压电驱动在超精密加工领域的应用现状与发展趋势综述

超精密加工中,为实现微/纳米级的加工精度,必须提供更高精度的驱动装置和控制技术。压电驱动具有精度高、振动频率高、力密度高、响应快、无电磁干扰、能断电自锁和优良的环境适应性等优点,被广泛应用在超精密加工领域,已成为超精密加工技术中的一项核心关键技术。首先系统阐述了压电驱动技术的致动原理、分类和特点,对压电驱动的致动原理和发展现状进行了分析;然后从加工、定位和抑制振动3个方面介绍了压电驱动技术在超精密加工中的应用现状,最后对压电驱动技术的发展方向进行了讨论及展望。

半球谐振子超精密修调方法研究

目的研究因谐振子质量缺陷而引起的频率裂解机制,进而对刚性轴位置进行质量高分辨率可控去除,提高陀螺精度。方法首先基于多区域配合划分法建立半球谐振子高精度有限元仿真模型,分析质量大小与位置对谐振子频差的影响规律。其次搭建谐振子振动特性检测平台,利用拍频法实现其频差值和刚性轴位置的精确辨识。最后结合仿真与辨识结果以及离子束加工方法确定谐振子超精密修调方案。结果优化网格划分方法后,谐振子有限元模型频差值小于0.0001Hz,当修调定位误差相同时,在一个范围内的质量去除比单点质量去除的修调效率更高;谐振子质量缺陷四次谐波刚性轴位置辨识精度可达0.1°,与常见的幅值法相比,其精度提高了一个数量级;通过三次点线结合方式进行质量修调后,谐振子频差值小于0.001Hz,修调效率与精度得到了提升。结论提出的谐振子仿真模型、振动特性测试方法以及离子束修调工艺精度较高且可行性较强,对实现半球谐振子性能高精度检测以及高质量加工具有重要意义。

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石(YAG)晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

超精密慢刀伺服车削零件的面型分析与刀具设计方法研究

研究首先分析总结了当前自由曲面复杂零件超精密慢刀伺服车削加工中的具体加工技术挑战,进而系统地研究了自由曲面零件面型特性,零件面型关键参数提取,零件面型参数与刀具参数之间的关联关系。进一步研究了超精密慢刀伺服车削金刚石刀具的几何参数确定方法;并针对自由曲面零件的可加工性,提出了超精密慢刀伺服车削加工中金刚石刀具选用准则。另外,通过超精密慢刀伺服车削加工实际案例和应用加工试验,证明零件面型分析及金刚石刀具几何参数的合理选用,对实现高效稳定的工业化超精密慢刀伺服车削加工至关重要。

非球面碳化钨模具超精密斜轴磨削原理及工艺参数对面形精度影响规律

玻璃模压是一种快速大批量生产非球面光学玻璃透镜的方法,无结合剂碳化钨作为一种优异的模具材料被广泛应用于玻璃模压。碳化钨模具的表面质量直接决定了非球面光学玻璃透镜产品的品质。为了提高碳化钨非球面模具超精密磨削加工的表面质量,针对非球面碳化钨模具超精密斜轴磨削,通过分析超精密斜轴磨削原理,研究了进给距离、工件转速、进给速度和磨削深度等参数,对非球面碳化钨模具斜轴磨削面形精度的影响规律,得到了碳化钨斜轴磨削的合理工艺参数范围。最后通过磨削优化实验研究,得到了碳化钨斜轴磨削的最优工艺方案,从而完成了碳化钨模具超精密斜轴磨削实验。实验结果表明,磨削面形PV值和RMS值分别为0.279 7μm和0.041 9μm,具有良好的工程应用意义。

PWM频率对超精密机床主轴动态性能影响研究

为了分析多轴联动超精密机床伺服驱动器的PWM频率对超精密机床动态性能的影响,研究基于一款国产超精密机床的气体静压主轴,对其控制系统进行Simulink建模、仿真,并开展位置控制实验。通过主轴电机的动态特性方程对PWM型驱动器控制下的超精密机床主轴动态响应进行建模,模拟不同PWM频率下的主轴电机的电流、转矩和转速的响应波形,分析仿真数据,得到被控对象和PWM频率之间的控制律。在此基础上,以主轴的重复定位精度作为动态性能参数,搭建超精密机床主轴动态性能测试平台,通过对重复定位精度实验数据与仿真结果进行线性相关度分析,定量评价其相关度。最终得到气体静压主轴在PWM频率为20~60 kHz的范围内动态性能显著增强,而在60~100 kHz频率范围内的增强的趋势变缓,主轴动态性能的最优PWM频率参数为60 kHz。在设计选型阶段为超精密机床控制系统的参数选择提供了参考。

