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超精密切削加工及超精度纳米机床吸引眼球

2012年04月25日 09:58中国机床商务网点击:13752

  上世纪80年代,美国LLNL(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)公司研制出大型超精密车床用于军工产品的生产,在此基础之上,经过若干年的发展,出现了超精密切削加工技术。
  
  Sodick公司的纳米加工机UltraNANO100
  
  而日本早在80年代末,就把超精密切削加工技术和微加工技术作为国家重点发展项目。到了90年代中期,进入大规模研发,93年已研发出精度控制在1nm的多轴加工装置。随着光学与IT技术的结合及光电技术的发展,对光学元件加工要求越来越高,更进一步推动了精密切削加工技术的发展。近年来,日本推出了更高精度的纳米加工机床及专用加工机床、加工中心等,如日本Sodick公司的高精度UltraNANO100,定位精度达到0.5nm,形状精度为2-3nm。如日本不二越公司制造的NANOASPHER,则是专用于加工高精度透镜模具,透镜用于最新锐的DVD及手机等。
  
  日本不二越公司制造的NANOASPHER
  
  手机、DVD、数码相机等各种数码产品的性能不断提高而价格急速下降,这完全得益于光电技术的发展和光学元件加工技术的提高。用于光信号控制的透镜、反射镜、光栅、棱镜等这些元件都是塑料加工品或玻璃制品,批量生产这些元件的模具精度左右这些产品的质量。光学元件的特征是产品微小,表面形状、结构等都要求微米及或纳米级加工精度。光学元件是以波长为单位的(如面粗糙度为波长的1/20等)。随着数码机器越来越小,对元件和模具的加工精度要求会越来越高。生物医疗领域也是如此。
  
  现在纳米技术已走入每个人的日常生活中,民用数码机器的多数元件是用纳米加工机床加工出来的,可以说微米—纳米形状零件已随处可见。
  
  超精密切削加工,除了光学加工,也在其他多个行业得到应用,市场不断扩大,相关的技术也在加速提升,而技术的提升,又增加了更多的需求。随着市场的扩大,纳米机床的价格会不断下降,这又使得更多的行业使用纳米加工机床。
  
  纳米机床案例
  
  纳米机床主要用于光学部件及半导体加工,按用途可分为:半导体加工机床,如半导体晶片磨光机;光学元件加工机床,如加工菲尼尔(Fresnel)元件、导光板等;球面、非球面加工机床,如加工球面、非球面透镜的成型模具;难切削材料加工机床,如加工水晶、陶瓷、磁盘、磁头等。纳米机床主要应用领域有民用光学元件,如光盘、CCD-CMOS成像透镜,液晶导光板模具;通信用光学元件,如光传导用高可靠性透镜模具等;机械零件超精密加工,如半导体储存元件微电路的加工等。
  
  下面通过介绍一台较受瞩目的综合纳米加工机床,了解其装置、技术。
  
  日本FANUC公司经过20年的研发,开发出了高精度高速加工光学元件的5轴纳米机床。加工精度直线轴为1nm,旋转轴为0.00001°。能进行车、铣、磨、钻加工以及开槽、加工光学模具等,主要用于加工光学元件,如光栅镜、导光板、球面镜、非球面以及光学元件的模具。
  
  下图为加工主轴的构成,由直线轴3个轴(X、Y、Z) 旋转轴2个轴(B、C)组成,使用单晶金刚石刀具。
  

  加工主轴的构成图
  
  纳米机床的技术特点
  
  纳米机床能达到纳米级的精度,其核心技术有四个。
  

  静压空气轴承                                                                                      气流层流化
  
  恒温化系统                                                    无反向结构
  
  一是消除了摩擦。所有滑动部件都采用静压空气轴承,解决了摩擦的问题。
  
  二是消除振动。把机器内全部空气管路的气流层流化,达到了没有振动的目的。
  
  三是恒温化系统。室内温度控制在±1℃范围内时,全部空气管路内的压缩空气温度能控制在±0.01℃以内。
  
  四是高速加工性。此机床采用了2个无反向结构(FANUC公司独有的技术),轴承的反向振动不会传导给机床主体,另外机床的发热控制在3w以下,所以它能高速且高精度地加工,如200mm长的行程,1秒钟可往复3次。如加工一个液晶显示屏背光灯所用的导光板模具,在一个100mm的四方平面上,加工1,400条节距为7µm的V型槽,仅需要8分钟,而传统加工方法,却需要15个小时。
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