第一章精密切削加工.ppt
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1、Precision & Non-traditional Machining Technology,精密与特种加工 王贵成主编精密与特种加工,绪 论,一、精密与特种加工在制造业中的地位与作用 制造业:制造资源(物料、设备、工具、资金、技术、人力及信息等)制造过程产品 创造人类财富的一半以上 制造技术的发展与社会需求有关: 工业革命引发了机械制造业的大跃进 汽车的出现促进了:机械、冶金、电子、建材等 航天、航空促进了新材料、新技术的发展(包括超精密加工),美国二战后不重视机械行业,到80年代,日本的汽车、摩托车、家用电器等行业领先,基础行业机械工业为其他行业提供技术装备直接影响着其他行业的生产技术
2、水平国民经济的关键部门,机械工业的发展速度高于整体经济20%,机器的重要性越来越高。(其他行业依赖机械),发展尖端技术、国防、微电子等都需要精密与超精密加工出来的仪器设备,我国的机械行业的差距: 一是:高度自动化技术:FMS、CIMS、敏捷制造技术,二是:精密加工、超精密加工,绪 论,精密加工 在一定的发展时期,加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。,超精密加工 在一定的发展时期,加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,包括:精密切削加工及精密磨削加工、特种加工。 精车、精磨 1m普通加工 精密加工:0.10.01m; (0.1-1) 超精密加工 0.010.001m (0.1),特种
3、加工:用电、光、声、磁能进行加工的工艺。 主加工模具(90% 50%);难加工的材料;复杂形状;薄壁件,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,纳米技术:0.1100nm的材料、设计、制造、(精度与形貌的测量、性能的测量、加工技术、传感器及控制技术;微型机械、纳米生物学),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,精密与超精密加工的地位,哈勃望远镜一次镜直径2.4米、900kg的大型反光镜,极高的分辨率。专门研制了超精密加工,光学玻璃用6轴CNC研磨抛光机
4、-解决了硬脆材料的超精密加工问题,镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月,极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,,使用的是超低膨胀玻璃, 镜片在1981年底全部完成 (表面处理),1990年4月25日,由美国航天飞机送上太空轨道 长13.3米,直径2.4米,重11.6吨,造价近30亿美元。,形状精度0.01m, 直径2.4m,能观察到140亿光年的天体,哈勃望远镜的主镜镀铝(提高反射率,表面的Al2O3透明),下一代:韦伯/主镜开始安装,磁盘的存储能力与磁头、磁盘间的距离飞行高度密切相关,0.15微米,磁盘基片的加工平面度、粗糙度,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:陀螺
5、仪球与导弹命中精度(美国民兵洲际导弹的圆概率误差500米,MX战略导弹的陀螺仪的精度提高一个等级后,误差50-150);1kg的陀螺仪球的质量中心偏离对称轴0.5nm就会引起100米的射程误差和50米的轨道误差。,人造卫星的仪表轴承:真空无润滑,孔和轴的表面粗糙度在1nm,,雷达的关键部件:波导管内腔的粗糙度10nm, 红外导弹接受红外线的反射镜,粗糙度10nm,飞机发电机转子叶片加工误差与压缩效率;推力增大 、热效率、功率增加。,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(先军用后民用) 精密机床
6、、温度、空气洁净度、减振、测量、数控、切削机理等等,精密与超精密加工的主要领域: 有色金属的超精密切削加工陀螺仪、镜面 精密与超精密磨削与研磨:大规模集成电路基片的加工、高精度硬盘的加工 精密特种加工:电子束、离子束大规模集成电路的线宽小于0.1微米,精密与特种加工对机械制造工艺的影响,1、提高了材料的可加工性,2、改变了零件的典型加工路线,3、改变了新产品的试制模式三维打印,4、对零件的结构设计产生了很大的影响整体模具、整体涡轮复杂形状的加工,5、对零件加工工艺性产生影响方孔、小孔、窄缝,薄壁件;,6、特种加工成为微细加工、精密加工的主要技术手段,二、课程内容和任务 加工原理、现象、规律 会
