微细与超微细加工技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工件
Ⅰ－Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
金属丝
导丝器
WEDG工作原理
WEDG 可加工的各种截形杆
可编辑版
11
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
氧化膜 光致抗蚀剂
电子束
掩膜
窗口
基片 1. 涂胶 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
伺服电机＋滚珠丝杠 直线驱动
5～10
0.5～1.0
±2～±5
±0.1～±0.2
20～50
60～200
1～2
2～10
6000～10000
50Baidu Nhomakorabea00
可编辑版
10
三、微细电加工
◆ 线放电磨削法（WEDG） 电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可 加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动， 还可加工出各种形状的杆件。
第三章 先进制造工艺技术
第六节 微细与超微细加工技术
一、概述
➢ 微细加工 —— 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工， 其加工误差为0.1μm ～ 10μm 。
➢ 超微细加工 —— 通常指1μm以下超微细尺寸零件的加 工，其加工误差为0.01μm ～0.1μm。
➢ 精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与 加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值 表示。
➢“加工单位”—— 去除一块材料的大小，对于微细加工， 加工单位可以到分子级或原子级。
➢ 微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体 内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。
可编辑版
2
微细与超微细加工机理与加工方法
加工机理
分离加 工(去除 加工)
机械去除 化学分解 电解 蒸发 扩散与熔化 溅射
➢ 为了降低伺服系统 的摩擦，导轨、丝杠 螺母副以及伺服电机 转子的推力轴承和径 向轴承均采用气体静 压结构。
C轴回转工作台 工件 刀具 空气涡轮主轴 B轴回转工作台
X导轨
C
Z导轨
B
空气油减振器
FANUC 微型超精密加工机床
可编辑版
6
◆ 直接线性驱动（直线电机驱动）
➢ 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小 形变，并转化为微位移。
加工方法
车削，铣削，钻削，磨削 蚀刻，化学抛光，机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工，熔化去除加工 离子束溅射去除加工，等离子体加工
结合加 工(附着 加工)
化学(电化学)附着 化学(电化学)结合 热附着 扩散(熔化)结合 物理结合 注入
化学镀，气相镀（电镀，电铸） 氧化，氮化（阳极氧化） （真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀） 溅射沉积，离子沉积（离子镀） 离子溅射注入加工
单晶金刚石铣刀刀头形状
可编辑版
4
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。 ➢高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。 ➢高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。 ➢低热变形结构设计。 ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度。 ➢高的主轴转速及动平衡。 ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 ➢具有刀具破损检测的监控系统。
➢ 载流导体：
◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体 内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。
◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶 体发生应变。
➢ 特点：
◎结构简单，运行可靠，传动效率高。
◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。
◎行程不受限制。
◎运动精度高。
◎技术复杂。
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
电子束光刻大规模集成电路加工过程
可编辑版
12
◆ 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）
➢要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μm ➢导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨 ➢工作台：粗动 — 伺服电机 + 滚珠丝杠
微动 — 压电晶体电致伸缩机构
➢工作台微动的形成：
Y
Py1
Py2
0
微动工作台
Px
电致伸缩微动工作台
X运动： Py1＝ Py2 Px长度变化
X Y运动： Py1＝ Py2 Py1长度变化
Z转动： Py1≠ Py2
可编辑版
13
四、离子束加工
利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性 气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面， 进行“溅射”加工。
◆ FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床
可编辑版
5
➢ 机床有X、Z、C、 B四个轴，在B 轴回 转工作台上增加A轴 转台后，可实现5轴 控制，数控系统的最 小设定单位为1nm。 可进行车、铣、磨和 电火花加工。
➢ 旋转轴采用编码器 半闭环控制，直线轴 则采用激光全息式全 闭环控制。
逆压电元件去掉励磁电压， 恢复原长，电磁铁1移动 Δ
电磁驱动装置（可直编辑线版电机）工作原理
8
直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）
可编辑版
9
➢ 直线驱动与伺服电机驱动比较
直线驱动与伺服电机驱动比较
性能 定位精度(μm/300mm) 重复定位精度(μm) 最高速度(m/min) 最大加速度(g) 寿命(h)
可编辑版
7
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
逆压电元件加励磁电压， 伸长Δ
电磁铁2加励磁，夹紧 电磁铁1去掉励磁，松开
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
可编辑版
3
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式，可加工平面、 内腔、孔和外圆表面。
◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀。铣刀的 回 转 半 径 （ 可 小 到 5μm ） 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到。当刀具 回转时，刀具的切削刃 形成一个圆锥形的切削 面。
一次溅射原子
二次溅射原子
Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子
Ar离子
真空
工件表面
格点间停留离子
位移原子 格点置换离子
图7-43 离子碰撞过程模型
可编辑版
