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超精密加工的环境条件与控制策略
2015届毕业（设计）论文
题目超精密加工的环境条件与控制策略
专业班级2011级机制03班
学号**********
学生姓名曹锦波
指导教师胡国祥
指导教师职称副教授
学院名称机电工程学院
完成日期：
2015年6月1日
超精密加工的环境条件与控制策略
EnvironmentalConditionsandControlStrategyforUltra-precisionMachining
学生姓名曹锦波
指导教师胡国祥
摘要
超精密加工是现代国家高新科技产业发展的前进基础和保障，是各个国家综合国力的象征，推动着国家高新制造产业的不断前进。
加工精度和效率的提高促进了超精密加工技术的向更高层面迈进，但是环境条件尤其是振动条件是影响超精密加工精度和效率的主要因素。
为了研究超精密加工中环境条件特别是振动环境的控制，本文主要研究超精密加工主要影响超精密加工的环境条件及其控制的策略；研究超精密加工中环境振动的分类和来源以及其对超精密加工的影响；研究超精密加工中控制环境振动所采用的技术和材料装置，并对其采用后的效果进行评估和相对应振动的分类。
通过对上述内容的研究，初步掌握环境振动对于超精密加工的影响，并对环境振动采取有效的隔振消振处理和探索，为超精密加工中的环境振动的控制提出合理有建设性意义的建议。
关键词：
超精密加工；环境振动；隔振措施；消振措施
Abstract
Ultra-precision machining is the Foundation of modern national high andnewtechnologyindustrydevelopmentandprotection,itisasymbolofeachcountry’snational-strength,promoting
Thenationalhigh-techmanufacturingindustryforward.Improvementofmachiningaccuracyand
Efficiencyofultra-precisionmachiningtechnologytoahigherlevel,butenvironmentalconditions,especiallythevibrationconditionswerethemainfactorsaffectingtheaccuracyandefficiencyofultra-precisionmachining.Inordertostudyultra-precisionmachiningenvironmentconditions,especiallytocontrolvibrationenvironment,thispaperresearchultra-precisionmachiningeffectsofultra-precisionmachiningenvironmentanditscontrolstrategy.Researchtheclassificationofenvironmentalvibrationinultra-precisionmachiningandsources,aswellasitsimpactontheultraprecisionmachining.Researchcontrollingvibrationinultra-precisionmachiningtechnologyandmaterialsusedbydeviceandusingaftereffectscorrespondtotheassessmentandclassificationofvibration.
Throughthestudyoftheabove,initialgraspingofenvironmentalvibrationeffectsforultra-precisionmachiningandtorespondeffectivelytoenvironmentalvibrationprocessingandexplorationmeaningreasonableconstructivesuggestionsforthecontrolofultra-precisionmachiningofenvironmentalvibration.
Keywords:
Ultra-precisionmachining;Environmental-vibration;Isolationmeasures;
