機(jī)械制造技術(shù)從提高精度與生產(chǎn)率兩個(gè)方面同時(shí)迅速發(fā)展起來(lái)。在提高生產(chǎn)率方面，提高自動(dòng)化程度是各國(guó)致力發(fā)展的方向，近年來(lái)，從C N C到C I M S發(fā)展迅速，并且在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工，這也是世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家致力發(fā)展的方向。其精度從微米到亞微米，乃至納米，其應(yīng)用范圍日趨廣泛，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。如激光核聚變系統(tǒng)、超大規(guī)模集成電路、高密度磁盤、精密雷達(dá)、導(dǎo)彈火控系統(tǒng)、慣導(dǎo)級(jí)陀螺、精密機(jī)床、精密儀器、錄象機(jī)磁頭、復(fù)印機(jī)磁鼓、煤氣灶轉(zhuǎn)閥等都要采用超精密加工技術(shù)。 q!eE~O;A
它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，超精密加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。
1超精密加工技術(shù)概述
超精密加工目前就其質(zhì)來(lái)說(shuō)是要實(shí)現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達(dá)不到的高精度加工，就其量來(lái)說(shuō)是要加工出亞微米乃至毫微米級(jí)的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級(jí)的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要視零件大小、復(fù)雜程度以及是否容易變形等因素而定。 b j`\;_oo
超精密加工主要包括超精密切削(車、銑) 超精密磨削、超精密研磨 kz7F QE
(機(jī)械研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、研拋、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等)以及超精密特種加工(電子束、離子束以及激光束加工等)。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達(dá)不到的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。每種超精密加工方法都是針對(duì)不同零件的要求而選擇的。
1．1超精密切削加工
超精密切削加工的特點(diǎn)是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，且能刃磨得非常鋒利(刃口圓弧半徑可小于ρ0．01 μm，實(shí)際應(yīng)用一般ρ0，05 μm) 可加工出優(yōu)于Ra0．01 μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工還采用了高精度的基礎(chǔ)元部件(如空氣軸承、氣浮導(dǎo)軌等)、高精度的定位檢測(cè)元件(如光柵、激光檢測(cè)系統(tǒng)等)以及高分辨率的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。機(jī)床本身采取恒溫、防振以及隔振等措施，還要有防止污染工件的裝置。機(jī)床必須安裝在潔凈室內(nèi)。進(jìn)行超精密切削加工的零件材料必須質(zhì)地均勻，沒(méi)有缺陷。在這種情況下加工無(wú)氧銅，表面粗糙度可達(dá)到Ba0．005μm，加工φ800mm的非球面透鏡，形狀精度可達(dá)0．2／μm。超精密加工技術(shù)在航空航天、光學(xué)及民用等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛(見(jiàn)表1) 并向更高精度等方向發(fā)展(見(jiàn)表2)。
1．2超精密磨削
超精密磨削技術(shù)是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。超精密磨削不僅要提供鏡面級(jí)的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。為此，除要考慮各種工藝因素外，還必須有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基準(zhǔn)部件，消除各種動(dòng)態(tài)誤差的影響，并采取高精度檢測(cè)手段和補(bǔ)償手段。 nQjpJ
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目前超精密磨削的加工對(duì)象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目標(biāo)是范成3—5nm的平滑表面，也就是通過(guò)磨削加工而不需拋光即可達(dá)到要求的表面粗糙度。作為納米級(jí)磨削加工，要求機(jī)床具有高精度及高剛度，脆性材料可進(jìn)行可延性磨削(Ductile Grinding)。納米磨削技術(shù)對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是對(duì)要求高疲勞強(qiáng)度材料(如飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技術(shù)。 |JxVfX8^
此外，砂輪的修整技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。盡管磨削比研磨更能有效地去除 {E:`
物質(zhì)，但在磨削玻璃或陶瓷時(shí)很難獲得鏡面，主要是由于砂輪粒度太細(xì)時(shí)，砂輪表面容易被切屑堵塞。日本理化學(xué)研究所學(xué)者大森整博士發(fā)明的電解在線修整(ELID)鑄鐵纖維結(jié)合劑(CIFB)砂輪技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。 >|E]??v
當(dāng)前的超精密磨削技術(shù)能加工出0．0 1μm圓度， O．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圓柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm的平面。
1．3超精密研磨
超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度達(dá)0．025ttm，表面粗糙度達(dá)RaO．003μm。利用彈性發(fā)射加工可加工出無(wú)變質(zhì)層的鏡面，粗糙度可達(dá)5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度為λ／200的零件。超精密研磨的的關(guān)鍵條件是幾乎無(wú)振動(dòng)的研磨運(yùn)動(dòng)、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。此外高精度檢測(cè)方法也比不可少。
1．4超精密特種加工
1．4．1電子束加工
離子束加工是指在真空中將陰極(電子槍)不斷發(fā)射出來(lái)的負(fù)電子向正極加速，并聚焦成極細(xì)的、能量密度極高的束流，高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到工件表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走�？刂齐娮邮膹�(qiáng)弱和偏轉(zhuǎn)方向，配合工作臺(tái) X Y方向的數(shù)控位移，可實(shí)現(xiàn)打孔、成型切割、刻蝕、光刻曝光等工藝。集成電路制造中廣泛采用波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短得多的電子束光刻曝光，所以可以達(dá)到高達(dá)O.25μm的線條圖形分辨串。
1．4．2離子束加工
