微細與超微細加工技術(shù)

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1、第三章先進制造工藝技術(shù)第六節(jié)微細與超微細加工技術(shù)一、概述微細加工——通常指1mm以下微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1μm～10μm。超微細加工——通常指1μm以下超微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細加工，其精度用誤差尺寸絕對值表示?！凹庸挝弧薄コ粔K材料的大小，對于微細加工，加工單位可以到分子級或原子級。微切削機理——切削在晶粒內(nèi)進行，切削力要超過晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增

2、大。熱流動加工（火焰，高頻，熱射線，激光）壓鑄，擠壓，噴射，澆注微離子流動加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動變形加工(流動加工)化學鍍，氣相鍍（電鍍，電鑄）氧化，氮化（陽極氧化）（真空）蒸鍍，晶體增長，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳，（侵鍍，熔化鍍）濺射沉積，離子沉積（離子鍍）離子濺射注入加工化學(電化學)附著化學(電化學)結(jié)合熱附著擴散(熔化)結(jié)合物理結(jié)合注入結(jié)合加工(附著加工)車削，銑削，鉆削，磨削蝕刻，化學拋光，機械化學拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴散去除加工，熔化去除加工離

3、子束濺射去除加工，等離子體加工機械去除化學分解電解蒸發(fā)擴散與熔化濺射分離加工(去除加工)加工方法加工機理微細與超微細加工機理與加工方法◆主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。◆刀具：多用單晶金剛石車刀、銑刀。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5μm）靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。單晶金剛石銑刀刀頭形狀二、微細機械加工微小位移機構(gòu)，微量移動應可小至幾十個納米。高靈敏的伺服進給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)

4、。高的定位精度和重復定位精度，高平穩(wěn)性的進給運動。低熱變形結(jié)構(gòu)設計。刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。高的主軸轉(zhuǎn)速及動平衡。穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動干擾。具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)?！粑⒓殭C械加工設備◆FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工機床機床有X、Z、C、B四個軸，在B軸回轉(zhuǎn)工作臺上增加A軸轉(zhuǎn)臺后，可實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設定單位為1nm?？蛇M行車、銑、磨和電火花加工。旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器半閉環(huán)控制，直線軸則采用激光全息式全閉環(huán)控制。為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦，導軌、絲杠螺母副以及伺服電

5、機轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓結(jié)構(gòu)。FANUC微型超精密加工機床載流導體：◎逆壓電材料（如壓電陶瓷PZT）——電場作用引起晶體內(nèi)正負電荷重心位移（極化位移），導致晶體發(fā)生形變?！虼胖律炜s材料（如某些強磁材料）——磁場作用引起晶體發(fā)生應變?！糁苯泳€性驅(qū)動（直線電機驅(qū)動）工作原理：載流導體在電場（或磁場）作用下產(chǎn)生微小形變，并轉(zhuǎn)化為微位移。特點：◎結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，傳動效率高?！蜻M給量可調(diào)，進給速度范圍寬，加速度大?！蛐谐滩皇芟拗?。◎運動精度高?！蚣夹g(shù)復雜。電磁驅(qū)動裝置（直線電機）工作原理逆壓

6、電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵磁電壓，伸長Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵磁，夾緊電磁鐵1去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵磁電壓，恢復原長，電磁鐵1移動Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵磁，夾緊ΔΔ直線電機驅(qū)動定位平臺(YOKOGAWA公司）直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較性能伺服電機＋滾珠絲杠直線驅(qū)動定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復定位精度(μ

7、m)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10壽命(h)6000～1000050000電極線沿著導絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸。如導絲器通過數(shù)字控制作相應的運動，還可加工出各種形狀的桿件?！艟€放電磨削法（WEDG）WEDG可加工的各種截形桿WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金屬絲導絲器三、微細電加工離子束4.刻蝕（形成溝槽）5.沉積（形成電路）6.剝膜（去除光致抗蝕劑）3.顯影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或

8、掃描）掩膜電子束電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程◆光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）1.涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片要求：定位精度0.1μm，重復定位精度0.01μm導軌：硬質(zhì)合金滾動體導軌，或液（氣）靜壓導軌工作臺：粗動—伺服電機+滾珠絲杠微動—壓電晶體電致伸縮機構(gòu)電致伸縮微動工作臺XY0Py1Py2Px微動工作臺工作臺微動的形成：X運動：Py1＝Py2Px長度變化Y運動：Py1＝Py2Py1長度變化Z轉(zhuǎn)動：Py1≠Py2◆加工設備（電子束