磁浮平面电机在超精密工件台中的应用

为了提高半导体设备生产效率和整机性能,设备制造商想尽各种办法。介绍了超精密工件台三维模型,以及磁浮平面电机原理、组成、特性、技术指标与应用前景。同时阐述了超精密工件台采用磁浮平面电机,具有结构简单、高速度和高加速度、高精度、以及无污染产生等优点,使得它不但能够满足目前半导体设备技术发展的需求,也能满足未来半导体设备技术发展的需求。

面向极端精度制造的课程多元化教学改革与实践——以“超精密测量技术”课程为例

面向极端精度制造技术快速发展的现状,同时为适应机械制造专业在极端精度制造与检测方面专业技术人才培养的需要,提出了面向极端精度制造的课程教学内容改革,并在教学过程中融合多元化教学方式,采用课堂分组讨论的形式,激发学生的兴趣,通过小组分工实验,以合作使命感引导学生切身感受实验教学内容,培养合作精神与实践操作能力。此外,加强建设学生成绩评定标准,优化课程考核方式,注重过程考核,在教学改革实践中取得了良好的教学效果。

高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究

高端光学元件是决定高端装备性能水平的核心零件,研究高端光学元件超精密加工技术与装备发展,对于实施制造强国战略、满足高端装备产业需求具有积极意义。本文剖析了光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工中的测量方法与装备等的发展情况,凝练了精度与尺寸极端化、形状与性能一体化、加工工艺复合化、加工与检测一体化、装备与工艺智能化等发展趋势。通过广泛的行业调研和研讨,从需求、目标、产品、关键技术、应用示范、支撑保障等方面着手,形成了面向2035年我国高端光学元件超精密制造技术路线图。针对性提出了优化创新体系设置、组织优势资源成立技术联盟,加大资源保障力度、布局基础研究和技术攻关计划,加强人才培育、构建梯队并扩大队伍规模,筑牢产业发展基础、培育龙头企业和专精特新“小巨人”企业等发展建议,以期促进高端光学元件加工产业提升与高质量发展。

复杂曲面零件超精密多轴铣削加工工艺研究

常规的铣削加工工艺在工艺规划中具有不确定性,影响工艺质量。针对铣削加工工艺的质量问题,研究人员设计了多种加工工艺。基于NSGA-Ⅱ的多轴铣削加工工艺,与基于切削稳定性与表面质量约束的多轴铣削加工工艺的应用较为广泛。因此,设计了复杂曲面零件超精密多轴铣削加工工艺。选择小楔角铣削加工刀具,选用0°前角作为刀具楔角,结合刀柄结构缩小回转半径,实现铣削刀切削稳定的目标。规划复杂曲面零件超精密多轴铣削走刀轨迹,将多轴轮廓铣的刀轴位姿与投影方向进行调整,在复杂曲面零件表面生成光滑轨迹,确保铣削加工质量。采用仿真实验,验证了该工艺的铣削质量更佳。

离轴抛物面超精密加工轨迹时间序列控制方法

离轴抛物面超精密加工轨迹容易出现不可控轴与可控轴位置势函数不一致现象,影响加工次序,导致加工效果不理想。针对该问题,提出了离轴抛物面超精密加工轨迹时间序列控制方法。分析离轴抛物面超精密加工过程,计算点与点之间的旋转角度。以机床零点为基准,将笛卡尔坐标系中零件外形表达式转化到柱坐标系中,使工件方程的坐标系完成转换。将加工轨迹点时间间隔映射成0~1的数值,设定各个处理时间内时间权重,使得各个加工时间点间交互作用。检测基于轨迹点分布聚簇性的加工轨迹,分析加工轨迹聚集特性,消除各种轨迹之间的时间间距对轨迹的影响。采用PMAC的时基控制方式,保证不可控轴与可控轴位置势函数一致。以移动点更新速率为主要计算参量,将实时输入频率作为时基控制的输入频率,以非控制轴为输出频率,由此实现加工轨迹时间序列的时基控制。通过试验验证结果可知,该方法能够获取以(-150,300,0)为加工轨迹中心的完整超精密加工轨迹,且不会出现投影畸变现象,有效控制加工轨迹时间序列。

汇聚前沿技术 共筑超精密加工未来——大昌华嘉技术开放日顺利落幕

新年伊始,大昌华嘉超精密技术服务中心开放日在沪成功举办。为期两天的开放日活动以不同的主题展开。1月18日,活动专注于精密光学领域,重点关注纳米加工及相关工艺。而1月19日的内容则集中于精密/超精密零件加工领域,强调微米级、亚微米级加工。

硅片超精密磨削背面减薄加工试验分析

为了分析硅片超精密磨削背面减薄加工过程中,哪些因素会影响硅片的加工效率和表面质量,采用市场上主流的减薄设备进行了磨削加工试验。在试验中,分析了砂轮转速、砂轮进给速率、砂轮金刚石粒度等参数对硅片超精密磨削背面减薄加工过程中硅片加工效率和表面粗糙度的影响,以及不同的砂轮体积密度对砂轮使用寿命的影响。

