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超精密加工技術的發展及其對策

[ 發布日期：2007/4/11 8:40:13 ] 瀏覽人數： 5146
 前言
超精密加工技術，是現代機械http://www.stonebuy.com/machine/制造業最主要的發展方向之一。在提高機電產品http://www.stonebuy.com/sample/的性能、質量和發展高新技術中起著至關重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關鍵技術。
超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03µm，表面粗糙度為Ra0.03～0.005µm)和納米級(精度誤差為0.03µm，表面粗糙度小于Ra0.005µm)精度的加工。實現這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精加工技術。加之測量技術、環境保障和材料等問題，人們把這種技術總稱為超精工程。
超精密加工主要包括三個領域：
  • 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和天體望遠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模集成電路基片的加工。
  • 超精密特種加工如大規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0.1µm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。

      2 國外概況

      1. 美國是最早研制開發超精密加工技術的國家。早在1962年，美國就開發出以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床，其主軸回轉精度為0.125µm，加工直徑為Ø100mm的半球，尺寸精度為±0.6µm，粗糙度為Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光學金剛石車床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達0.025µm，表面粗糙度為Ra0.042µm。在該機床上采用多項新技術，如多光路激光測量反饋控制，用靜電電容測微儀測量工件變形，32位機的CNC系統，用摩擦式驅動進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，只用兩周的時間便組裝成了一臺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，實現切削厚度為1nm(納米)的加工。盡管如此，最近美國政府還是繼續把微米級和納米級的加工技術作為國家的關鍵技術之一，這足以說明美國對這一技術的重視。
      英國是較早從事超精加工技術研究的國家之一。從1979年起，開發用于制造X射線望遠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范圍內的表面凹凸達到6nm以下，整個鏡面的形狀精度達1µm以下。該機床為保證超精加工，采用了許多新技術。例如采用封裝合成花崗巖作為機床基礎(總重48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達驅動的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉精度為0.1µm，空氣軸承支承的旋轉工作臺，分辨率為0.015µm的HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計算機等構成的X軸、Z軸工件尺寸及形狀精度的測量補償系統，壓電式刀具微進給裝置，16位CNC控制系統等。英國在80年代初就已開始實施納米計劃，成立了納米技術戰略委員會。Cranfield理工學院是世界上第二個能制造出用于大型超精密加工機床的高剛度(2kN/µm)氣浮精密軸承和主軸系統的單位。 www.stonebuy.com 中國http://www.stonebuy.com石材http://www.stonebuy.com/網
      日本的超精密加工技術的研究開發滯后于美國20年，但由于得到有關方面的重視和努力，發展較快。與美國不同，日本完全是出于民用工業的考慮來發展超精密加工技術的，從多棱體反射鏡加工機床到磁頭微細加工機床，磁盤端面車床，發展到非球面加工機床和短波X射線反射鏡面加工機床。1986年日本已把納米技術作為先進技術探索研究計劃中的六大課題之一。日本推行了一個從1991年起，為期10年，投資250億日元的研究開發微型機械http://www.stonebuy.com/machine/的大型國家科研計劃。在這個計劃中，FANUC公司和電氣通信大學合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首次用切削方法實現了自由曲面的微細加工。這臺銑床具有無摩擦伺服系統和用于微細加工的CAD/CAM 系統，最小數控分辨率為1nm。在對直徑為1mm高度差為30µm的復雜曲面進行的微細銑削加工中，獲得了Ra0.058µm的表面粗糙度。機床的主要性能：X、Z軸的最小分辨率為1nm，C、B軸的最小分辨率分別為0.0001°和0.00001°，當主軸的最大供氣壓力為6×106Pa時，回轉速度為55000r/min。微細切削用刀具是一種單晶金剛石偽球頭立銑刀。刀尖半徑為0.01mm，半刀尖角為75°，刀尖圓弧中心與軸心線有0.1mm的偏移量。日本的超精加工機床生產廠家有十多家，產品http://www.stonebuy.com/sample/大多采用0.01µm高分辨率的CNC系統和激光干涉儀測量，納米級光刻已超過了美國，居世界領先地位。超精加工機床的加工精度已達亞微米級(0.1µm以下)，粗糙度達Ra0.01µm，最高水平的機床已用于制造超大規模集成電路，刻線寬度可達0.3µm。
      德國、荷蘭以及中國http://www.stonebuy.com臺灣的超精密加工機床，也都處于世界先進水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精車床，最大加工直徑Ø200mm，長度200mm，其加工形狀精度為0.5µm，表面粗糙度Ra0.02µm。而德國主要研究超精密測量技術。
      目前世界上超精密加工達到的最高技術水平如下：加工精度0.025µm，表面粗糙度Ra0.0045µm，即已進入了納米級加工精度的時代。在測量技術方面，對小位移的測量：電容式測頭分辨率可做到0.5nm(量程為15µm)和0.1nm(量程為5µm)，線性誤差小于0.1%；光電子纖維光學測頭的分辨率可到0.5nm(量程為30µm)，線性誤差為5%；掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨率可達0.01nm(量程20mm時)；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm(量程200µm時)。對大長度尺寸的測量，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)；氦氖激光(實驗室)的分辨率可做到0.01µm(量程為2mm)；莫爾條紋光學尺的分辨率可做到10nm(量程1m)，精度為1µm/m。對角度測量，莫爾條紋角度光學尺的分辨率可做到0.005"(360°范圍)，精度0.1"，因此測量方面基本上滿足了納米級加工技術要求。

