精密和超精密加工技术的新进展

作者：哈尔滨工业大学 袁哲俊

欢迎访问e展厅 展厅 8 机床附件/其它机床展厅 组合机床, 专用机床, 模具雕铣机, 雕刻机, 拉床, ... 1．概述 精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。 我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。 由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。 2．精密机床技术的发展 精密机床是精密加工的基础。当今精密机床技术的发展方向是：在继续提高精度的基础上，采用高速切削以提高加工效率，同时采用先进数控技术提高其自动化水平。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统，成为一台加工中心；同时为实现高速切削，已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达5μm，已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能可以看出，现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。 3．使用金刚石刀具的超精密切削技术3.1 超精密切削技术的进展 金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份，不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。 使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM）方便地进行测量。 3.2 超精密切削机理的研究 对超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。例如，超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而获得镜面，这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切除的脆塑转换问题，最近对此提出了不少新见解。由超精密切削玻璃的实验结果可见，开始时切削厚度甚小，切除机理为塑性去除，加工表面无脆性破损痕迹。随着切削厚度的增大，塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除，加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。 目前，使用计算机仿真和分子动力学模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识，同时可以对超精密切削效果作出比较准确的预报。由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到，由于晶体的各向异性，导致在不同方向的切削力是不相等的。利用对超精密切削过程的分子动力学模拟，可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析，并能对切除过程进行动画演示。 3.3 新的金刚石刀具晶体定向方法 由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。 4．超精密加工机床的进展 4.1 国外超精密机床的发展情况 研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。 美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。 英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。 日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。 4.2 我国超精密机床的发展情况 在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。 我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。 在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。 在多功能和高效专用超精密机床方面，目前我国基本上仍是空白。 5．精密磨削和精密研磨技术的发展 5.1 精密镜面磨削技术的发展 近年来，国外对精密磨削和精密研磨技术的研究开发获得了不少成果和进展。日本国家理化学研究所的大森整教授研制成功了在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺，可以对多种不同材料（如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅片等）零件的平面、外圆和内孔进行镜面磨削。