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采用干式切削加工时，选定正确的机床和恰当的装备是很重要的。因为速度特别快，材料又常常较硬，干式切削加工时切削温度很高，机床必须刚性足、马力大。

　　在加工中心上进行干式切削之前，操作者应该尽量保持其工具伸出长度较短，主轴是处在刚度最佳的情况下，还要考虑机床的速度、额定功率。

　 　谈到车床工近净成型(nearnet shape)的和淬硬的零件，刀具转塔可以对着机床刚性强的方向进行加工，因为这个方向的长导轨能把切削力分散。设计得好的机床，能直接在短导轨上分散这 些切削力，并且刀架由最少的零件组成，却能移动和支撑刀具。在相对于柔性更重视精度时，则应该考虑用螺栓将一组刀具直接固定在横拖板上避免回转分度机构。

　　 热稳定性对精度是非常关键的。一些制造商采用软件提高了他们的加工中心的精度，这些软件补偿了温度的影响。然而，控制温度应该从有效地排除热切屑开始，因此要排除密封的工作区内部重要的热源。

　　优秀的机床设计，机床里没有那些能聚集切屑的洼坑和高台。用排屑螺旋与传送器尽快将切屑排出机床外，而不用切削液协助冲走。如果排屑出了问题，用压缩空气取代液体。

　 　为了保护滚珠丝杠、导轨，伸缩套管，防护罩、密封条和灰尘收集器还是需要的。如果需要一台干切削的机床，可以把原来设计好的机床从湿式切削操作转变为干 式切削操作，通常也是比较便宜。需要添加的灰尘收集器和空气传送系统，比湿式切削加工相应的油雾收集器和冷却泵稍微贵些。

　　用干式切削加工操作成本也是比较低的，因为它避免了冷却液的管理和处理费用，其次是压缩空气耗电比冷却泵要少。因此，干式切削的应用会越来越广泛。

BW 微型油霧渦流管槍 BW Spiral Tube Cooler series (I)
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藉由空氣壓縮機 ( 建議 5HP 以上 ) 驅動，即可產生超低溫冷風，無使用電源及冷煤，安全、乾淨、零污染。

• 迅速產生超低溫冷風，無耗材，產品壽命長，設備成本低廉。

• 可依需求調整冷風溫度、風量及油量 (STC-V1) ， ，達到最佳使用狀態。

• 專利設計， STC -V1 可產生超低溫冷風 + 油霧，可於金屬切削加工時產生加乘之效果。

• STC-V1 入油口加裝止逆閥，可避免加工停止時油品垂滴，及不需於下次加工時重複設定油霧量。

• STC-V1 可選擇產生冷風，或冷風 + 油霧。

• 配備具有多層保溫層之「冷風玻纖導管」，降低環境溫度對冷風溫度之影響。

• 產品效能：

• 超低溫冷風可有效降低刀具溫度，避免刀具過熱，與切削形成燒結 ( 假焊 ) ，進而造成「刀具崩裂」及「加工面損傷」。

• 超低溫冷風可中和切削部位之局部溫升，避免工件熱變形，影響加工精度。

• 經實測，相較於一般吹氣，超低溫冷風可降低切削時之「摩擦瞬間阻力」，使刀具壽命延長，加工面更光滑。

• 眾所皆知，油霧可於切削部位產生潤滑效果，亦具有保護刀具與使加工面更光滑之效果。故超低溫冷風 + 油霧具有加乘之效果。

• 測試數據：




環境溫度 30 ℃ / 入氣溫度 27.5 ℃

environment temperature 30 ℃ / air temperature 27.5 ℃

入氣壓力

pressure


總入氣量

air introduced in total

100%


冷風風量

cold air in total

100%


冷風溫度 temperature of cold air

（風量 45% ）


室溫－冷風

room temperature – cold air temperature difference

溫度差


入氣－冷風

溫度差

air temperature introduced – cold air temperature difference

4 kgf/cm 2


175L /min


80~ 175L /min


- 5.8 ℃


35.8℃


33.3℃

5 kgf/ cm 2


200L /min


90~ 200 L /min


- 8.5 ℃


38.5℃


36℃

6 kgf/ cm 2


225L /min


100~ 225 L /min


- 11.2 ℃


41.2℃


38.7℃

7 kgf/ cm 2


250L /min


110~ 250 L /min


- 13.8 ℃


43.8℃


41.3℃

8kgf/ cm 2


275L /min


120~ 275L /min


- 16.4 ℃


46.4℃


43.9℃


歡 迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對廠商高品質的刀具需求，我們可以協助廠商滿足您對產業的 不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS刀具、協助客戶設計刀 具流程、Carbide Cutting tools設計、航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具 到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！ BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,TaiwanWelcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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高速切削加工是汽车模具制造的发展趋势

　 　高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术 可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应 用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。

通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势：

一、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。

二、高速切削加工生产效率高

用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术（One Pass Machining）。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。

三、高速切削加工可获得高质量的加工表面

由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。

四、简化加工工序

常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。现在则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的 表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产 周期。

五、高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便

汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，无需重新编程，且能做到精确无误。

六、高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具

由高速切削机理可知：高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以加工具有复杂型面、硬度比较高的汽车模具。