五轴超精密加工机床底座设计技术研究

机床底座是超精密加工机床的基础,其稳定性、精度保持性对超精密加工机床的精度指标有较大影响。本文介绍了目前国内外超精密加工机床典型的底座结构,利用有限元工具分析设计了五轴超精密加工机床底座,经检测,该机床底座的实际精度满足指标要求。

用于超精密抛光机床的Spline+GLS定位误差补偿模型

针对三次样条插值定位误差补偿模型难达到超精密抛光机床大行程轴(1470 mm)的定位误差补偿精度要求问题,提出Spline+GLS定位误差补偿模型。首先,使用XL-80激光干涉仪测量超精密抛光机床直线电机轴的定位误差,建立三次样条插值定位误差补偿模型进行初补偿;然后,对补偿后的定位误差再次测量并建立最小二乘拟合定位误差补偿模型;最后,将两种定位误差补偿模型相连构成Spline+GLS定位误差补偿模型。在超精密抛光机床上进行补偿实验,结果表明,Spline+GLS定位误差补偿模型补偿后的最大定位偏差值较三次样条插值定位误差补偿模型下降约61.62%,且定位误差由86.12μm降低到0.5μm,满足超精密抛光机床的定位精度需求。

超精密测量是支撑光刻机技术发展的基石

光刻机是尖端装备的珠穆朗玛峰。超精密测量是支撑光刻机产品研发与制造,保证光刻机产品制造精度等级与质量水平的基石。本文综述了光刻机产业的特点与发展趋势。在此基础上,从零部件、分系统、整机集成、整机性能层面阐述了超精密测量对光刻机技术发展的支撑作用。分析了光刻机产品精密能力提升的途径和超精密光刻机产业测量体系建立的必要性,包括管控超精密光刻机产品制造质量的工业测量体系和管控光刻机产品工业测量体系量值准确可靠的计量体系。提出了建设光刻机产业计量测试中心的必要性。

超精密抛光机床设计及床身动态特性分析

为满足光学元件表面精密抛光加工的需要和减少加工与检测中二次装夹产生的误差,文中设计研发了一款集精密抛光加工与测量一体化的超精密抛光机床,并对其进行动态特性分析。首先,应用ANSYS Workbench对机床床身模型进行模态分析,得出前6阶固有频率均在100 Hz以内;然后,对机床床身样机进行试验模态测试分析,测试结果与仿真结果基本吻合,误差小于7%,验证了建立的有限元模型具有良好的精度;最后,基于有限元模型,在模态分析的基础上对机床整机进行动态特性分析,分析环境振动和加工振动对机床的加工平台、测量平台等关键位置的振动特性的影响。结果表明:研发的机床结构合理,具有良好的稳定性,为我国超精密机床结构的设计与优化提供了参考与理论依据。

超精密加工误差补偿技术研究综述

超精密加工技术是高端制造领域的一项关键技术,当前超精密加工已进入纳米尺度,掌握超精密加工误差控制关键技术、保障并提高数控机床的加工精度,已经成为提高加工制造水平的研究热点。系统总结了超精密加工误差补偿技术研究现状及发展趋势,重点介绍了对超精密加工影响最大的几何误差、力诱导误差、热诱导误差及其补偿方法。在此基础上,深入探讨了超精密加工在几何误差分离,切削力、热诱导误差测量与补偿等方面存在的一系列问题,进一步指出超精密加工误差补偿技术还应关注其向高效、高精,通用化,模块化,智能化及柔性化的发展方向。

氮化铝陶瓷的超精密加工研究现状与发展趋势

用于新型半导体材料的氮化铝陶瓷,具有热导率高、与硅相匹配的热膨胀系数、介电性能优异(低介电常数,低介质损耗)、机械性能好、无毒性、光传输速度快等特性,是目前制备高性能陶瓷基板和封装的理想材料。综述了氮化铝的基本结构和性能特点,阐述了目前氮化铝陶瓷材料应用领域以及应用前景,详细叙述了国内外超精密加工的研究现状,总结了化学机械抛光、磁流变抛光、ELID磨削、等离子辅助抛光等纳米级别的光滑表面加工方法,并对氮化铝陶瓷精密加工的未来发展方向提出了展望。

超精密加工机床发展现状与趋势

超精密加工技术是高端制造领域的一项关键技术,而超精密加工机床装备则是超精密加工技术的重要载体。通过系统总结超精密加工机床的发展现状,重点介绍典型结构的超精密加工机床,从加工精度和加工性能的角度对上述几类超精密加工机床进行比较分析,并对超精密加工的发展趋势进行预测。