Anti-vibrationmeasures
第一章绪论
1.1课题研究背景与意义
超精密加工制造技术是当今高新科技工业发展的基本要素，同样也成为了将来制造科学前进的方向，在国际竞争中，超精密加工制造技术也是至关重要的高新顶尖技术步骤之一。
它综合运用了机械制造技术发展的最新的研究成果以及现代电子讯息技术、光学技术、现代测量和电脑技术等高新技术，是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要依据，因此受到各个工业发达国家的高度重视。
从应用的角度来看，在关系国家安全和综合国力的行业如国防科技、探空技术、核子能、高新电子等高科技的高新技术领域中超精密加工及其制造的高精仪器起着相当重要的角色，在这些领域的使用中有探空火箭技术、高新仪器里的齿轮、人工智能机器等。
超精密加工的加工材料范围广泛，包括软金属、淬火钢、不锈钢、高速钢、硬质合金等较难加工的材料，也包括半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，不受材料外形的限制，使用的未来远景极为广[1]。
跟着现代加工制造技术和高新产业产品对产品的精度以及表面完整性的要求愈来愈高,超精密加工制造技术的重要性逐渐体现。
有关范畴的技术开发和发展就开始竭力于加工精度的一直提升,从微米级、亚微米级到纳米级,甚至现在的亚纳米级,比如航空航天产业里陀螺仪的轴承、电子信息产业里的集成电路和光学工业上的集成光路等,这些技术使生产的产品的体积减小,使产品质量和性能得到提升,并减少了这些工业产品使用成本。
总体上看，产品精度的不断提升促使产业有产品微型化的趋势,并且提高了产品零件之间的可置换性,有效提升了组装装配的效率,提高产业的整体自动化程度。
对于超精密加工生产中产品加工精度产生影响的主要是因为加工生产中的环境振动。
尽管超精密加工机床在设计生产之初就已经尽可能减少了环境振动对于超精密加工的不良影响,但由于生产加工环境和加工技术的转变,环境振动还是会存在在一些超精密加工的机床设备里,从而使产品加工精度的下降,这个现象严重影响了超精密加工制造的未来成长与壮大。
所以处理环境振动对超精密加工设备的干扰就变得格外迫切。
1.2超精密加工及其环境条件的研究
1.2.1国外超精密加工发展概况
国际上其他国家超精密加工开展较早，上个世纪六十年代初期，上个世纪五十年代至八十年代为技术发展初期。
这一个时间段，美国首先开始研究了以单点金刚石切削（SPDT）为象征的超精密加工技术，主要适用于航空技术、国家防御、天文等领域的激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工[2]。
欧美一些发达国家陆续成功研制成功了用于超精密加工的超精密金刚石车床，用于一些常见软金属的超精密加工，加工的形状也只限于简单的轴对称图形零件。
上个世纪八十年代至九十年代进入民间工业的应用初期。
美国、日本、欧洲的一些领头的超精密加工研究的公司在政府的支持下，将超精密加工技术开始投向市场，一开始是民用的精密镜头的生产。
但是由于超精密加工设备的缺少和代价高昂，初期主要是少量的专门订制。
在这时间段还出现了可处理硬质金属的超精密金刚石磨削磨床，但尽管如此，超精密加工的效率还是无法赶上金刚石车床。
上个世纪八十年代末期，美国投入大量研究资金和人力，成功研制了大型光学超精密加工车床，也成功成为了超精密加工领域的一个里程碑。
上个世纪九十年代后，民用超精密加工技术渐渐完善和成熟。
在民用交通、环境工程、光电信息、医疗仪器设备等产业的推动下，这些产业中光学镜片、超精密制造的模具、半导体元件等成了超精密加工广泛应用的平台。
随着超精密加工设备的相关技术的逐渐成熟，超精密加工设备成为工业生产中比较习见的生产设备。
另外，产品的加工精度也渐渐达到纳米级水平、可处理加工的零件材料的尺寸也越来越大，使用的领域也越来越广泛。
当今国际范围内的超精密加工技术大国以日本、欧洲和美国为首，但是它们各自发展的关注重点又不尽相同。
美国在超精密加工中已经投入大量资金，而大型X射线探测望远镜的大口径反射镜是其一直研究的重点方向。
当下这类反射镜的材料为重量小且导热性较好的碳化硅，但这种材料的硬度较高，对于这种材料的超精密加工会遇到较高的技术要求。
日本研究超精密加工的时间要晚于欧洲和美国，但是日本研究发展的速度很快。
日本超精密发展偏向于电脑硬盘磁片、民用光学透镜等民用产品。
现如今，日本在办公器材、光学透镜、声、微型电子等超精密加工方面相较于欧美有相当的技术领先。
1.2.2国内超精密加工发展概况
我国于上个世纪六十年代中期开始研究镜面外圆磨床，加工圆度小于0.3μm，表面粗糙度能低于Ra0.01μm。
