轴承加工：超精密加工[01]

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

超精密加工的市场需求 精密、超精密加工是个相对概念，而且随着工艺水平的普遍提高，不同年代有着不同的划分界限，但并无严格统一的标准。从目前机械加工的工艺水平来看，超精密加工一般指加工精度<0.3µm，表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工。同时也包含加工尺寸在微米级的微细加工。 随着科学技术的发展，特别是许多高新科技的发展，使超精密加工的市场需求呈现出如下的特点： 要求超精密加工的机电产品元器件越来越多，不仅有传统的光学零件、超精密加工块规等，而且有现代IT中广泛采用之大规模集成电路的各种芯片，计算机用的磁盘、光盘，复印机用的磁鼓；核聚变用的激光反射镜；导弹制导系统用的激光反射镜；导航用的陀螺仪腔体；气浮和静电陀螺仪的球状支承；人造卫星姿态控制用的过半球体；卫星、航天器上各种仪器仪表用的真空无润滑轴承；全球定位系统（GPS）和电子对抗技术中用的砷化镓半导体大规模集成电路；红外夜视设备、大型天文望远镜和太空望远镜中用的球面和非球面光学透镜，以及多种军、民使用的高新科技产品中的精密零部件等。 相同品名的元器件要求超精密加工的数量越来越大。例如有些品名，以前只是单件或小批生产，用于实验性的产品上，现在则要求批量乃至大批量规模生产，用在军、民使用的高新科技产品上，如大规模集成电路用的硅片、磁盘、磁鼓等，年需求量数以百万、千万件计。 要求超精密加工的表面形状越来越复杂，精度要求也越来越高。其中不仅有平面、圆柱面，还有球面、非球形曲面、抛物面等。其面形精度一般都要求控制在加工尺寸（用mm表示）的10%（用nm表示，实质上是百万分之一）以内，也就是说，加工Ø100mm直径的外圆时，加工圆度要求要控制在100×10%=10nm以内。加工的表面粗糙度Ra值则在2nm~10nm之间。 要求超精密加工的材料也越来越广泛；不仅有黑色金属、有色金属、还有玻璃、陶瓷和各种半导体材料，如硅、砷化镓、碲镉汞晶体等。 要求超精密加工的零件尺寸在向大型（Ø2m以上）和微型（微米、纳米级）两极发展。 总而言之，超精密加工的市场需求在迅速扩大。目前虽无直接的数据说明，但有一些数据也可以作为佐证的。例如，目前以半导体IC为基础的电子信息产品的世界贸易额已达到一万亿美元，是世界第一大产业；2003年中国的电子电讯设备制造业的产值达14917.6亿元人民币。全球的IC有90%以上都要采用硅片，而大规模和超大规模的IC芯片（主要为硅片）都要用超精密加工来进行生产。美国为了部署战略导弹防御系统和发展先进武器，大大增加国防开支；许多国家也为了自身的安全和防卫而提高对高新科技研发的投入和国防费用，所有这些将扩大对超精密加工的市场需求。实现超精密加工基本条件 为了能实现超精密加工并获得预期的加工效果，必须具备下述基本条件： 被加工工件的材质要密实；各向的同一性要好（最好为单晶）；表层硬度和弹性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化学成份与机械物理性能对标准值的偏差不应超过0.1%。 选用的超精密加工工艺方法要与被加工材料相匹配。例如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜用单点金刚石刀具进行车削或铣削加工；黑色金属材料（如钢等）则宜选磨削与研、抛等工艺，否则得不到预期的加工效果等。 加工环境要严格恒温、隔振和净化。恒温室（第一分隔区）中的温度波动不得大于±0.1°C；加工区（第二分隔区）中则不应超过±0.01°C；环境的相对湿度要保持在40%±10%以内；大气压力（如用激光测量仪时）应保持1MPa±0.1%；机床地基的隔振系统固有频率<2Hz；加工区的净化度应为每立方英尺中大于0.1µm的微粒含量应不多于10颗。 具有能实现纳米级（1nm~10nm）增量进给的机床和分辨力优于0.1nm的测量设备，如激光干涉仪，扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。 超精密加工的工艺方法 根据被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工工艺方法主要分三大类：切削加工法、磨削加工（含研、抛）法和电物理加工法。 切削加工法 切削加工法主要是采用优质的天然金刚石作刀具的切削刃，对有色金属、玻璃或陶瓷工件进行车削和铣削加工，可以加工端面、球面和抛物面等曲面。 超精密车削加工中，金刚石刀具的刃磨是关键。刀尖的圆弧半径应为被加工表面要求值的五分之一左右，一般γc小于10nm，用铸铁研具进行研抛时，可获得γc=3~5nm。再小的γc值则要用离子束加工来获得。实践证明，采用这样的刀具，便于切削速度在很大（V=120~3600m/min）的范围内变化，而不影响被加工表面的粗糙度值。 常选的切削用量是：加工有色金属时V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷时V=15~120m/min；根据刀尖圆弧末径γc值的不同，进给量可在0.1~10µm/r的范围内选取，切削深度则为t=0.05~0.1µm。 在用雾化酒精或温度可控的矿物润滑油冷却的情况下，高质量的单晶金刚石刀具的耐用度（用一次刃磨後切刃可以有效地进行切削的长度来衡量）可达1500km。 切削加工法所能达到的最高水平：面形精度为0.025µm、表面粗糙度为Ra=2~4nm。 磨削加工法 磨削加工法是采用精细磨粒的砂轮或砂带进行磨削和研、抛的加工。此法多用于硬度较高的黑色金属材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金属材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面——平面、圆柱面、球面和非球面。 圆柱形镜面通常用磨削方法加工，磨削速度选V=25~35m/s，粗磨时t=0.02~0.07mm，精磨时t=3~10µm；当用油石研、抛时，V=10~50m/min，材料的去除速度为0.1µm~1µm/min。超精磨削可达到0.01µm的圆度和Ra0.002µm的表面粗糙度。