开展汽车模具高速切削工艺技术研究的意义

高速切削加工技术在国内外汽车模具制造行业得到了广泛的应用，并且已取得了巨大的效益，但是高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善，针对汽车模具的高 速切削数据库尚未建立。国内外企业选择高速切削刀具参数和高速切削加工参数的方式仍以传统的“试切”法和“经验”法为主，在加工某一新型材料时，往往需要 使用多种刀具进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，从中找出一组最佳的刀具材料和加工参数，如此反覆多次，盲目性大，并且浪费大量的 人力、财力和资源。而针对特种材料如合金铸铁、高强度合金钢、超级合金（如钛合金）等材料的高速切削加工，如何根据材料特性选择合适的切削刀具，如何设计 合理的切削参数，目前仍在研究和发展中。

关于高速切削数据库的建立和使用，国内外至今很少有关的文献报道。这主要是因为高速切削加工技术起步晚，目前可用于生产的实用高速切削数据还十分缺乏。

我国有关汽车模具高速切削加工技术的研究起步较晚。近年来，众多模具企业相继从美国、德国、法国、日本等国家购买了大量高速加工设备及切削刀具，并在实践 中摸索汽车模具高速切削加工的工艺技术，取得了一些成功经验。但是，一方面，引进设备不等于引进技术。高速切削尤其是大型汽车覆盖件模具的高速切削方面， 没有成功的经验可供借鉴，怎样使引进的设备尽快发挥出应有的作用是摆在企业管理者和工程技术人员面前的一大课题；另一方面，技术人员在工作中边学习边应 用，摸索、积累了一定的高速切削加工实例、工艺参数和工作经验，怎样将这些宝贵的经验和教训总结保存供其他技术人员借鉴、避免多走弯路也是一项难题。

汽车模具企业不仅要建立一套高速加工切削数据库，而且应是针对汽车覆盖件模具加工特徵的“特色”切削数据库，即所建立的切削数据库不但能够存储高速切削参 数，而且能够存储优秀的高速切削加工实例和决策知识，因此这是能够“自动增长知识”的数据库；在数据和经验基础之上，还需要对高速加工数控编程工作任务进 行有效管理。建立这样一个针对模具公司独特情况的数据库，已远远超出一般切削数据库的范畴，但这种“特色”数据库的建立和应用必定会提高汽车模具高速加工 的质量和效率，并为企业带来可观的经济效益。

汽车模具高速切削工艺技术研究的内容

一、高速切削加工机理的研究

高速切削加工技术在国内外发展的时间短，切削机理方面还有很多内容仍需要进一步的研究和完善，主要表现在由于速度大幅提高，加工过程产生的切削力、切削 热、刀具磨损状况以及加工表面情况都将与传统加工对应因素所产生的现象和造成的结果显著不同。高速切削机理的缺乏将阻碍高速切削加工技术的深入应用，因此 首先要进行高速切削加工机理的研究以加深技术人员和操作人员对高速切削加工技术的认识，并充分利用高速切削加工技术对汽车覆盖件模具进行高效高质量的加 工。

二、高速切削加工参数的优化

实践证明，在设备、材料、加工策略一定的情况下使用合理的加工参数将大大提高工作效率，并做到加工效率、刀具磨损和加工质量的最佳组合。因此，在汽车覆盖件模具高速切削加工方面进行加工参数优化是提高工作效率和汽车覆盖件模具加工质量的一个重要技术环节。

三、复杂模具曲面高速切削加工策略研究

成功进行高速切削加工的重要前提是承受近乎恒定的切削载荷，在这种条件下能够保证良好的高速切削加工效果。针对复杂模具曲面，需要进行加工过程中去除材料体积变化小、切削载荷恒定的加工策略研究以避免刀具较快的磨损和减小让刀误差。

四、汽车模具高速加工切削数据库建立

高速加工切削数据库存储高速切削参数等数据供技术人员和操作人员查询和使用，在管理工艺数据和辅助技术人员进行工艺规划方面起着重要作用。为提高技术人员和操作人员的工作效率、促进企业稳定持续发展，建立针对汽车覆盖件模具高速加工的切削数据库势在必行。

汽车模具高速切削工艺技术研究的技术手段

一、切削加工有限元模拟技术

电脑技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能，始于上世纪70年代的金属切削加工的有限元模拟技术在电脑技 术的发展中也得到了长足的进步。金属切削加工的有限元模拟考虑了材料属性、刀具的几何条件、切削加工参数（切削速度、进给量、切削深度）以及切削加工引起 的切削力载荷、热载荷和残余应力等因素。在试验辅助和验证的基础上，虚拟切削加工过程中刀具和零件相对运动的作用过程，对切屑成形过程进行动态物理仿真， 可以显示加工行为以及被加工零件的内部应力、应变、应变率和温度等物理量的分布情况，预测零件的加工质量和刀具磨损、破损等情况。进而，通过对工艺参数的 优化，可以提高零件的加工质量，有效减少刀具的磨损程度，减少采用传统试凑法确定新工艺时所需的昂贵费用和时间。另外，金属切削加工模拟时，可以定义相关 因素（加工参数、刀具几何条件以及热、力的上限）与材料的去除率之间的关系。在确保零件加工质量的前提下，通过改变切削参数提高材料的去除率，从而达到提 高生产率的目的。

