超精密加工之气囊抛光

1.2促进超精密加工发展的因素
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。 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。 为使电子元件的功能正常发挥，就要求加工后的表 面不能残留加工变质层。 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。
2.2超精密加工的加工范畴
精密和超精密加工代表了加工精度发展的不 同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械 加工分为一般加工、精密加工、超精密加工 三个阶段。 精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面 粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称 为精密加工； 超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表 面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为 超精密加工（微细加工、超微细加工、光整 加工、精整加工等 ）
2.5 超精密研磨与抛光
• 研磨、抛光是最古老的加工工艺，也一直都是超精 密加工最主要的加工手段。通常，研磨为次终加工 工序，将平面度降低至数微米以下，并去前道工序 (通常为磨削)产生的损伤层。抛光是目前主要的终 加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成 的损伤层，获得光滑、无损伤的加工表面。 • 抛光过程中材料去除量十分微小，约为 5 µm。到 目前为止，众多学者提出了多种抛光方法，其中应 用最为广泛， 技术最为成熟的是化学机械抛光 (Chemicalmechanical polishing， CMP)技术。
非球面大型零件等。
从 1966年起，美国的 Union Carbide 公司、 荷兰Philips 公司和美国 Lawrence Livermore Laboratories 陆续推出各自的超 精密金刚石车床。但其应用限于少数大公司与 研究单位的试验研究，并以国防用途或科学研 究用途的产品加工为主。这一时期，金刚石车 床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加 工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的 工件例如非球面镜等。
3.2、超精密加工材料分类
钢
超 精 密 加 工 材 料 的 分 类
黑色金属 金属材料
铸铁 铝合金 铜合金 弹性合金 膨胀合金 热双金属
有色金属
精密合金
有机高分子材料
非金属材料
无机非金属材料 复合材料
塑料 橡胶 胶黏剂 涂料 石英 宝石 石材 金刚石 工程陶瓷
3.3、常见的材料及其加工方法
材Hale Waihona Puke 无机 硬脆 材料(7) 气囊式抛光。
气囊式抛光技术是 2000 年伦敦学院大学光学科学实 验室和 Zeeko 有限公司联合提出的。抛光工具外面 包有磨料薄膜层(如聚氨酯抛光垫、抛光布等)的胶皮 气囊。抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工 件对气囊抛光工具作相对的进给运动，使工件的全部 表面都被能抛光加工。 工具气囊同时还作摆动(摆动 中心为气囊曲面的曲率中心)，使磨料薄膜层均匀磨 损。由于工具气囊具有弹性，可以自动适应工件的曲 面形状，故同一工具可用于抛光不同外形的曲面。该 方法适于大型自由曲面的超精密加工。
3 超精密加工的材料
3.1、超精密加工对材料的要求
3.2、超精密加工材料的分类 3.3、常见的材料及加工方法
3.4、工件材料方面诸因素对切削加工性的影响
3.5先进先进陶瓷材料
姓名：
学号：
3 超精密加工的材料
3.1、超精密加工对材料的要求 化学成分：应准确、质地均匀、无杂质；10-2～ 10-3 数量级。 物理力学性能：稳定、一致，无外部和内部微观缺 陷；拉伸强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率 、膨胀系数等应达到10-5 ～10-6数量级。 加工工艺性能：冶炼、铸造、热处理等工艺过程要 严格控制。
2.4超精密磨削
超精密加工发展初期，磨削这种加工方法是被忽略的 ，因为砂轮中磨粒切削刃高度沿径向分布的随机性和 磨损的不规则性限制了磨削加工精度的提高。随着超 硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展，超精密磨削技术 逐渐成形并迅速发展。 (1)超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮是指由金刚石或 CBN 磨料制成的砂轮。 (2)超硬磨料砂轮修整技术。超硬磨粒砂轮具有优良 的耐磨损能力，不需经常修整，但在初始安装和 使用磨钝后修整却比较困难。 (3)珩磨。20 世纪 80 年代出现了平面珩磨技术，该 技术采用类似研磨的运动方式，珩磨的砂轮速度 是传统磨削砂轮速度的 1/30～1/60。
目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为 先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源 或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投 入巨额经费，对大型紫外线、Ｘ射线探测望远镜的 大口径反射镜的加工进行研究。如美国太空署 (NASA)推动的太空开发计划， 以制作 1 m 以上反射 镜为目标，目的是探测 X 射线等短波(0.1～30 nm) 。 日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较 晚，却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包 括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗 器械和人造器官等。
20 世纪 90 年代至今为民间工业应用成熟期
从 1990 年起，由于汽车、能源、医疗器材、信 息、光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工机 的需求急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学 镜片、 Fresnel 镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁 头、磁盘基板加工、半导体晶片切割等。 在这一时期，超精密加工设备的相关技术，例如控制 器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨 、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟，超精 密加工设备变为工业界常见的生产机器设备，许多公 司，甚至是小公司也纷纷推出量产型设备。