ELID镜面磨削使用特制的铁基结合剂细粒度金刚石（或CBN）砂轮，在磨削时在线对砂轮进行电解修整，电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削液（要求这种电解液不腐蚀机床）。用ELID镜面磨削新工艺磨出的不同试件（光学玻璃平面、硅片平面和陶瓷内孔）的磨削表面粗糙度可以达到镜面水平（Ra=0.02～0.01μm）。ELID精密镜面磨削工艺具有极好的生产应用前景。现在我国哈尔滨工业大学已研究并掌握了这项精密磨削新工艺。 5.2 精密平面研磨技术的发展 精密研磨技术近年来亦有不少进展，特别是用于制造大规模集成电路的大直径硅基片的精研技术有很大提高。硅基片的表面质量要求极严，不仅要求表面粗糙度值极小、无划伤、平面度好，而且要求表面无加工变质层。我国现在己能生产8吋的硅基片，正在研制加工10吋的硅基片，但都是采用国外引进工艺和使用进口设备。我国亟需自主研究开发10～12吋硅基片的制造工艺和生产设备。 6．非球曲面精密加工技术的进展 6.1 非球曲面磨削技术的发展 目前，高精度非球曲面和自由曲面的应用日趋广泛，相应的加工制造技术亦发展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控镜面磨床，以后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在国外生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种可用于磨制各种精密自由曲面的多坐标数控磨床。 6.2 精密自由曲面抛光技术的发展 高精度自由曲面现在多数采用抛光工艺作为最终加工工序。目前国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床。如日本Canon公司用于曲面光学镜片最终抛光加工的精密曲面抛光机床，它具有三坐标数控系统，采用在线测量。加工曲面时，可根据实测的镜片曲面误差，控制抛光头的抛光时间和压力，使曲面抛光工艺实现了半自动化。 美国以前已研制出大型六轴数控精密研磨机，用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡莱罗那州制造了直径8.4m的大型光学反射镜。制造该大型光学反射镜时，并未制造相应的大型研磨抛光机床，而是采用现场光学玻璃熔化铸造，在现场用多路激光对反射镜的型面进行在线精度检测，然后根据测得的几何形状误差，用带研磨头的小型设备进行局部研磨抛光，用“蚂蚁啃骨头”的方法成功研制出来大型高精度光学反射镜。 6.3 精密曲面磁流体抛光技术 国外最近发展了两种新型的曲面精密研磨抛光加工方法，第一种方法是用磁流体进行抛光；第二种方法用气囊进行抛光。 磁流体抛光的原理是采用永久磁铁或电磁铁工具，将混有磨料的磁流体吸附在工具端部，对工件表面进行抛光。电磁铁工具通电后，磁流体吸附在反射镜工具的端部进行抛光加工，由于磁流体外形可随工件外形自动变化，因此对磁铁工具的外形要求不严格，较易加工制造。除可用平面工具吸附磁流体进行抛光外，也可采用杆状工具，一端吸附磁流体，代替立铣刀在多轴数控联动机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光加工可获得很高的表面质量。 6.4 精密曲面气囊抛光技术 气囊抛光工艺是不久前由英国Zeeko公司研制成功的一种加工精密曲面的新方法。抛光工具的工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊，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进给运动（一般是工件作三轴联动的进给运动），使工件的全部表面都能被抛光。抛光时，工具气囊还需同时作摆动（摆动中心为汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜层磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。这种新的曲面抛光方法可用于加工非球回转曲面，也可用于加工自由曲面，抛光表面质量极高。 7．超大规模集成电路制造技术的进展 在过去30年里，集成电路技术获得了飞跃性发展，现以全球最大的芯片制造商英特尔（Intel）公司的计算机芯片为例，简要说明集成电路的发展情况。 英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来，已更新换代十多次。在这一次次的更新换代中，芯片的性能和集成度得到了大幅度提高。1971年英特尔公司4004芯片的时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为10μm；1999年英特尔公司的Pentium III芯片（奔腾ΙΙΙ芯片），时钟速度已高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内，有2800万个晶体管，最小线宽为0.18μm；2001年3月英特尔公司推出的Pentium 4芯片的时钟速度达1.7GHz，最小线宽为0.13μm，在面积为116mm2的芯片内包含的晶体管超过了4200万个。英特尔公司计划到2011年，芯片时钟速度达到10GHz。