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納米超精密加工技術

更新日期:2007-08-19  作者:  來源:光學精密機械網(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

超精密機床的發展概述
  精密與超精密切削加工技術是先進制造技術的重要領域。當代的精密工程、微細工程和納米技術是現代制造技術的前沿、未來技術的基礎。中國企業也必將進入該領域的競爭。
  通常將加工精度在0.1~1μm,加工表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之間的加工方法稱為精密加工,而將加工精度高于0.1μm,加工表面粗糙度Ra小于0.01μm(10納米)的加工方法稱為超精密加工。表1為按加工精度劃分加工精度密度級別。

表1 按加工精度劃分的加工精密度級別

 

 

  超精密制造技術在國際上已經得到廣泛應用。與國防工業有關的如人造衛星用的姿態軸承和遙測部件、被送入太空的哈勃望遠鏡、飛機發動機轉子葉片等;與集成電路有關的硅片加工;導彈慣性儀表的精度、激光陀螺儀的平面反射鏡的精度、紅外制導的導彈反射鏡等,其表面粗糙度均要求達到納米級。
  在我國民用領域,超精密光學元件模具的需求增長迅速,國內各種光電子產品中大量采用的非球面鏡片主要依賴進口,2005年用于CD、VCD、DVD的光頭量達到2.8億只。2005年后需求猛增的CMOS攝像頭的非球面光學鏡片的模具的模芯主要在香港和臺灣加工。國內大量生產的各種現代光電子產品、圖像處理產品如數碼相機、DVD、電腦、頭戴式顯示器、CMOS攝像鏡頭、大屏幕投影電視機及軍事、天文和醫療等行業對非球面光學元件需求仍在迅速擴大。因此,非球面光學元件的設計,模具加工設備已經成為中國相關企業亟待解決的難題。
  長期以來,發達國家對非球面技術實行嚴密封鎖。計算機數控單點金剛石車削技術,是由美國國防科研機構于上世紀60年代率先開發、上世紀80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數控車床上,采用天然單晶金剛石刀具,在對機床和加工環境進行精確控制條件下,直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質量要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件,其特點是生產效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產、加工成本比傳統的加工技術明顯降低。
  目前,采用金剛石車削技術可以加工的材料有:有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體、無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接達到光學表面質量要求。
  1962年美國Union Carbide公司研制出首臺超精密車床。在美國能源部支持下,LLL實驗室和Y—12工廠合作,與1983年成功地研制出大型超精密金剛石車床(DTM—3型)。該機床可加工最大直徑¢2100mm,多路激光干涉測量系統分辨率為2.5nm。1984年,美國LLL實驗室成功地研制出LODTM大型金剛石車床。該機床可加工的最大直徑為¢1625mm× 500mm,重量1360kg。采用的雙頻激光測量系統分辨率為0.7nm,其主軸靜態精度為:徑向跳動≤25nm,軸向竄動≤51nm。美國LLL實驗室這兩臺機床是目前公認的國際上水平最高的超精密機床。 CUPE(Cranfield Unit for Precision Engineering)研制的Nanocenter超精密車床已批量生產,其主軸精度≤50nm,加工工件的面形精度≤0.1μm。表2為國外具有代表性的英國Tayor公司的系列納米加工設備。Taylor公司兼并了Pneumo公司以后,批量生產Nanoform 250超精密車床,產品占據了國際超精密加工很大部分應用市場,是技術領先的產品。

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