下。1968年研制成功单晶金刚石镜面车床,可使黄铜件的表面粗糙度达Ra0.025μm 以下。20 世纪70 年代后期制成了高精度磁盘车床,主轴回转精度值优于0.2μm。进入20 世纪80 年代后,各个行业相继投入了更多的人力物力对超精密加工技术与装备进行了深入研究,陆续研制成功了超精密加工设备,特别是在20 世纪90 年代后期多家单位相继研制成功了非球面超精密加工设备,这标志了我国超精密加工设备的水平上到了一个新的台阶。[8]但是和国外相比还有很大差距。如加工非球曲面的超精密车床还没有产品, 高分辨率精密数控伺服系统和多路激光测量定位系统国内还不能生产, 而国外对我们禁运, 精密主轴部件、微位移机构、机床热变形和恒温控制技术、隔振防振技术、机床结构的稳定性等多项关键技术巫待研究。   

2、发展趋势

首先,为追求加工精度的而生的精密和超精密加工将从亚微米级向纳米级发展,以纳米技术为代表的超精密加工技术和以微细加工为手段的微型机械技术代表了这一时期精密工程的方向。由于航天、航空、生物化学、地球物理等技术的发展, 超精密加工已深入到物质微观领域, 不仅是分子、原子, 而进入量子, 在量子力学的指导下发展;并且,精密和超精密加工是一项综合性的高技术, 是一个系统工程, 强调了人、组织、技术三结合。[9]精密和超精密加工不仅在科研上有极限加工高新技术的一面, 而且己进人国民经济的主战场, 与人民生活的各个领域密切相关,并已取得重大的经济效益和社会效益;同时,由于整个工业生产水平的提高产品质量要求越来越严格, 不仅在精度上, 而且在表面微观质量上提出了更高要求, 因此, 探索表面微观世界的奥秘就提到日程上来。






上一篇:没有了!

下一篇:精密电子系列

在线客服

商务洽谈
点击这里给我发消息
合作开发
点击这里给我发消息