工件 位移原子
14
◆ 四种工作方式
➢ 离子束溅射去除加工
Ⅰ－Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
金属丝
导丝器
WEDG工作原理
WEDG 可加工的各种截形杆
可编辑版
11
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
氧化膜 光致抗蚀剂
电子束
掩膜
窗口
基片 1. 涂胶 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
伺服电机＋滚珠丝杠 直线驱动
5～10
0.5～1.0
±2～±5
±0.1～±0.2
20～50
60～200
1～2
2～10
6000～10000
50Baidu Nhomakorabea00
可编辑版
10
三、微细电加工
◆ 线放电磨削法（WEDG） 电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可 加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动， 还可加工出各种形状的杆件。
第三章 先进制造工艺技术
第六节 微细与超微细加工技术
一、概述
➢ 微细加工 —— 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工， 其加工误差为0.1μm ～ 10μm 。
➢ 超微细加工 —— 通常指1μm以下超微细尺寸零件的加 工，其加工误差为0.01μm ～0.1μm。
➢ 精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与 加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值 表示。
➢“加工单位”—— 去除一块材料的大小，对于微细加工， 加工单位可以到分子级或原子级。
➢ 微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体 内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。
可编辑版
2
微细与超微细加工机理与加工方法
加工机理
分离加 工(去除 加工)
机械去除 化学分解 电解 蒸发 扩散与熔化 溅射
➢ 为了降低伺服系统 的摩擦，导轨、丝杠 螺母副以及伺服电机 转子的推力轴承和径 向轴承均采用气体静 压结构。
C轴回转工作台 工件 刀具 空气涡轮主轴 B轴回转工作台
X导轨
C
Z导轨
B
空气油减振器
FANUC 微型超精密加工机床
可编辑版
6
◆ 直接线性驱动（直线电机驱动）
➢ 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小 形变，并转化为微位移。
加工方法
车削，铣削，钻削，磨削 蚀刻，化学抛光，机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工，熔化去除加工 离子束溅射去除加工，等离子体加工
结合加 工(附着 加工)
化学(电化学)附着 化学(电化学)结合 热附着 扩散(熔化)结合 物理结合 注入
化学镀，气相镀（电镀，电铸） 氧化，氮化（阳极氧化） （真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀） 溅射沉积，离子沉积（离子镀） 离子溅射注入加工
单晶金刚石铣刀刀头形状
可编辑版
4
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。 ➢高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。 ➢高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。 ➢低热变形结构设计。 ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度。 ➢高的主轴转速及动平衡。 ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 ➢具有刀具破损检测的监控系统。
➢ 载流导体：
◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体 内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。
◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶 体发生应变。
➢ 特点：
◎结构简单，运行可靠，传动效率高。
◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。
◎行程不受限制。
◎运动精度高。
◎技术复杂。
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
电子束光刻大规模集成电路加工过程
可编辑版
12
◆ 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）
➢要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μm ➢导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨 ➢工作台：粗动 — 伺服电机 + 滚珠丝杠
微动 — 压电晶体电致伸缩机构
➢工作台微动的形成：
Y
Py1
Py2
0
微动工作台
Px
电致伸缩微动工作台
X运动： Py1＝ Py2 Px长度变化
X Y运动： Py1＝ Py2 Py1长度变化
Z转动： Py1≠ Py2
可编辑版
13
四、离子束加工
利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性 气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面， 进行“溅射”加工。
◆ FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床
可编辑版
5
➢ 机床有X、Z、C、 B四个轴，在B 轴回 转工作台上增加A轴 转台后，可实现5轴 控制，数控系统的最 小设定单位为1nm。 可进行车、铣、磨和 电火花加工。
➢ 旋转轴采用编码器 半闭环控制，直线轴 则采用激光全息式全 闭环控制。
逆压电元件去掉励磁电压， 恢复原长，电磁铁1移动 Δ
电磁驱动装置（可直编辑线版电机）工作原理
8
直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）
可编辑版
9
➢ 直线驱动与伺服电机驱动比较
直线驱动与伺服电机驱动比较
性能 定位精度(μm/300mm) 重复定位精度(μm) 最高速度(m/min) 最大加速度(g) 寿命(h)
可编辑版
7
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
逆压电元件加励磁电压， 伸长Δ
电磁铁2加励磁，夹紧 电磁铁1去掉励磁，松开
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
可编辑版
3
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式，可加工平面、 内腔、孔和外圆表面。
◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀。铣刀的 回 转 半 径 （ 可 小 到 5μm ） 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到。当刀具 回转时，刀具的切削刃 形成一个圆锥形的切削 面。
一次溅射原子
二次溅射原子
Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子
Ar离子
真空
工件表面
格点间停留离子
位移原子 格点置换离子
图7-43 离子碰撞过程模型
可编辑版
工件 位移原子
14
◆ 四种工作方式
➢ 离子束溅射去除加工