      3 用STM進行微細加工

      掃描隧道顯微鏡(STM)在納米級尺度上對各種表面進行刻蝕與修飾，實現納米加工，這是其應用的一個重要領域。
      用STM進行表面加工的方法主要有兩類：第一類是在金屬、半導體或絕緣體表面上直接寫入點、線或規定的圖形符號。具體方法通常是在STM的恒流模式工作狀態下，在針尖上加一定的電壓脈沖，或突然縮短針尖與樣品間的距離，使針尖下樣品表面形成坑、丘等結構變化。
      第二類方法是通過STM的電子束引起化學反應，在針尖下的表面微區淀積金屬材料。
      第一臺STM是G·Bining等于1981年研制成功的。現在裝置的結構、防震、穩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行平面制版加工。其優點是能顯示表面的結構形貌，具有原子尺度的分辨率；所涉及的電子能量低(<100eV)，對材料的損傷少；可以在真空、大氣、甚至液體中工作；結構遠比需聚焦、偏轉的離子、電子束裝置簡單，如直接用于平面結構的制版加工，使現有的VLSI微細工藝水平提高到一個新的量級，對科學技術發展將產生巨大影響。假定寫入點的直徑為1nm，點中心間距為2nm，數據存貯器的記憶密度可達1013bits/cm2，可以存下300頁的書100萬本；對于3.5英寸大小的軟盤，存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國省級圖書館的全部藏書。