汽车覆盖件模具高速切削加工机理和加工参数优化技术涉及材料科学、力学、金属物理学、机械制造等多个学科，在数控加工领域一直难以解决。现有的CAM软件 只能根据零件曲面特徵进行数控编程，保证刀位轨迹不碰撞、不干涉，但难以保证加工后的零件在表面质量和刀具寿命等物理目标上也是最优的，往往造成产品精度 低下，刀具磨损严重，所以对高速切削加工过程进行最优化分析是一项比较困难却又相当重要的课题。从上述切削加工有限元模拟技术概述来看，走数字模拟仿真和 试验研究相结合之路，是解决该实际问题的有效措施。切削工艺过程和切屑成形过程的有限元模拟为深入研究切削机理、提高切削加工质量提供了新的、更加有效的 分析方法。

二、基于实例推理的高速切削加工数据库构建技术

基于实例的推理（CBR—Case-Based Reasoning）起源于二十世纪七十年代，是人工智能技术发展过程中出现的一种推理模式。简单地说，就是利用以前类似问题的解决方案及知识来解决新问 题。基于实例推理是一种被广泛应用于各种问题求解领域的推理方法，应用这种推理方法求解问题不依赖于所求解问题领域的规则，而是依赖于以前积累的经验和成 功解决的类似实例。这非常接近于人类专家解决问题的思路和方法。

实际上，基于实例推理的技术是一种问题求解方法，可应用于众多的领域。在汽车模具高速切削加工领域，问题求解要考虑的因素非常多，解决方案的某些部分可用 简单的规则来确定，但大多数情况下，则要注意到实际问题的具体情况。如选择切削刀具时，刀具类型可很简单地应用规则来确定，但像刀具尺寸、几何角度、刀片 型号、尺寸、角度、加工参数等数据的确定，就很难用简单有效的规则来确定。有时，使用某些已经存在的规则甚至可能导致错误的结论。在这种情况下，应用基于 规则的推理就受到了很大的局限，应用人工神经网路演算法又很难处理问题领域的非数值型数据，而应用基于实例推理的技术来解决这样的问题就很容易克服上述困 难。

另外，由于积累的经验少，高速切削加工过程中，零件与刀具材料的最优匹配及切削用量的选择、切削液的选用、机床刚性与工件刚性对加工精度和表面质量的影响 及切削方法与机床的选用、刀具寿命与切削用量和加工成本之间的合理匹配、零件及加工面类型对工艺方案的影响等问题，也不能用简单的公式或规则来表示。而这 些信息和经验对推广高速切削技术意义重大，因此如何收集和处理十分重要。而基于实例推理解决问题的方法正好可以利用上述经验和加工实例来解决高速切削加工 过程中出现的各种问题。在目前高速切削加工领域缺乏大量系统适用的切削数据、经验和规则的情况下，应用基于实例推理技术解决问题的思想方法，可为建立高速 切削数据库、推广高速切削加工技术，提供一条切实可行的途径。

汽车模具高速切削工艺技术的技术路线

以有限元模拟技术和基于实例推理的高速切削数据库构建技术为研究支撑技术，以理论分析和试验研究等为辅助技术，对汽车模具尤其是覆盖件模具高速切削加工工 艺展开深入研究。其研究过程为：首先进行材料力学性能试验，利用试验数据构建有限元模型，探讨高速切削加工机理，优化高速切削加工参数和揭示高速切削加工 规律；基于优化的加工参数源数据和高速切削加工规律，采用实例推理方法建立高速切削数据库；研究具有复杂曲面特徵的汽车覆盖件模具保持近似恒定切削载荷的 高速切削加工策略，突破3＋2轴数控加工方式关键应用技术环节，开发汽车覆盖件模具3＋2轴数控加工辅助编程工具，最后将这些成果在实际高速切削加工中进 行应用。图1为研究路线示意图。

图1 汽车模具高速切削工艺研究技术路线

　　汽车模具高速切削工艺技术应用实例

东风汽车模具有限公司是国内汽车模具行业规模最大、技术最先进的企业之一。从2000年开始，该公司组织技术人员进行高速切削加工技术研究，密切结合汽车 模具尤其是覆盖件模具制造的实际，解决了一系列关键技术，总结了一套适合汽车覆盖件模具高速切削加工的技术方案和方法，包括：汽车覆盖件模具高速切削加工 的基本概念；高速加工设备的选购标准；高速加工机床的安装与调试；高速切削刀具的使用；适合于高速切削加工的CAM软件；“3+2”轴高速切削加工技术； 高速切削加工工艺及测量技术等。

图2 在高速加工中心上进行的汽车覆盖件模具高速铣削

　　近两年又与浙江大学、湖北 汽车工业学院联合开展了汽车模具高速加工工艺参数优化及数据库系统开发与应用项目。该项目以大型汽车覆盖件模具复杂型面的高速精加工为主要研究对像，在引 进国外大型高速数控加工中心设备的基础上，采用金属切削有限元模拟和实验技术相结合，研究了模具常用材料的高速切削加工机理；采用基于实例推理方法建立了 具有自学习功能的汽车模具高速切削数据库；紧密结合 UG CAM软件功能，开发了刀轴倾角优化工具，因而在汽车覆盖件模具复杂型面“3+2轴”加工时，达到了汽车模具的高速度、高质量、高可靠性的加工要求。经过 实际应用，取得了良好的应用效果。
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　 　随着绿色制造技术在切削加工中的应用，在高速铣削加工中采用压缩空气冷却取代切削液冷却已成为一种不错的选择。但是，对于具体的高速铣削加工任务，选用 何种冷却方式更为恰当，则应根据不同的加工目的和被加工材料仔细加以权衡，以获得最佳的加工效果。以下是选择冷却方式时需要考虑的四个主要工艺因素。