7、选择加工方法、加工参数(定性) 现状: 全国300多万台机床,主要是普通机床,刀具以高速钢、硬质合金为主。 一台 机床几千元,而进口一台几十万均价,精密加工技术的发展: 18世纪末期瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m,150年精度提高1000倍 20 世纪末 精密加工:0.1m,Ra 0.01m(亚微米加工) 超精密加工: 0.01m ,Ra 0.001m(纳米加工)50年的时间,精度再提高1000倍 20世纪40 年代 1 m 60 100 m、 1 m、 0.1 m 90 5 m、 0.05 0.005 末 1 0.01 0.001,例:使用单晶金刚石
8、刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。 超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm。 超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在0.50.01m(2nm)。 因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为困难,现在已可用原子力显微镜(AFM(Atomic Force Microscope )方便地进行测量。,针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力,通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动,测出的三维图像,b)20微米,深度约350nm的凹坑,c)4*4微米正方形,四个,
9、激光用锥,美国,直径8.4米,浇注成型,激光测量形状误差, 用小型研磨头局部修研。,在线修整砂轮,芯片在1971年10微米 1995年以后,从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米(2001年)、0.11微米一直发展到目前最新的90纳米,而未来则会以80纳米作为一个过渡,然后进一步发展到65纳米。,提高精度的意义 可以提高性能、寿命;降低噪音、能耗(汽车、飞机) 例:美国陀螺仪球圆度0.1m,粗糙度Ra0.01m,导弹命中精度控制在50m范围内(卫星制导后可达10米); 英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m,发电机压缩效率从89%提高到94
10、%(发动机工作效率提高,从而导致油耗下降); 齿形、齿距误差从3-4m减小1m,附加应力减少、齿轮模数减小、尺寸减小、齿轮箱减小、单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍齿轮的传动能力提高。 汽车的油耗、噪音,提高精度的意义 机器小型化:齿轮精度提高可降低尺寸、集成电路、硬盘精度高储量提高 互换性要求:提高互换性装配自动化提高装配质量,如何提高加工质量? “进化” 原则 直接式进化或“创造性”加工:利用低于工件精度的设备、工具,通过工艺手段和特殊工艺装备,加工出所需工件。适用于单件、小批生产成品率很低。 间接式进化加工:借助于直接式“进化”加工原则,生产出第二代工作母机,再用此工作母机加工工件。适用于批量
11、生产。蜕化或母性原则,精密与超精密加工特点 1. 微量切削机理与传统加工不同 背吃刀量切削深度ap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。,2.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。 3.形成综合制造工艺综合技术 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(刀具等)、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。,4. 与高新技术产品有关 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)。
12、 5. 与自动化技术联系紧密 广泛采用计算机控制、自适应控制、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。 6. 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。,精密与超精密加工的关键技术 机床:旋转精度、进给精度(导轨、微量进给) 旋转精度液体静压轴承、空气静压轴承 导轨滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨 微量进给电致伸缩或弹性变形式,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。 如美国Moore公司M-18AG金刚石车床, 主轴采用空气静压轴承,转速5000转/分,径跳0.1m; 液体静压导轨,直线度达 0.05