上个世纪六十年代末期成功研发完成单晶金刚石镜面车床，可加工材料的表面粗糙度降到Ra0.025μm以下。
上个世纪七十年代后期研制了高精度磁盘车床。
进入上个世纪八十年代后，国家各个领域都相继投入资金人力开始研究超精密加工的技术和超精密加工设备，尤其是在上个世纪九十年代后期很多企业研究机构成功研制了非球面超精密加工设备，这是我国在超精密加工领域的一个里程碑。
哈尔滨工业大学是我国研究超精密加工设备技术最早的研究机构之一，在上个世纪九十年代中期成功研制了亚微米级的超精密机床，并且对超精密切削过程的加工工艺机理、刀具耗损原理、脆性材料超精密切削去除机制等方向进行了相当多的研究和探索，本世纪初期研制成的大平面超精密铣床，已被采用到核聚变关键零件超精密加工过程中去了。
北京机床研究所我国研究超精密加工技术的重要研究所之一，研制成功了NAM-800型纳米数控车床纳米级加工机床。
北京航空精密机械研究所在我国超精密加工设备研究单位中是独具特色的，研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统[3]。
还有超精密加工技术比较领先的有长春光机研制的数控非球面加工中心和国防科技大学于本世纪初研制的集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床AOCMT。
国内有很多研究机构和企业研发团队对磁流变抛光进行了探索研究，国防科技大学本世纪初研制了加工尺寸可达1m口径的磁流变抛光设备KDMRF-1000。
国防科技大学是我国研究离子束抛光的主要研究机构，在世纪初完成了具备非球面加工能力的离子束抛光设备KDIFS-500，可处理加工的最大直径φ500mm。
此外，哈尔滨工业大学孙希威等[4]首先对大气等离子体抛光技术看展了探究，对于单晶硅片的加工试验获得了较为满意的成果。
中国科学院成都光电所对应力盘抛光技术开展了研究，哈尔滨工业大学和浙江工业大学对气囊抛光进行了研究，都获得了预期的成果。
长久以来，我国高新先进的制造业电子产品主要技术设备基本上都依靠国外的进口，更无法触及到超精密加工技术的核心，严重约束了我国电子产业、超精密加工行业的长足自主发展和壮大。
国内的研究机构都肩负着壮大我国电子科技产业、超精密加工产业的重担，为我国的伟大复兴贡献自己的一份力。
1.2.3超精密加工环境条件的研究
超精密加工是现代发展高科技和高精密仪器机械的必需的机械制造工艺，该技术最核心的问题就是怎么去除接近材料分子尺寸的极其薄的材料层。
要完成这个超精密加工，除了要具有能适应这种工艺的机床、材料、测量技术、刀具以外，还需要十分严苛的超精密加工环境条件。
干扰超精密加工精度和质量的环境条件有空气环境、热环境、振动环境、声环境、光环境和静电环境等较多因素，这些因素一起影响着加工过程中加工的精度和质量。
空气环境中的主要指标为洁净度、气体流动速度、压力和有害气体，空气的洁净度主要是空气中的尘埃含量,要使空气的洁净度变高就要使空气中的尘埃变少。
超精密加工中，所需要的条件中，空气洁净度是很重要的指标，如果不能保证所要求的空气洁净度，就很难加工出很达到要求粗糙度的表面，空气中的尘埃的混入会使被加工工件的表面划伤或者工件精度收到影响，一颗直径0.3μm的尘埃就有可能是被加工材料变成废品，因此进行超紧密加工需要建设洁净室，所谓洁净室就是讲空气环境中的各个条件进行有效控制的房间。
而洁净室因不同的加工精度要求而采用不同标准的净化等级。
国际上所接纳的标准等级包括100级、1000级、10000级、100000级。
通常在超精密加工中要求的洁净度为100级，就是1m³的空气中，直径大于等于0.3μm的颗粒物要少于100个。
在洁净室中，环境条件中的压力条件，为了保持超精密加工中的洁净度和湿度温度，洁净室内的压力就要比室外高，来有效阻止室外的污染空气和不同温度湿度的空气进入室内。
热环境的主要指标是温度和湿度，温度的变化直接影响到机床和被加工工件在超精密加工过程中的形变和加工的精度，在超精密加工中主要控制温度的上下起伏，就是要求在加工过程中温度的变化越小越好，即控制恒温。
在超精密加工中一般要求洁净室内温度控制在（20℃±0.06℃）之间，而也可使用恒温室来进行整体的恒温，为了降低能耗，一般夏季控制在23℃，冬季控制在17℃。
湿度指的高低和加工过程有关，一般湿度低于40%时会由于静电的影响，超精密加工的工作精度无法保证，高于50%时，工件又容易生锈。
所以在超精密加工中始终保持40%~50%的湿度环境，并在加工的过程中始终注意湿度的变化，随时给设备进行加湿和减湿的处理，保证超精密加工过程的高精度。