　　1．工件材料的硬度

　 　如果工件材料的硬度≥42HRC，选择压缩空气冷却通常可获得更佳的效果。高速铣削高硬度材料的加工特点为：①切削温度很高；②切屑在冷作硬化作用下会 变得比母体材料更硬。切削此类材料时，如果采用切削液冷却，可能会使刀具承受间歇性升温－冷却造成的热冲击，温度的剧烈变化容易引起硬质合金切削刃碎裂。 反之，如果采用压缩空气冷却，不仅可使刀具温度保持恒定，而且可将切屑吹离切削区，避免因高硬度切屑的二次切削（re-cutting）作用对刀具造成损 坏。

　　2．工件材料的种类

　　如果工件材料的硬度<42HRC，则应根据工件材料的种类确定选用何种冷却方 式。在高速铣削粘性材料（如铝、软性不锈钢等）时，通常需要选用切削液冷却。切削液可对刀具起到润滑作用，且可使切屑易于向上滑出容屑槽并与刀具后角分 离。而在高速铣削大多数模具钢（如P20，H13，S7， NAK55，D2等）时，压缩空气冷却可能是正确的选择。如果在加工中发现工件材料与刀具发生粘连现象，则可能提示需要采用切削液；但也可能提示需要选用 不同的刀具涂层。

　　3．刀具涂层

　　氮碳化钛（TiCN）涂层和氮铝钛（TiAlN）涂层是高速铣削模具钢时最常 用的两种刀具涂层。球头铣刀在低于245m/min （800sfm）的切削速度下铣削硬度小于42HRC的工件材料（或圆铣刀在低于600sfm的切削速度下铣削相同材料）时，刀具采用TiCN涂层较为合 适。如果被加工材料的硬度或切削速度高于上述切削参数范围，则最好选用TiAlN涂层。

　　TiCN涂层对切削液冷却具有很好的适应性。虽然切削温度的剧烈变化仍有可能引起硬质合金切削刃碎裂，但在上述切削参数范围内进行加工，一般不会产生足以引起热冲击危险的切削高温。

　 　反之，高温切削性能较好的TiAlN涂层不太适合切削液冷却。这种涂层在进行高温切削时，可在涂层外表面形成一层坚硬而光滑的氧化铝层，有助于提高刀具 的切削性能。（事实上，美国Millstar公司开发的“Exalon”TiAlN涂层的高温切削性能更为先进，这种TiAlN涂层的外面又增加了一层固 体润滑层，可使切屑更易于沿着刀具切削刃滑离。）

　　石墨电极工件的铣削加工对刀具涂层的要求一般不太严格，选用TiAlN涂层或金刚石涂层均可。虽然这两种涂层采用压缩空气冷却即可获得很好的切削效果，但许多加工车间仍然愿意使用切削液，这是因为切削液有助于清除加工中产生的粉尘。

　　4．表面光洁度要求

　 　用球头铣刀进行高速铣削时，为了获得较高的工件表面光洁度，可能需要采用切削液冷却。由于球头铣刀端部的切削速度为零，采用切削液可起到很好的润滑作 用。当用典型的球头铣刀进行微进给精铣加工时，位于铣刀端部低速切削区域的工件材料可能会卡在“横刃（web）”内。处于红热状态的残留材料被刀具拖曳着 划过工件，并可能熔焊在工件表面，从而破坏工件的表面光洁度。
在乾式切削方式以最新型BW冷風微型窩流管槍加上油霧裝置、可以提升加工面RA出糙 度、重點冷風出風量為零下5度C、可以減輕刀具因切割產生高溫、http://tw.tool-tool.com/powder4_c.htm、輕微油霧 增加刀具壽命、使被加工材料尺寸變形與加工表面細緻、在復合材料與潔淨加工環境更能提高環保。
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随 着我国经济的飞速发展，数控机床作为新一代工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度 也提出了更高的要求。尽管用户在选购数控机床时，都十分看重机床的位置精度，特别是各轴的定位精度和重复定位精度。但是这些使用中的数控机床精度到底如何 呢? 大量统计资料表明：65.7%以上的新机床，安装时都不符合其技术指标；90%使用中的数控机床处于失准工作状态。因此，对机床工作状态进行监控和对机床 精度进行经常的测试是非常必要的，以便及时发现和解决问题，提高零件加工精度。

　　目前数控机床位置精度的检验通常采用国际标准 ISO230-2或国家标准GB10931-89等。同一台机床，由于采用的标准不同，所得到的位置精度也不相同，因此在选择数控机床的精度指标时，也要 注意它所采用的标准。数控机床的位置标准通常指各数控轴的反向偏差和定位精度。对于这二者的测定和补偿是提高加工精度的必要途径。