13、/100mm; 数控系统分辨率0.01 m。,2)T形布局 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。,刀具 材料:金刚石、CBN等 刃磨:刃口圆角半径纳米级,单晶金刚石笔,精密切削机理: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。力、热、积屑瘤及对质量的影响规律等,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)、 无人自动加工,恒湿要求:相对湿度35%45%,波动10% 1% 实现方法:采用空气调节系统
14、,净化要求:10000100级(100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100) 实现方法:采用空气过滤器,,隔振要求:消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法:与世隔绝、隔振地基,隔振垫层,空气弹簧,隔振器,4.精密与超精密加工环境,加工的支撑环境包括: 空气环境:洁净度、气流速度、压力、有害气体 热环境:温度、湿度、表面热辐射 振动环境:频率、加速度、微振动 声环境:噪声、频率、声压 光环境:照度、眩光、色彩 静电环境:静电量、电磁波、放射线,热环境 温度变化影响机床的精度:-10时机床床身变成中凹形状,35时变成中凸形状,翘曲量约10m 机床向阳一面比背阳一面温度低10,机
15、床也变形 温度变化:工件尺寸也变化,内部温度不均匀也影响测量精度,测量必须说明温度 另外不同材质的零件配合的精度随温度而变化,20标准测量温度 实际夏季24;春秋季20;冬季17 要求温度波动小:恒温精度有0.2级、0.5级,1级、2级(2 ) 硅片加工的恒温精度0.01,机床和工件的变形:占总误差的40-70% 磨削100的零件、温度变化10、产生11m 1977年 ,美国加工球面机床、精度0.1 m,机床变形控制在0.05 m,主轴热伸长0.05 m 超精密加工的难题之一:超精密温度控制 LLL实验室试验结果: 油温变化0.056 ,热变形0.19 m 0.006 0.019,减少热变形的
16、措施: 减少热源:空气轴承代替液压轴承、减少电动机的发热量、发热件放在机床床身外(如步进电机、激光器放在床身的外侧) 采用热膨胀系数小的材料:铟钢、合金铸铁、陶瓷、花岗岩、系数接近零的微晶玻璃 使机床长期处于热平衡状态:附加热源,在不工作时,释放热量,保持恒定温度。 大量恒温液体喷淋(150L/min),使用恒温油浇淋前后,附近铝棒(200mm)和空气尺寸的变化,LODTM机床的恒温控制 恒温室:铝制框架+隔热塑料板 人员不进入机床室 恒温空气,流量90m2/min,风机水冷 室内空气0.005 重要部件用恒温水控温,水温20 0.0005 主轴的径向和止推轴承中空,水冷 水量6.3L/s,振
17、动环境 振动对加工的影响:附加一个运动,影响加工质量 高频振动不易传递到加工区(工艺系统的减振吸收),低频70Hz以下的影响加工,要求控制其振幅在0.1m,震源: 高速运动的部件(电机、主轴) 电机、主轴的偏心 空气轴承的振荡 滚珠丝杆和螺母的不同心 导轨运动部件直线运动速度的变化 工件的偏心 常时震动,对精密和超精密加工构成威胁的是微振动(或称暗振动、常时振动)频率低、振幅小 地球表层任何地点、任何建筑物的地基,都在以微小的振幅不停的振动着,其振幅通常不超过数微米,振动周期一般为0.5S至数秒, 常时振动来源: 室内振动 人员行走 设备运转 物料搬运 室外振动 交通运输设备 自然界振动:常时
18、微动和风,振动干扰的消除 1.内部振动干扰的消除防振 回转件的平衡、提高其加工和装配精度(无间隙) 减少传动系统的振动:软带、单带 减少液压系统的干扰:油泵单独放置 提高加工设备的抗振性:选材、结构,外界振动干扰的消除隔振 选址远离震源 辅助设备分开放置 隔振地基 隔振弹性材料、隔振元件,隔振元器件 隔振垫层橡胶、泡沫板、毛毡、软木 隔振器弹簧隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器等 空气弹簧:空气、橡胶和外罩组成 空气弹簧技术难度很高:要很软(隔离低频振动、又不摇晃(倾斜时能快速恢复水平) 固有频率很低,对微振隔振效果好, 结构复杂,造价高,国外超精密加工机床中,大多数采用以空气弹簧为隔振元件的