在真空將離子源產(chǎn)生的離子加速、聚焦使之撞擊工件表面。由于離子是帶正電荷且質(zhì)量比電子大數(shù)千萬(wàn)倍，加速以后可以獲得更大的動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的，可用于表面刻蝕、超凈清洗，實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的切削加工。
1．4．3激光束加工
由激光發(fā)生器將高能量密度的激光進(jìn)一步聚焦后照．射到工件表面，光能被吸收瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)能量密度的高低，可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、加工精微防偽標(biāo)志等。
1．4．4微細(xì)電火花加工
電火花加工是指在絕緣的工作液中通過(guò)工具電極和工件間脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)局部高溫來(lái)熔化和氣化去除金屬的。加工過(guò)程中工具與工件間沒(méi)有宏觀的切削力，只要精密地控制單個(gè)脈沖放電能量并配合精密微量進(jìn)給就可實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除，可加工微細(xì)軸、孔、窄縫、平面以及曲面等。
1．4．5微細(xì)電解加工
導(dǎo)電的工作液中水離解為氫離子和氫氧根離子，工件作為陽(yáng)極，其表面的金屬原子成為金屬正離子溶入電解液而被逐層地電解下來(lái)，隨后即與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)形成金屬氫氧化物沉淀，而工件陰極并不損耗，加工過(guò)程中工具與工件間也不存在宏觀的切削力，只要精細(xì)地控制電流密度和電解部位，就可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的電解加工，而且表面不會(huì)加工應(yīng)力。常用于鏡面拋光、精密減薄以及一些需要無(wú)應(yīng)力加工的場(chǎng)合。
1．4．6復(fù)合加工
復(fù)合加工是指采用幾種不同能量形式、幾種不同的工藝方法，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短、復(fù)合作用的加工技術(shù)，例如電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花、超聲切削加工等，可比單一加工方法更有效，適用范圍更廣。
2納米技術(shù)(Nanotechnology)
2．1概述
隨著生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空、航天、精確制導(dǎo)彈藥、靈巧武器、先進(jìn)情報(bào)傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷發(fā)展，在結(jié)構(gòu)裝置微小型化方面不斷提出更新、更高的要求。目前，納米技術(shù)發(fā)展十分迅猛，它使人類在改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次。它將開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)能力，使單位體積物質(zhì)存儲(chǔ)和處理信息的能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，從而給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事能力帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。 a (~Y:v
納米技術(shù)是指納米級(jí)(＜10納米)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展。開(kāi)創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米制造學(xué)、納米顯微學(xué)及納米測(cè)量等等新的高技術(shù)群。納米技術(shù)是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，有著廣闊的軍民兩用前景。美國(guó)、日本及西歐等國(guó)家均投入了大量的人力、物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并己在航空、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng)用。
2．1．1微型機(jī)電系統(tǒng)( microelectron—mechanical systems， MEMS)
10年前，人們意識(shí)到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機(jī)械系統(tǒng)的微米尺度的樣機(jī)后，就在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開(kāi)始了新的研究，這導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以及各種閥門等。 '|[V}K5m/f
MEMS主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)、電于工業(yè)和航空、航天。如用靜電驅(qū)動(dòng)的微型電機(jī)控制計(jì)算機(jī)及通訊系統(tǒng)。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，微型傳感器可以測(cè)量各種化學(xué)物質(zhì)的流量、壓力和濃度。在軍事主要有以下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警傳感器、敵我識(shí)別、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲(chóng)平臺(tái)等應(yīng)用。
2．1.2專用集成微型儀器( application specific integrated micro-instrument， ASIM)
微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度結(jié)構(gòu)的傳感器和動(dòng)作器的設(shè)計(jì)、材料合成、微型機(jī)械加工、裝配、總成和封裝問(wèn)題。利用這項(xiàng)技術(shù)可以把傳感器、動(dòng)作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的基片上。微型機(jī)電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成，導(dǎo)致了專用集成微型儀器(ASIM)的出現(xiàn)。 ^{4BcM 7eH
具有亞微米特點(diǎn)的ASIM會(huì)使亞毫米器件降低研制與試驗(yàn)費(fèi)用、縮小體積、減輕重量，同時(shí)還可以降低對(duì)電源和溫控的要求，降低對(duì)振動(dòng)的靈敏性和通過(guò)冗余提高可靠性。 ASIM將在航天器和航天．系統(tǒng)技術(shù)方面引起一場(chǎng)革命，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)“納米衛(wèi)星”。
2．1．3材料工程及功能織物
在材料工程方面，已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)與控制一種材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得所要求的宏觀性能。因此，對(duì)于材料的分子、原子結(jié)構(gòu)，以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測(cè)試，以成為當(dāng)今材料工程中不可缺少的技術(shù)。 i }sAF/
利用納米粒子的催化特性、極大的化學(xué)活性、極大的表面積、優(yōu)異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品，如抗紫外線、抗可見(jiàn)光、抗紅外線、抗電磁等的功能織物。 3R+% C*