　　 一、反向偏差

　 　在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件(如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等)的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在， 造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数控机床，反向偏差的存在就会影响到机床的定 位精度和重复定位精度，从而影响产品的加工精度。如在G01切削运动时，反向偏差会影响插补运动的精度，若偏差过大就会造成“圆不够圆，方不够方”的情 形；而在G00快速定位运动中，反向偏差影响机床的定位精度，使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度降低。同时，随着设备投入运行时间的增长，反向偏 差还会随因磨损造成运动副间隙的逐渐增大而增加，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。

　　（1）反向偏差的测定

　 　反向偏差的测定方法：在所测量坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距 离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定(一般为七次)，求出各个位置上的 平均值，以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离，否则不能得到正确的反向偏差值。

　　测量直线运动轴的 反向偏差时，测量工具通常采有千分表或百分表，若条件允许，可使用双频激光干涉仪进行测量。当采用千分表或百分表进行测量时，需要注意的是表座和表杆不要 伸出过高过长，因为测量时由于悬臂较长，表座易受力移动，造成计数不准，补偿值也就不真实了。若采用编程法实现测量，则能使测量过程变得更便捷更精确。

　　例如，在三坐标立式机床上测量X轴的反向偏差，可先将表压住主轴的圆柱表面，然后运行如下程序进行测量：

　　N10 G91 G01 X50 F1000；工作台右移

　　N20 X－50；工作台左移，消除传动间隙

　　N30 G04 X5；暂停以便观察

　　N40 Z50；Z轴抬高让开

　　N50 X-50：工作台左移

　　N60 X50：工作台右移复位

　　N70 Z-50：Z轴复位

　　N80 G04 X5：暂停以便观察

　　N90 M99；

　 　需要注意的是，在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速的测出值要比高速的大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运 动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程(相对“反向间隙”)，因此测出值较大；在高速时，由于工作台速度较高，容易发生过冲超程，测得值偏小。

　　回转运动轴反向偏差量的测量方法与直线轴相同，只是用于检测的仪器不同而已。

　　（2）反向偏差的补偿

　 　国产数控机床，定位精度有不少>0.02mm，但没有补偿功能。对这类机床，在某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不 变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再开始插补加工。插补进给中遇反向时，给反向间隙值再正式插补，即可提高插补加工的精度，基本上可以保 证零件的公差要求。

　　对于其他类别的数控机床，通常数控装置内存中设有若干个地址,专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改 变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不 利影响。

　　一般数控系统只有单一的反向间隙补偿值可供使用，为了兼顾高、低速的运动精度，除了要在机械上做得更好以外，只能将在快速运动时测得的反向偏差值作为补偿值输入，因此难以做到平衡、兼顾快速定位精度和切削时的插补精度。

　　对于FANUC0i、FANUC18i等数控系统，有用于快速运动(G00)和低速切削进给运动(G01)的两种反向间隙补偿可供选用。根据进给方式的不同，数控系统自动选择使用不同的补偿值，完成较高精度的加工。

　 　将G01切削进给运动测得的反向间隙值A 输入参数NO11851(G01的测试速度可根据常用的切削进给速度及机床特性来决定)，将G00测得的反向间隙值B 输入参数NO11852。需要注意的是，若要数控系统执行分别指定的反向间隙补偿，应将参数号码1800的第四位(RBK)设定为1；若RBK设定为0， 则不执行分别指定的反向间隙补偿。G02、G03、JOG与G01使用相同的补偿值。

　　二、定位精度

　　数控机床的定 位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精 度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进 行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。

　　（1）定位精度的测定

　　目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉测量原理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。检测方法如下：

　　 ①安装双频激光干涉仪；

　　②在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置；

　　③调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行，即将光路预调准直；

　　④待激光预热后输入测量参数；

　　⑤按规定的测量程序运动机床进行测量；

　　 ⑥数据处理及结果输出。

　　（2）定位精度的补偿

　　 若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床CNC系统，从而消除定位误差，由于数控机床三轴或四轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要花费较多时间，并且容易出错。

　　现在通过RS232接口将计算机与机床CNC控制器联接起来，用VB编写的自动校准软件控制激光干涉仪与数控机床同步工作，实现对数控机床定位精度的自动检测及自动螺距误差补偿，其补偿方法如下：

　　①备份CNC 控制系统中的已有补偿参数；

　　②由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC程序，并传送给CNC 系统；

　　③自动测量各点的定位误差；

　　④根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给CNC系统，螺距自动补偿完成；

　　⑤重复③进行精度验证。

　　根据数控机床各轴的精度状况，利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿功能，合理地选择分配各轴补偿点，使数控机床达到最佳精度状态，并大大提高了检测机床定位精度的效率。

