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1、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、概述一、概述 微细加工微细加工 通常指通常指1mm1mm以下微细尺寸零件的加工，以下微细尺寸零件的加工， 其加工误差为其加工误差为0.1m 0.1m 10m 10m 。 超微细加工超微细加工 通常指通常指1m1m以下超微细尺寸零件的加工以下超微细尺寸零件的加工 ，其加工误差为，其加工误差为0.01m 0.01m 0.1m0.1m。 精度表示方法精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与一般尺寸加工，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。表示。 “
2、“加工单位加工单位” ” 去除一块材料的大小，对于微细加工，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。加工单位可以到分子级或原子级。 微切削机理微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体切削在晶粒内进行，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。内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。热流动加工（火焰，高频，热射线，激光 ） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动变形加 工(流动 加工)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，
3、熔化镀） 溅射沉积，离子沉积（离子镀） 离子溅射注入加工化学(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 注入结合加 工(附着 加工)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，等离子体加工机械去除 化学分解 电解 蒸发 扩散与熔化 溅射分离加 工(去除 加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法主要采用铣、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5m ）靠刀尖相对于回转轴 线
4、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。单晶金刚石铣刀刀头形状二、微细机械加工二、微细机械加工 微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，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。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。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。低热变形结构设计。 刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。 高的主轴转速及动
5、平衡。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。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。具有刀具破损检测的监控系统。 微细机械加工设备 FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床 机床有机床有X X、Z Z、C C、 B B四个轴，在四个轴，在B B 轴回轴回 转工作台上增加转工作台上增加A A轴轴 转台后，可实现转台后，可实现5 5轴轴 控制，数控系统的最控制，数控系统的最 小设定单位为小设定单位为1nm1nm。 可进行车、铣、磨和可进行车、铣、磨和 电火花加工。电火花加工。 旋转轴采用编码器旋转轴采用编码器 半闭环控制，直线轴半闭
6、环控制，直线轴 则采用激光全息式全则采用激光全息式全 闭环控制。闭环控制。 为了降低伺服系统为了降低伺服系统 的摩擦，导轨、丝杠的摩擦，导轨、丝杠 螺母副以及伺服电机螺母副以及伺服电机 转子的推力轴承和径转子的推力轴承和径 向轴承均采用气体静向轴承均采用气体静 压结构。压结构。FANUC 微型超精密加工机床 载流导体：载流导体： 逆压电材料（如压电陶瓷逆压电材料（如压电陶瓷PZTPZT）电场作用引起晶体电场作用引起晶体 内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。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（如某些强磁材料磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶磁场
7、作用引起晶 体发生应变。体发生应变。 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。形变，并转化为微位移。 特点：特点：结构简单，运行可靠，传动效率高。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。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。行程不受限制。行程不受限制。运动精度高。运动精度高。技术复杂。技术复杂。电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2逆压电元件加励磁电压
8、， 伸长逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2电磁铁2加励磁，夹紧 电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2逆压电元件去掉励磁电压 ，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁 1电磁铁 2电磁铁加励磁，夹紧直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 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直线驱动与伺服电机驱动比较性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动定位精度(m/300mm) 510 0.51.0重复定位精度(m) 25 0.10.2最高速度(m/min) 2050 60200最大加速度(g) 12 210寿命(h) 600010000 50000电极线沿着导丝器中的槽以510
9、mm/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。 线放电磨削法（WEDG） WEDG 可加工的各种截形杆WEDG工作原理工件金属丝导丝器三、微细电加工三、微细电加工离子束4. 刻蚀 （形成沟槽）5. 沉积 （形成电路）6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片 （形成窗口）窗口2. 曝光 （投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶 （光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片 要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m 导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨 工作台：
10、粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠微动 压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台 工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2Px长度变化Y运动： Py1 Py2Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）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。图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空四、离子束加工四、离子束加工将被加速的离子聚焦 成细束，
11、射到被加工表 面上。被加工表面受“ 轰击”后，打出原子或 分子，实现分子级去除 加工。 离子束溅射去除加工 四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极 电磁线圈阳极控制电极绝缘子 引出电极离子束 聚焦装置摆动装置工件三坐标 工作台离子束去除加工装置加工装置：三坐标工 作台可实现三坐标直线 运动，摆动装置可实现 绕水平轴的摆动和绕垂 直轴的转动。离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标 运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻 蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具离子束溅射去
12、除加工可加工金属和非金属材料。 离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上 打出原子或分子，并将这 些原子或分子附着到工件 上，形成“镀膜”。又被 称为“干式镀”离子束源靶溅射材料 溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿 命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也 可镀非金属。由于溅射出来的原子和 分子有相当大的动能，故 镀膜附着力极强（与蒸镀 、电镀相比）。用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工 件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙 原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用 于晶体管、集成电路、
13、太阳能电池制作），金属材料改性 （提高刀具刃口硬度）等方面。 离子束溅射注入加工 离子束曝光 用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵 敏度和分辨率。 通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造 、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物 理、化学、生物、医学等多个领域。 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现 一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等 不可忽略，甚至成为主导因素。 纳米技术研究的主要内容 纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能 检测；检测； 纳米级加工；纳米级加工； 纳米材
14、料；纳米材料； 纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术； 微型与超微型机械。微型与超微型机械。五、纳米技术五、纳米技术q 扫描隧道显微测量（STM） 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜19811981年由在年由在IBMIBM瑞士苏黎世实验室工作瑞士苏黎世实验室工作 的的G.BinningG.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发明，可用于观察物体发明，可用于观察物体 级的表级的表 面形貌。被列为面形貌。被列为2020世纪世纪8080年度世界十大科技成果之一，年度世界十大科技成果之一， 19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。 STMSTM工作原理基于量子力工作原理基于量子力 学的隧道效应。当两电极之学的隧道效应。当两电极之 间距离缩小到间距离缩小到1nm1nm时，由于时，由于 粒子波动性，电流会在外加粒子波动性，电流会在外加 电场作用下，穿过绝缘势垒电场作用下，穿过绝缘势垒 ，从一个电极流向另一个电，从一个电极流向另一个电 极。当一个电极为非常尖锐极。当一个电极为非常尖锐 的探针时，由于尖端放电使的探针时，由于尖端放电使