振动环境是当今超精密加工过程中研究的一个很重要的课题，环境的振动对于提高超精密加工的加工精度和提升生产效率都具有很大的影响。
振动的来源一般分为室内振动、室外振动和自然界的振动，室内振动大体上包括人员移动产生的振动、设备本身加工时所产生的振动、材料物资转移搬运所产生的振动、辅助器械所产生的振动。
室外振动通常包括交通运输产生的振动、工厂生产产生的振动、建筑施工产生的振动和辅助设备产生的振动。
自然界的振动通常包括风等。
其他环境条件包括声、光、电磁环境等，在超精密加工中也要充分考虑和控制这些环境条件，防电磁波环境中电磁波对于设备造成的干扰和破坏，对于某些超精密加工时要能建设能屏蔽电磁波的环境。
防静电环境中静电有可能造成半导体元器件的损伤，能是某些超精密加工中的胶片感光、出现某些气泡、沾染尘埃，造成超精密加工中的生产质量不达标，为了防止此类事故，要采取措施防止静电。
对于其他环境条件，还要充分考虑“光”、“声”、“放射线”等对于超精密加工或者超精密加工环境的干扰和影响。
1.3超精密加工中环境条件控制策略概述
对于超精密加工过程中的各类环境条件，为了控制环境条件来达到超精密加工过程中所需要的要求，我们就必须采取措施来保证和控制超精密加工时环境条件的达标。
空气环境的指标的控制主要是控制产生尘埃的量，不带入尘埃并不在加工过程中产生尘埃，操作人员要穿着无尘操作服，设立除尘室清除灰尘；安装空气控制过滤装置，有效调节气流速度；控制加工环境对于外部环境的正压，防止外部空气的介入。
热环境的指标的控制主要是控制超精密加工时工作环境的恒温和恒湿，安装空气调节系统，包括：
加热装置、冷却装置、加湿装置、减湿装置等。
振动环境的指标的控制主要包含内部振动的消除和外部振动的消除，内部振动的消除有提高设备回转零件的动平衡精度；减少设备传动系统的振动；减少液压系统的干扰；提高系统的抗振性能。
外部振动的消除主要是隔振：
远离振动源；隔绝空气弹簧；隔振地基、安防隔振元件等。
其他环境条件的指标的控制主要是安装细声材料；采用消声器控制噪声；安装消除静电的装置；设立放电磁干扰的设备等
1.4本课题的主要研究内容
本课题主要研究内容为研究超精密加工条件环境中振动环境的研究以及振动环境的控制策略研究。
振动是超精密加工中一个重要的话题，振动环境对于生产的精度和加工的效率影响很大，甚至可能威胁到超精密加工机床本身的安全，造成机床的损坏。
所以本次课题主要研究通过不同减振隔振装置和措施，尽可能控制环境振动，消除振动对超精密加工的影响从而提高超精密加工的加工精度和提高超精密加工的生产效率。
通过不同减振隔振的设备的使用，通过客观的实验数据，来选定最佳的减振隔振方案，为超精密加工的生产过程提供一个稳定合适的工作环境，保证超精密加工的高效高质量地进行。
第二章超精密加工中振动环境的研究
2.1振动环境与对超精密加工影响概述
超精密加工中的振动环境是因为外部环境不同的振源所引发的。
和常见的地震想对比，都有着相类似的振动输出和结构的响应样式,但两者的持续时间、振动强度和人们研究的物理量大体却不相同[5]。
2.1.1环境振动的形成
振动条件的形成原因主要有2个:
人为操作活动产生的以及自然界所产生的振动。
在振动的防治过程中，首先要充分考虑和分析振源所具有的特性，。
在实际生产生活中,因为交通的运输、操作人员行走、动力设备的使用等,都会产生振动。
相比较不同的振源的不同特点,可以将它们分为瞬态、稳态、随机振动,大部分的振动由空气压缩机、冷冻机、电动机、通风机和水泵等设备引起,振动频率在2~80Hz。
在这些之中，空气压缩机在振动时的频率较低、振动蕴含能量较大,在传播过程中能量的衰减比较缓慢;那些振动能量不大、影响范围小的设备,在超精密加工设备周边的影响是不可以不考虑的。
部分实测的外界振动干扰频率如表2.1所示。
表2.1部分实测的外界振动干扰频率
振源
频率
测点据振源距离
空气压缩机
2.5~40
附近
冷冻机
45
附近
锻锤
10~35
锤击处
起重机
15~95
附近
火车
30
400m（常速运行）
20~25
10~30m（20km/h运行）
汽车
10~25
20~38m（空载）
5~15
20~38m（满载）
在实际布置时考虑土地问题对于超精密加工的影响，岩石上的振动频率高，振幅比较小,相比较土层则是恰恰相反。
另外,一些设备仪器哪怕产生的振动能量很微弱，但是由于生产中的仪器摆放布置和操作不当使零件或者内部结构的磨损,会导致干扰力的增强,会对超精密加工的环境造成较大的影响。
所以，对于这些由于人为原因造成的振动要根据不同的方面来分析超精密加工中处理振动的方法。