　 　定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量挑选精度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成机床的定位 误差越来越大，这对加工和生产的零件有着致命的影响。采用以上方法对机床各坐标轴的反向偏差、定位精度进行准确测量和补偿，可以很好地减小或消除反向偏差 对机床精度的不利影响，提高机床的定位精度，使机床处于最佳精度状态，从而保证零件的加工质量。
歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對廠商高品質的刀具需求，我們可以協助廠商滿足您對產業的 不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS刀具、協助客戶設計刀 具流程、Carbide Cutting tools設計、航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具 到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！ BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,TaiwanWelcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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刀 具补偿是现代计算机数控（CNC）系统所具有的重要功能之一，可分为刀具半径补偿和长度补偿两种。就目前而言，应用于二维轮廓加工的两坐标联动数控系统基 本都具备刀具补偿功能，而多坐标（三坐标以上）联动数控系统中对于刀具补偿功能还未能得到较好解决。特别是五轴联动加工中，由于刀具的旋转运动，使得五轴 联动刀具补偿较难实现。国外几个主要CNC生产商在其高档的五轴联动数控系统中已经带有刀具补偿功能，如SIEMENS的SINUMERIC840D系统 具有将三维空间向量转换为实际机械轴角度的计算能力的“3D Tool Radius Compensation”功能，而所带的坐标转换（或位置变换）功能其实质就是五轴刀具长度补偿。国内有关五轴联动加工刀具补偿方法的研究并不多，因 此，本文将对五轴加工中的刀具补偿问题进行深入研究，分别对五轴加工中的刀具半径补偿和长度补偿的实现方法进行详细叙述，以期能建立并完善五轴联动CNC 系统的刀具半径和长度补偿功能。

　　1 五坐标加工数控程序的生成

　　五坐标加工主要应用于复杂曲面零件如整体叶轮等的 加工，因此其数控程序的生成必须借助于一些自动编程软件如UGII、HyperMill等。在应用这些软件进行五坐标数控编程时得到的刀位文件（CLF） 是不依赖于具体机床结构和形式的，而且它提供了五轴曲面加工时刀具底端面中心（以下简称为刀具中心）在工件坐标系下要求位移到的位置坐标以及刀轴的方位矢 量等信息，但CLF文件的生成却依据了选用刀具的形式（如平底刀等）和刀具半径等参数。因此，五轴加工程序的生成与刀具参数设定有密切的关系。另外，利用 编程软件的后置处理模块根据选用五轴数控机床的结构形式等参数将CLF文件转换成加工曲面所需的数控程序。假定某加工程序段为： G01XxYyZzAaCc其中位置坐标值x、y、z可以是刀具中心坐标也可以是机床主轴端（Spindle none）的坐标a、c分别为绕X轴、Z轴的角度坐标值。当x、y、z为刀具中心坐标时称为刀具中心编程，当x、y、z为主轴端坐标时称为主轴端编程，如 图1所示。但无论哪种编程方式都需数控系统具有刀具自动补偿功能才能加工出我们所需要的零件。以下将以图2所示结构形式五轴数控机床和刀具（平底刀）中心 编程为例分别叙述五轴联动加工中的刀具半径补偿和长度补偿。

　　2 现行五轴数控编程在刀具半径补偿方面的不足

　　上节 中叙述的五坐标数控加工编程方式和得到的数控指令格式是根据国际标准化组织（ISO）有关数控编程的标准ISO 6983进行的。对平面两轴或两轴半的加工而言，在ISO 6983中常使用G41/G42功能来补偿刀具半径。补偿时根据数控程序中提供的相关信息如G17/G18/G19进行加工平面选择配合G41/G42左 右刀具补偿选取，利用一般较低档的控制器即可完成。但是，对于三轴特别是五轴加工，即刀具半径的补偿要在三维空间完成，ISO 6983中所提供的信息则显得不足，如G17/G18/G19、G41/G42等已经失效，插补程序段中提供的数据信息又仅仅是刀具中心点坐标和刀具轴的 方位角，刀具半径补偿实际上不可能进行，因为控制器不知道该往哪个方向进行补偿，而这个方向对于刀具半径补偿非常重要。因此，如果要进行三维空间刀具半径 补偿功能，则必须在数控加工程序段中提供补偿方向向量等信息，如FANUC15-MA(FANUC,1994)、CINCINNATI MILACRON ACRA-MATIC 950(CINCINNATI,1990)等，FANUC控制器采用了1JK码来表示，而CINCINNATI则是采用POR码来表示。另外，在后置处理 方面，目前的CAM编程系统通常并不提供刀具补偿向量模式，只有在五轴机床的原厂商对其个别型式的五轴机床专用的后置处理程序，才提供了这种五轴三维刀具 补偿向量模式的输出，但其价格却相当昂贵。本文假定得到的加工程序段中提供了刀具半径补偿向量。

　　3五轴刀具半径补偿

　 　在进行刀具中心编程时，由CAD/CAM软件生成的数控程序是根据编程刀具半径计算出来的刀具中心运动轨迹。实际加工时，必须保证刀具半径与编程时刀具 半径相等。一旦刀具半径发生改变，尤其是刀具在加工的过程由于磨损而造成尺寸变化时，程序的重复使用就受到很大的限制，必须根据所用刀具半径返回 CAD/CAM系统重新产生CLF文件经后置处理生成新的NC程序。这样会造成程序维护不易，生产效率无法提高，若考虑更换新刀具加工，则又存在增加备用 刀具成本的缺点。如果所使用的五轴CNC系统带有刀具半径补偿功能，则原有的程序和刀具仍然可用，只需在加工前测量出刀具实际半径值即可，不必每次加工都 保证所使用刀具半径与编程刀具半径相等。如图3所示的是使用刀具半径补偿功能前后对加工结果的影响。

