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纳米超精密加工技术

更新日期:2007-08-19  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

超精密机床的发展概述
  精密与超精密切削加工技术是先进制造技术的重要领域。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿、未来技术的基础。中国企业也必将进入该领域的竞争。
  通常将加工精度在0.1~1μm,加工表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之间的加工方法称为精密加工,而将加工精度高于0.1μm,加工表面粗糙度Ra小于0.01μm(10纳米)的加工方法称为超精密加工。表1为按加工精度划分加工精度密度级别。

表1 按加工精度划分的加工精密度级别

 

 

  超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用。与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜、飞机发动机转子叶片等;与集成电路有关的硅片加工;导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等,其表面粗糙度均要求达到纳米级。
  在我国民用领域,超精密光学元件模具的需求增长迅速,国内各种光电子产品中大量采用的非球面镜片主要依赖进口,2005年用于CD、VCD、DVD的光头量达到2.8亿只。2005年后需求猛增的CMOS摄像头的非球面光学镜片的模具的模芯主要在香港和台湾加工。国内大量生产的各种现代光电子产品、图像处理产品如数码相机、DVD、电脑、头戴式显示器、CMOS摄像镜头、大屏幕投影电视机及军事、天文和医疗等行业对非球面光学元件需求仍在迅速扩大。因此,非球面光学元件的设计,模具加工设备已经成为中国相关企业亟待解决的难题。
  长期以来,发达国家对非球面技术实行严密封锁。计算机数控单点金刚石车削技术,是由美国国防科研机构于上世纪60年代率先开发、上世纪80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上,采用天然单晶金刚石刀具,在对机床和加工环境进行精确控制条件下,直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件,其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。
  目前,采用金刚石车削技术可以加工的材料有:有色金属、锗、塑料、红外光学晶体、无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。
  1962年美国Union Carbide公司研制出首台超精密车床。在美国能源部支持下,LLL实验室和Y—12工厂合作,与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床(DTM—3型)。该机床可加工最大直径¢2100mm,多路激光干涉测量系统分辨率为2.5nm。1984年,美国LLL实验室成功地研制出LODTM大型金刚石车床。该机床可加工的最大直径为¢1625mm× 500mm,重量1360kg。采用的双频激光测量系统分辨率为0.7nm,其主轴静态精度为:径向跳动≤25nm,轴向窜动≤51nm。美国LLL实验室这两台机床是目前公认的国际上水平最高的超精密机床。 CUPE(Cranfield Unit for Precision Engineering)研制的Nanocenter超精密车床已批量生产,其主轴精度≤50nm,加工工件的面形精度≤0.1μm。表2为国外具有代表性的英国Tayor公司的系列纳米加工设备。Taylor公司兼并了Pneumo公司以后,批量生产Nanoform 250超精密车床,产品占据了国际超精密加工很大部分应用市场,是技术领先的产品。

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