自然界的某些自然活动也会引发振动,最主要的有风、海浪潮汐、高低压气团交汇等环境所造成的。
地球的自转还有太阳引力变化也会对地球造成不可避免的振动。
这产生的振动有一定的随机性,大体在0.1~0.5Hz,振幅为0.1~10nm。
2.1.2振动条件对周围环境影响概述
振动环境在实际生产生活中无处不在，在日常生产生活中，机械振动时指物体在平衡位置附近做往复的重复运动，并且具有双重性。
在正常生活生产中，有时需要利用振动来完某些运动和工序，如利用超声波进行诊断和治疗疾病；在建筑时利用振动进行打桩、振动拨桩以及混凝土灌注时的振动捣固来提高建筑工程的工作进度与效率；在电子信息产业中的许多电子产品利用谐振器才能有效工作；海洋工程中利用海洋波动进行发电。
在近几十年的发展过程中，振动环境被快速开发或者利用，成功造福于社会生产生活之中，先后有一百多项与振动有关的技术被广泛运用于生产生活中，它们在各个部门中起着十分重要的作用，为振动工程学的发展和社会制造生产贡献了力量。
双重性就意味着振动还有给社会生产生活带来的不利影响，振动在日常生活生产中很重要的一个影响就是噪声，振动带来的噪声污染在机械数字化程度不高的工厂和轨道交通运输中日益严重，还有一个很严重的现象就是共振，历史上很多次悲剧就是由于人们还没有完全的认识共振而酿成了十分惨烈的后果，包括二十世纪四十年代，美国全场860米的塔科姆大桥在建成短短四个月之后就因为风带来的共振而坍塌，这是人类对于振动的不了解和忽视了振动对日常生产生活的影响，并未对振动可能带来的危害做出相对应的防护措施和解决方法。
由此可见，振动在日常生活中扮演着双面手的角色，我们要正确认识振动，利用振动来造福于人类也要认识到振动的影响甚至于危害，在必要的时候和地点，提前做好防范振动危害的措施，将未知的振动危害控制在可以掌控的范围之内。
2.1.3振动条件对于超精密加工的影响
环境振动对超精密加工的影响特别是会对一些对振动敏感的仪器设备造成较大的干扰和影响。
如光学干涉测量仪、电子显微镜,以及精密加工设备,如金属切削等,在纳米精度在的操作,高精度、高分辨率和高灵敏度是这些加工操作的关键所在。
如果环境振动超过其能允许的范围数值时会直接影响到超精密加工设备仪器的正常使用，还有可能直接导致设备的无法使用。
相对于不同的机器设备，对于振动的允许范围指标就不径相同，在精度要求比较高的加工仪器加工材料时，振动会使加工材料与刀具之间产生颤振。
当前国际范围内对于精密加工中的振动有一套公认的标准，包含VC-A、VC-B、VC-C、VC-D和VC-E这5个等级，来分别表示振动在超精密加工中的不同程度的强度，来更好的制定有效针对的策略加以控制，并能根据不同振动的特点，在防治振动的措施中能有效针对所想防治振动的特点，节省成本。
在这五个等级中，A类的振动对于超精密加工的影响是最大，而E类最小，基本上高科技厂商对于超精密加工的环境振动的要求在VC-C，拥有光学仪器设备的公司对环境振动的要求就稍微要高一点，大概在VC-D以上，这就要求公司要考虑到专业的减振隔振设备与措施。
不同的地点，相对应常见振动的类型不尽相同，振动的不同性质和特点对人和超精密设备的影响不同，表2.2为在不同场合，超精密设备对于振动的反应。
表2.2超精密设备振动标准
振动规范
振动值
振动表现
速度
μm/s
＜4Hz
（dB）
＞8Hz（dB）
工厂（ISO）
812.80
96
90
明显感觉到振动
办公室（ISO）
406.40
90
84
稍微感觉到振动
住宅（ISO）
203.20
84
78
几乎感觉不到振动
手术室（ISO）
101.60
78
72
感觉不到振动，适用于倍率100的显微镜已经振动敏感低的设备
VC-A
50.80
72
66
适用于倍率400的显微镜
续表2.2超精密设备振动标准
振动规范
振动值
振动表现
速度
μm/s
＜4Hz
（dB）
＞8Hz
（dB）
VC-B
25.40
66
60
适用于倍率1000的显微镜以及分辨率3μm的照相制版和光学检测仪器
VC-C
12.70
60
54
适用于分辨率1μm的照相制版和光学检测仪器
VC-D
6.35
54
48
适用于大多数精密仪器，包括电子显微镜等
VC-E
3.18
48
42
适用于分辨率0.5μm的照相制版和激光作业，要求极为严格
2.2国外超精密加工的振动环境的研究
国外针对振动环境对于超精密加工中给加工的工件带来的影响研究得比较早,特别是日本与欧美几个国家,这些国家在分析研究超精密加工中环境振动的影响时都是通过理论的推理外加建立模型分析为主，主要专研的是振动的传播
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