　　如图4所示，在加工过程中某数控 加工程序段表示的刀具中心位置坐标、刀轴方位角度坐标以及补偿方向单位向量为 ，刀具与加工表面切触于点 ，进给方向垂直纸面向里，刀具底沿在纸面的投影为一椭圆。图4中实线表示编程使用的刀具，半径为Rp，点划线表示实际加工时所用的刀具，半径为R。显然当 R=Rp时刀具底沿与理论加工表面切触于C，无须进行半径补偿而直接进行长度补偿计算主轴端点位置坐标即可。但是若RRP时，则必须先进行半径补偿，半径 补偿的目的是要让实际加工刀具的底沿仍与理论加工表面切触于C。图5中虚线表示刀具沿补偿方向进行补偿后刀具的位置。

　　定义：将由编程刀具中心位置即 指向刀具半径补偿后实际加工刀具中心 的矢量称为刀具半径补偿向量，用Vr表示。

　　由刀具半径补偿向量定义可得





式(2)中｛ip，jp，kp｝在程序段中已给出，为已知，由式(1)和式(2)可以很容易求得刀具半径补偿向量Vr为

　　

　　由式(3)和式(4)可得到刀具半径补偿后实际加工刀具中心O的坐标分别为

　　因为刀具半径补偿不能改变刀具姿态，也就是补偿前后刀具轴向方位角不变，刀具只是沿Vr平移，插补预处理时只需将得到的主轴端点坐标做平移变换即可。

　　4五轴刀具长度补偿

　 　ISO 6983标准中规定了刀具旋转的角度，从而也就能确定出刀具的轴向向量，因此刀具长度补偿仍然有效，长度补偿的方向即为刀具的轴向向量。从编程方面看，无 论采用哪种编程得到的数控加工程序，CNC控制器中刀具长度补偿功能对最后的加工结果都非常重要。如果刀具中心编程得到的数控程序不经过长度补偿得到主轴 端点坐标，则数控系统会将刀具中心点误认为是主轴端点，加工结果可想而知，如图5a所示。主轴端编程是根据编程中使用的刀具长度计算出来的主轴端点的运动 轨迹。实际加工时，必须保证刀具长度与编程时刀具长度相等。一旦刀具长度发生改变，

　　则刀具中心点不可能到达编程时的刀具中心，因此也需要对刀具长度变化进行补偿。如图5b所示为主轴端编程时刀具长度补偿前后对加工结果的影响。以下将讨论图5a所示刀具中心编程中的刀具长度补偿。

　 　图5a中假定加工刀具长度为l，刀具半径补偿后的刀具中心位置坐标及刀轴方位角度坐标分别为(x,y,z,ap,cp)，要求的是主轴端点坐标(xs, ys,zs)。问题关键在于刀具轴向单位向量T的求解。如图2可知，初始状态下，刀具竖直向下且平行于机床坐标系的Z轴，即T0={0,0,1}。刀具分 别绕X轴和Z轴旋转ap和cp角后刀轴单位向量为T，由坐标变换原理有



　　由式（6）可得



　　主轴端点坐标可由下式确定出



　　综合式（5）和式（8）可得图2所示结构形式的五轴联动数控机床采用刀具中心点编程时经刀具半径和长度补偿后的刀具主轴端点坐标表示为

　　将式（9）中的位置坐标和摆角坐标(ap,cp)输入插补模块即可使刀具中心按照编程轨迹运行。

　　5结语

　 　基于刀具补偿功能在五轴数控加工中的重要性，本文在分析现行编程标准对于实现刀具半径补偿功能不足的基础上，通过引入刀具半径补偿向量讨论了图2所示结 构形式的五轴联动数控机床的刀具长度和半径补偿的实现。对于其他形式的机床可以通过类似的方法分别实现刀具半径补偿和长度补偿。
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3-1 何謂薄膜沈積

在機械工業、電子工業或半導體工業領域，為了對所使用的材料賦與某種特性在材料表面上以各種方法形成被膜（一層薄膜），而加以使用，假如此被膜經由原子層 的過程所形成時，一般將此等薄膜沈積稱為蒸鍍（蒸著）處理。採用蒸鍍處理時，以原子或分子的層次控制蒸鍍粒子使其形成被膜，因此可以得到以熱平衡狀態無法 得到的具有特殊構造及功能的被膜。



薄膜沈積是目前最流行的表面處理法之一，可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理，泛指在各種金屬材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圓基板的表面上，成長一層同質或異質材料薄膜的製程，以期獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性。



薄膜沈積依據沈積過程中，是否含有化學反應的機制，可以區分為物理氣相沈積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）通常稱為化學蒸鍍。



隨著沈積技術及沈積參數差異，所沈積薄膜的結構可能是『單晶』、『多晶』、或『非結晶』的結構。單晶薄膜的沈積在積體電路製程中特別重要，稱為是『磊晶』 (epitaxy)。相較於晶圓基板，磊晶成長的半導體薄膜的優點主要有：可以在沈積過程中直接摻雜施體或受體，因此可以精確控制薄膜中的『摻質分佈』 (dopant profile)，而且不包含氧與碳等雜質。



3-2 薄膜沈積機制

薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖（一）為薄膜成長機制的說明圖。圖中首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原子才能『吸附』 (adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附 原子的『表面遷徙』(surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為『成核』(nucleation)。