2.3 超精密切削
超精密切削以 SPDT（单点精钢石切削）技术开始， 该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度 工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米 级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃 口半径极小(约 20 nm)。 最先用于铜的平面和非球 面光学元件的加工。随后，加工材料拓展至有机玻璃 、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等) 、陶瓷及复合材料等。超精密切削技术也由单点金刚 石切削拓展至多点金刚石铣削。
超 精 密 加 工 之 气 囊 抛 光
超精密加工之气囊抛光
1 2 3 4 5 超精密加工发展趋势 超精密加工技术 超精密加工的材料 超精密加工之气囊抛光 气囊抛光实验的详论述和介绍
超精密加工发展趋势
1.1：超精密加工的发展趋势 1.2促进超精密加工发展的因素
1.1：超精密加工的发展趋势
超精密加工的发展经历了如下三个阶段。
20 世纪 80 年代至 90 年代为民间工业应用 初期。
在20世纪80年代，美国政府推动数家民间公司如 Moore Special Tool 和 Pneumo Precision 公司开 始超精密加工设备的商品化，而日本数家公司如 Toshiba 和 Hitachi 与欧洲的 Cranfield 大学等也 陆续推出产品，这些设备开始面向一般民间工业光学 组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依然高贵 而稀少，主要以专用机的形式订作。
以上四个方面相互关联，共同促进了超精密加工 技术的发展。国际知名超精密加工研究单位与企业主 要有，美国 LLL 实验室和 Moore 公司、 英国 Granfield 和 Tayler 公司、德国 Zeiss 公司和 Kugler 公司、日本东芝机械、丰田工机和不二越公 司等。我国从 20 世纪 80 年代初期开始研究超精密 加工技术，主要的研究单位有北京机床研究所、清华 大学、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所应用 光学重点实验室、大连理工大学和浙江工业大学等。
除 CMP 技术外，经典的超精密研磨抛光方 法还有以下几种。 (1)弹性发射加工(Elastic emission machine ，EEM)。 日本大阪大学 TSUWA 等研究了在工件表面,以 原子级去除材料的可行性，建立了弹性发 射加工理论，其加工原理和生产设备分别 如图所示。
（2）动压浮离抛光。
WATANABE 等利用动压轴承的原理开发了动压浮离抛 光技术。 通过在抛光盘沿其圆周方向制有若干倾斜平面，利 用抛光盘转动时产生的液动压，使工件浮于抛光盘 表面，通过浮动间隙中的抛光料微粒对工件进行抛 光。
(3)浮法抛光。
1977 年，日本的 NAMBA 等研究人员为了加工抛光磁 头材料，提出了浮法抛光工艺。 该工艺使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的 锡抛光盘，将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，使得 抛光盘和工件高速旋转，在两者之间抛光液呈动压液 体状态，并形成一层液膜， 再利用液膜里的磨料高 速冲击工件表面，从而实现材料的去除。
料
超精密加工方法
超精密磨削 超精密研磨 超精密抛光
半导体材料 玻璃 蓝宝石 石 软质金属
陶瓷 石英 金刚
塑料
耐热合金 复合材料 黑色金属
超精密金刚石切削
超精密磨削 超精密研磨 超精密抛光
3.4 工件材料方面诸因素对切削加工性的影响
3.4.1工件材料的物理、力学性能对切削加工性的影响
超精密加工技术 2.1什么是超精密加工技术？ 2.2超精密加工的加工范畴 2.3 超精密切削 2.4超精密磨削 2.5 超精密研磨与抛光
2 超精密加工技术
2.1什么是超精密加工技术？
超精密加工技术标志着一个国家机械制造业的水 平 , 在提高光机电产品的性能、质量、寿命和研 发高科技产品等方面具有十分重要的作用。当前， 超精密加工是指加工误差小于 0 .0l µm、表面粗 糙度小于Ra0.025 µm 的加工，又称之为亚微米级 加工。现在，超精密加工已进入纳米级， 称之为 纳米加工。
(4) 低温抛光。低温抛光是指在低温环境下利 用凝结成固态的抛光液进行抛光加工。 (5) 磁场辅助抛光。 磁场辅助抛光主要包括磁 性磨粒加工(Magnetic abrasive finishing， MAF) 、磁浮置抛光(Magnetic float polishing， MPF)和 磁流变加工(Magnetor- heological finishing， MRF)。 (6)应力盘抛光。为实现大型非球面元件的超 精密加工，诞生了应力盘抛光方法。
20 世纪 50 年代至 80 年代为技术开创期。
20 世纪 50 年代末，出于航天、国防等尖端技术发展 的需要，美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石 刀具超精密切削——单点金刚石切削(Single point diamond turning，SPDT)技术，又称为“微英寸技术”， 用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、
20 世纪 80 年代后期，美国通过能源部“激光核聚 变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划 ”对超精密金 刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人 力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLL 国家实验室研制出的大型光学金刚石车床(Large optics diamond turning machine， LODTM)成为超 精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为 1.625 m 的立式车床，定位精度可达 28 nm，借助在 线误差补偿能力，可实现长度超过 1 m、而直线度误 差只有±25 nm 的加工。
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。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断 增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。 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。 加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，所以从提 高零件耐腐蚀能力的角度出发，要求加工产生的变质 层尽量小。 对产品高性能的追求。机构运动精度的提高，有利 于减缓力学性能的波动、降低振动和噪声。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。