30年来，计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10μm缩小到0.13μm。最近新的芯片时钟速度已高达2.8～3.2GHz。 现在制造集成电路的光刻技术使用的光波为紫外光（波长0.24μm），已达到的最小线宽为0.13μm。从理论上分析，光刻加工技术的极限线宽为0.1～0.08μm。在光刻加工中，最小线宽与光波波长有关（光刻时的光斑直径等于半波长）。目前国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻加工的线宽，这就需要使用波长更短的超紫外光作为曝光光源。使用超紫外光的光刻方法将有可能使光刻线宽达到70nm以下，但超紫外光会被空气吸收，因此光刻需在真空中进行，这对于大规模工业生产将增添不少困难。现在国外制造的超大规模集成电路使用10～12吋晶片，用数控柔性生产线加工制造，可以很快试制出新设计的集成电路块，并能小批量生产集成电路，价格也不贵。 我国的微电子工业近年来获得了飞速发展，已能生产多种较复杂的大规模集成电路芯片，但使用的加工设备和生产工艺基本都是从国外引进的，因此最新的前沿技术仍然掌握在外国人手中。我国现在制造大规模集成电路的水平是：已能用8吋硅晶片生产制造大规模集成电路，光刻能达到的最小线宽为0.18μm。我们正在努力自主研发10～12吋硅晶片和线宽0.13～0.1μm的超大规模集成电路制造技术，希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先进水平。 8．微型零件、微型机械和微机电系统的精密制造技术新进展 随着纳米技术的迅速发展和应用范围日趋广泛，微型机械、微机电系统技术以及相应的精密微细加工、微型零件及微机械精密制造技术亦获得了快速发展。为了制造微型零件和微机械，精微机械加工发展迅速，现己达到较高水平。精微电火花加工、精微超声振动加工、精微准分子激光加工、精微塑性成型加工等均已用于加工精度达微米级尺度的微小机构零件。此外，还发展了不少专用的新工艺，如立体光刻技术、LIGA技术、牺牲层工艺等。并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机械制造厂等。下面只简要介绍精密微细机械加工技术的最新进展。 8.1 用SPM探针直接对试件进行雕刻加工 原子力显微镜（AFM）的探针尖一般是用高硬度材料（如金刚石或Si3N4材料）制成，因此可以用探针尖对试件表面直接进行刻划加工，令针尖按微结构要求的形状尺寸进行扫描，通过准确控制针尖的的作用力来控制刻划深度，即可获得具有精确形状要求的微小图形结构。AFM还可以进行精确的在线测量，以保证刻划加工件的精度。 用AFM探针可以刻划出极微小精密的三维立体图形结构。如哈工大纳米技术中心用AFM探针尖雕刻加工出三个不同的微图形结构。其中，由“HIT”图形结构的截形可看出，用这种方法可雕刻出沟槽侧壁陡峭、表面光滑的深窄沟槽；另一个是是一个直径约20μm，深度约350nm的圆形凹坑结构；第三个是由4个4μm×4μm方形凹槽组成的微结构。从上面的实例可看出，用AFM针尖可以在试件表面直接雕刻出具有较高精度和不同图形的微结构。 8.2 精微机械加工 精微机械加工是制造微机械及微机电系统中的微型器件的重要方法，其特点是能够加工复杂微结构，加工精度、加工质量和加工效率均较高。近年来开发出了多种能够高精度、高效率加工微型零件的精密微型机床。现在已能用金刚刀具车削出直径10～20μm的微针；使用精密磨削加工出φ8μm的钨针；使用微钻头加工出直径30～50μm的微孔。 现在国外已生产出主轴转速高达100000r/min的微型铣床和加工中心，可使用微型立铣刀进行微结构的精密铣削；国外还生产出了能加工自由曲面的多坐标联动加工中心，例如日本Fanuc公司生产的加工微型零件的ROBOnano Ui五轴联动加工中心，它的主轴采用空气轴承，回转精度为0.05μm，转速为50000～100000r/min，直线运动的X，Y，Z方向数控系统分辨率为1nm，工作台上回转台的B轴和铣削主轴倾斜的C轴均可转动360°，分辨率为0.00001°。 用ROBOnano Ui五轴联动加工中心可加工出不同截形的微槽，其中一种V形槽材料为含P的镍，齿距25μm，V形角77°；另一种V形槽材料为无氧铜，齿距100μm，V形角50º；还有一种是平行的窄深槽，材料为黄铜，齿距35μm，槽深100μm，侧面倾斜1.5°，加工件的齿距误差80nm，深度误差9.4μm。由此可知，用精微机械可以加工出表面光洁、精度很高、尖角尖锐的微V形槽和窄深槽。 用这台ROBOnano Ui五轴联动加工中心还可以加工自由曲面的微型工件。用这台加工中心加工出自由曲面微型工件。加工时使用微型单晶金刚石立铣刀，在多轴联动条件下，在1mm直径的表面上加工出人面浮雕像。此外，还在1.16mm×1.16mm硅表面上加工出4×4阵列的凸面镜，凸面镜直径236μm，高度16μm，镜面曲率半径448μm，加工表面光洁。 从以上加工实例可知，目前加工微型复杂精密工件的微型机床和加工技术已经达到了较高水平。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/27/2006)