机械制造技术基础：超精密加工与纳米加工技术.pptx

机械制造技术的新发展第一节超精密加工与纳米加工技术 超精密加工1.背景2.发展3.概念4.分类5.基本原理一、背景20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。到80年代初，其最高加工尺寸精度已可达10纳米（1纳米=0.001微米）级，表面粗糙度达1纳米，加工的最小尺寸达 1微米，正在向纳米级加工尺寸精度的目标前进。纳米级的超精密加工也称为纳米工艺(nano-technology) 。超精密加工是处于发展中的跨学科综合技术。二、发展尽管随时代的变化，超精密加工技术不断更新，加工精度不断提高，各国之间的研究侧重点有所不同，但促进超精密加工发展的因素在本质上是相同的。这些因素可归结如下： (1)对产品高质量的追求。为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，就必须获得粗糙度更低的表面。 (2)对产品小型化的追求。伴随着加工精度提高的是工程零部件尺寸的减小。从1989～2001年，从6．2kg降低到1．8kg。电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度。 (3)对产品高可靠性的追求。对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定性、延长使用寿命。 (4)对产品高性能的追求。对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度可减少泄露而降低损失。三、概念就当前世界工业发达国家制造水平分析，一般工厂已能稳定掌握3μm（我国为5μm）制造公差的加工技术，制造公差大于此值的加工称为普通精度加工，制造公差低于此值的加工称为高精度加工。在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，还可以进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。制造公差为3.0~0.3μm、表面粗糙度Ra为0.30~0.03μm的加工称为精密加工；制造公差为0.30~0.03μm、表面粗糙度Ra为0.03~0.005μm的加工称为超精密加工；制造公差小于0.03μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工称为纳米加工。四、分类超精密切削加工主要有超精密车削、镜面磨削和研磨等。在超精密车床上用经过精细研磨的单晶金刚石车刀进行微量车削,切削厚度仅1微米左右，常用于加工有色金属材料的球面、非球面和平面的反射镜等高精度、表面高度光洁的零件。例如加工核聚变装置用的直径为800毫米的非球面反射镜，最高精度可达0.1微米，表面粗糙度为Rz0.05微米。超精密特种加工加工精度以纳米，甚至最终以原子单位(原子晶格距离为0.1～0.2纳米)为目标时，切削加工方法已不能适应，需要借助特种加工的方法，即应用化学能、电化学能、热能或电能等，使这些能量超越原子间的结合能，从而去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形，以达到超精密加工的目的。例如：超大规模集成电路的制版五、超精密加工基本原理1.微量切除原理一种加工方法所能达到的加工精度等级取决于这种加工方法能够切除的最小极限切除深度αmin，说天然金刚石切削能达到0.1μm级的加工精度，金刚石刀具必须能从加工表面上切除深度小于0.1μm材料的能力。一种加工方法能切除的最小极限切除深度值αmin越小，它的加工精度就越高。影响微量切除能力的主要因素有：(1)切削工具的刃口锋利程度切削工具的刃口锋利程度一般都用切(磨)削工具的刃口钝圆半径ρ进行评定，钝圆半径ρ值愈小，刃口就越锋利。?切削点Ai处的负前角γi值将随着刀刃钝圆半径ρ的增大和切削厚度αi的减小而增大；负前角γ值越大切削阻力越大，负前角γ值大到一定程度，切削工具就将丧失切削能力。切削工具所能切除的最小厚度αmin与切(磨)削工具刃口圆角半径ρ、机床加工系统刚度等因素有关。切削工具刃口钝圆半径ρ大小所采用的切削工具材料与刃磨技术水平有关（2）机床加工系统的刚度（3）机床进给系统的分辨力图7-1??切削刃钝圆半径ρ与工作前角γ2.精密切除原理具有微量切除能力只是实现超精密加工的必备条件，还必须具有能进行精密切除的设备条件和环境条件。实现精密切削总的要求是：由机床加工系统不准确引起的静态误差，连同由于力作用、热作用和外界环境干扰引起的动误差，必须小于超精密加工规定的制造公差要求。影响精密切除能力的主要因素有：（1）机床加工系统的几何精度（2）机床加工系统的静刚度、动刚度和热刚度（3）加工环境条件3.金刚石超精密切削4.超精密磨削谢谢！纳米加工1.概述2.含义3.加工方式4.工作原理5.新兴纳米加工技术6.我国纳米器件的研究现状一、概述纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