19、隔振系统,并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时,具有较低的刚度。弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率,远离环境干扰频率,提高隔振效果。,隔离振源 隔振沟、隔振墙(中空)、空气隔振垫 空压机(空气轴承用)、泵(冷却水、油)移走 水泵(提供恒温水)不直接供水,而是打入水箱,靠水的自重流动 地基足够深、周围隔振沟、沟内使用吸振材料 地基隔振弹簧(隔振频率不够低、少用),LODTM 隔振沟地基、隔墙双层(中间减振材料)、使用四个空气垫(非床底支撑、采用上部支撑) 可以隔离频率2Hz的振动,隔振后轴承部件的相对振动振幅仅2nm,提高机床抗振性: 很大的床身以降低它的
20、自振频率、DTM-3的床身6.4*4.6*1.5的巨大花岗岩 使用振动衰减能力强的材料做作构件 人造花岗岩天然花岗岩铸铁钢 英国OAGM2500大型精密机床:床身钢焊接结构,中间用人造花岗岩填充,减振性很好,空气环境 尘埃尺寸与加工精度相比已经不能忽略 如:硅晶体表面的超精加工时,尘埃会划伤加工表面 手术室:0.5m以上的微粒5万以上(一立方英尺) 洁净度级别的上限浓度见下页表 气流速度要低, 微正压,洁净室 温度、湿度、微粒、流速、压力、气流分布等 对洁净室的要求: 发尘量小:不带入(人员、物品)、不产生 及时排除尘埃:排气、喷淋、防静电材料 供给洁净空气,气流类型 乱流型:成本低,效果差(
21、带走粉尘颗粒) 层流型:垂直、水平,垂直式从上向下流动,效果好 正压控制 分层次的局部环境:一层比一层洁净:一般环境、精密环境、超精密环境,局部净化例: 计算机硬盘表面涂层高点的铲刮:宝石铲刮头与磁盘的距离0.4m,可以铲刮掉0.40.8 m的高点,产生的粉尘由流动的空气带走,加工区罩在有机玻璃内。,湿度 空气中水蒸气分压力与同温度下饱和分压的比值 湿度高(50%),锈蚀、镜头霉斑,冷却水管结露,电路故障,硅晶体表面吸潮、吸附微粒(难清除) 湿度太低(30%以下)材料变脆易燃、静电力造成微粒在物体表面吸附,半导体易击穿 3545%为好 湿度的波动要小:10%、5、2、1,其他环境 光环境:天然
22、光源照明质量高(天然+人工,提高照度,照度越高,能识别的尺寸越小) 静电环境:击穿、颗粒吸附,电击人体抗静电的材料、涂层 噪声环境,精密测量与误差补偿:闭环控制。测量精度比加工误差高一个等级、激光干涉仪、多次光波干涉显微镜、原子力显微镜、隧道扫描显微镜(分辨率0.01nm,能看到原子0.1nm),1990年,IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果,他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象,而且可以将原子在一个位置吸住(不脱离表面),再搬运到另一个地方放下。,关键技术 机床:旋转精度、进给精度(导轨、微量进给)
23、刀具:材料;刃磨 精密切削机理: 精密与超精密加工环境 精密测量 误差补偿,*扫描隧道显微测量技术 1981,二瑞士人,获诺贝尔奖 可以观察物体表面埃级的形貌 还可以移动原子、去除、重组 量子力学的隧道效应:而电极的距离缩小到1nm时,由于粒子的波动性,电流会穿过绝缘壁垒 电流密度极端敏感,距离减小0.1nm,电流密度增加一个数量级 环境:恒温、真空、防振 等高测量- 电流变化 恒电流测量常用 分辨率0.01nm,探针对准某个原子,并非常接近时,针尖可以带动原子移动而不脱离试件表面 对准原子,加上电压,可以使原子电离蒸发,去除原子 美国用STM进行光刻,0.01m线宽的电路,X射线干涉测量技术
24、 二束X射线,其中一束与被测物体联结一体,汇合后产生干涉条纹,被测物体移动,干涉信号变化,可以实现0.005nm的分辨率,位移测量精度0.01nm 测量范围0.2mm 速度最大值3*10-3nm,原子力显微镜非导体的测量 探针与被测量的表面接近到埃级时,产生原子力,先是吸引力后是排斥力 用软弹簧0.01N/m,保证探针与试样的恒距离 同时用扫描隧道显微镜测量弹簧的位移 分辨率0.01nm,电化学腐蚀断裂的瞬间,切断电流 或机械剪切,形成尖峰,被加工材料因素 材质均匀性能稳定,无外部及内部微观缺陷 化学成分误差在10-210-3数量级,不含杂质 物理力学性能,强硬度、膨胀系数、热导率等稳定,二、
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