      4 我國對超精密加工技術的研究

      我國對超精密加工技術的研究起步不晚。基本做法與日本有類似之處，先從電子工業開始，用于加工磁盤、磁鼓、磁頭。1965年前后研制出鏡面外圓磨床，加工圓度優于0.3µm，表面粗糙度Ra0.01µm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Ra0.025µm以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盤車床。SI-235型超精密車床，主軸回轉精度值優于0.2µm，還有超精球面車床。進入80年代，研制了回轉精度達0.025µm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0.01µm的CNC數控超精密車床等產品http://www.stonebuy.com/sample/，可加工球面和拋物面體、菲涅爾鏡等零件。加工形狀精度達0.1µm，表面粗糙度達Ra0.025µm以下。最近哈爾濱工業大學研制成功HCM-1亞微米超精密加工機床，其技術性能如表所示。還研制成CSPM-930型STM、AFM 等一批掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。但與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術方面差距尤為明顯。
      國內外典型超精密車床性能指標
      型號(生產廠家) HCM-1
      (中國http://www.stonebuy.com哈工大)      		 M-18AG
      (美國Moore Special Tool Co.)      		 超精密CNC機床
      (日本Toshiba Co.)      		 超精密車床
      (德國IPT)
      主
      軸      		 徑向跳動(µm)   ≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048
      軸向跳動(µm)   ≤0.05 ≤0.05(500r/min)  
      徑向剛度(N/µm) 200   100  
      軸向剛度(N/µm) 160   200  
      Z向(主軸)直線度 <0.2µm/100mm ≤0.5µm/230mm   0.044µm/80mm
      X向(刀架)直線度 <0.2µm/100mm ≤0.5µm/410mm   0.044µm/80mm
      X、Z向垂直度(") ≤1 1    
      重復定位精度(µm)   1(全程)0.5(25.4mm)    
      加工工
      件精度       		形面精度(µm) 圓度：0.1 平面度：0.3 <0.1(P-V值) 0.1
      表面粗糙度(µm) Ra0.0042 0.0075(P-V值) Ra0.002 0.002～0.005RMS
      位置反饋系統分辨率(µm)   25 2.5 10
      溫控精度(X) ≤0.004 ±0.006 ±0.1  
      隔振系統固有頻率(HZ) ≤2 2    
      加工范圍(mm) Ø320 Ø356 Ø650×Ø250  

      5 加強我國超精加工技術開發的若干建議

      1. 把發展我國超精密加工技術作為一個科技戰略任務來抓，在發展我國超精密加工技術時，應當得到國防工業部門及有關研究單位的大力關心和支持。
      2. “十五”期間，在生產線上實現亞微米級、納米級加工精度，在大型超精加工商品化機床上實現超精加工的自動化。再用10年左右的時間，大體達到美國目前的水平。
      3. 單晶金剛石刀具鏡面切削作為實現超精密加工的主要方向。
      4. 必須抓好以下6個方面的研究工作：
        1. 提高主軸回轉精度，如開發高精度(回轉誤差小于0.02µm甚至8nm)，高剛度(大于2kN/µm)的新型軸承和主軸系。
        2. 提高直線運動精度，結構上采用空氣靜壓(直線度可達0.1～0.2µm/250mm)和液體靜壓導軌，并利用均化作用提高運動精度。如盡快開發高分辨率(如設定值≤0.01µm至納米級的定位分辨率)和跟蹤誤差為零的數控伺服系統，以實現微量進給的驅動系統。 http://heituxidu.com 石業新聞
        3. 大力開展在線檢測技術的研究，主要抓以下三個方面：①提高檢測精度：由于加工精度向紫外線、X射線波長區域移動，所以要不斷提高檢測精度。②在線檢測變被動測量為主動測量。這是實現超精加工自動化的重要手段。③發展動態測量：檢測技術中，主要開發納米精度的長度測量技術和具有Å級或亞Å級(0.01nm)分辨率的表面形貌測量技術；環境溫度引起的熱漂移及其它誤差的在線檢測和自動補償技術；掃描探針顯微鏡(SPM)的多功能化檢測。
        4. 環境保障技術的開發研究：主要研究加工設備和地基的低頻(低于25Z)隔振技術；保證±0.01～0.005℃的恒溫技術；加工環境的高度清潔和凈化(潔凈度為20000～3000級以下)技術等。
        5. 材料的超精加工性研究。
        6. 加工理論和工藝方法研究：如借助于“隧道”和“原子力”等掃描探針顯微鏡(SPM)技術進行分子外延結晶或分子剝除加工技術；可延性磨削；能束加工；納米級微切削過程的分子動力學分析方法等。

      -------------------------------------------作者：云南省國防工業學校 許茂桃

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