原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成『核 島』(island)。核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子， 這個步驟稱為原子的『吸解』(desorption)。PVD與CVD的差別在於：PVD的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用，而CVD的吸附與吸解則 是化學性的吸附與吸解反應。

　

圖（一） 薄膜沈積機制的說明圖

3-3 物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）

PVD顧名思義是以物理機制來進行薄膜湚積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源由固態轉化為氣態，濺鍍（Sputtering），蒸鍍源則由氣態轉化為電漿態。



PVD法係以真空、測射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發，與碳化氫、氮氣等氣體作用，在加熱至400~600℃（1~3小時）的工件表面上，蒸鍍碳化 物、氮化物、氧化物、硼化物等1~10μm厚之微細粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較低，結合性稍差（無擴散結合作用），且背對金屬蒸發源之工件陰部會產生蒸鍍 不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用於經淬火－高溫回火之工、模具。若以回火溫度以下之低溫蒸鍍，其變形量極微，可維持高精密度，蒸鍍後不須再加工。表 （一）為各種PVD法的比較。



PVD蒸鍍法


真空蒸鍍


濺射蒸鍍


離子蒸鍍

粒子生成機構


熱能


動能


熱能

膜生成速率


可提高

(<75μm/min)


純金屬以外很低

(Cu：1μm/min)


可提高

(<25μm/min)

粒子


原子、離子


原子、離子


原子、離子

蒸鍍均勻性


複雜形狀


若無氣體攪拌就不佳


良好，但膜厚分佈不均


良好，但膜厚分佈不均

小盲孔


不佳


不佳


不佳

蒸鍍金屬


可


可


可

蒸鍍合金


可


可


可

蒸鍍耐熱化合物


可


可


可

粒子能量


很低0.1~0.5eV


可提高1~100eV


可提高1~100Ev

惰性氣體離子衝擊


通常不可以


可，或依形狀不可


可

表面與層間的混合


通常無


可


可

加熱（外加熱）


可，通常有


通常無


可，或無

蒸鍍速率10-9m/sec


1.67~1250


0.17~16.7


0.50~833

表一 三種PVD法之比較
物 理氣相沈積(Physical Vapor Deposition，PVD)是今日在半導體製程中，被廣泛運用於金屬鍍膜的技術。以現今之金屬化製程而言：舉凡Ti、TiW等所謂的反擴散層 (Barrier Layer)，或是黏合層(Glue Layer)；Al之栓塞(plug)及導線(Interconnects)連接，以及高溫金屬如WSI、W、Co等，都使用物理氣相沈積法來完成。雖然 小尺寸的金屬沈積以化學氣相沈積為佳，但物理氣相沈積法可說在半導體製程上，仍扮演著舉足輕重的角色。



一般來說，物理氣相沈積法可包含下列三種不同之技術：

(一) 蒸鍍(Evaporation)

(二) 分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy，MBE)

(三) 濺鍍(Sputter)



表 （二）為此三種方法之比較。由於濺鍍可以同時達成極佳的沈積效率、大尺寸的沈積厚度控制、精確的成份控制及較底的製造成本。所以濺鍍是現今矽基半導體工業 所唯一採用的方式，而且相信在可預見的將來，濺鍍也不易被取代。至於蒸鍍及分子束磊晶成長之應用，現在大約皆集中於實驗室級設備，或是化合物半導體工業 中。



性質

方法


沈積速率


大尺寸厚度控制


精確成份控制


可沈積材料之選用


整體製造成本（COO）

蒸鍍(Evaporation)


極慢


差


差


少


差

分子束磊晶成長(MBE)


極慢


差


優秀


少


差

濺鍍(Sputter)


佳


佳


佳


多


優秀

表二 三種物理氣相沈積法之比較



由於濺鍍本身受到濺射原子多元散射方向的影響，不易得到在接觸洞連續且均勻覆蓋(Conformal)的金屬膜，進而影響填洞(Hole Filling)或栓塞(Plug-In)的能力；因此，現在濺鍍技術的重點，莫不著重於改進填洞時之階梯覆蓋率(Step Coverage)，以增加Ti/TiN反擴散層/黏合層/濕潤層(wetting Layer)等之厚度，或是發展鋁栓塞(Al-plug)及平坦化製程(Planarization)，以改善元件之電磁特性，並簡化製造流程，降低成本 等。



3-3-1 蒸鍍(Evaporation)原理



蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。

在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致剝落。



3-3-2 濺鍍(Sputter)的原理



電漿(Plasma)是一種遭受部份離子化的氣體(Partially lonized Gases)。藉著

在 兩個相對應的金屬電極板(Electrodes)上施以電壓，假如電極板間的氣體分子濃度在某一特定的區間，電極板表面因離子轟擊(Ion Bombardment)所產生的二次電子(Secondary Electrons)，在電極板所提供的電場下，將獲得足夠的能量，而與電極板間的氣體分子因撞擊而進行所謂的?/span>解離 (Dissociation)?/span>，?/span>離子化(Ionization)?/span>，及?/span> 激發(Excitation)?/span>等反應，而產生離子、原子、原子團(Radicals)，及更多的電子，以維持電漿內各粒子間的濃度平 衡。（詳見表三）



1.分子分解　　(Molecular Dissociation)

ｅ－+A2→A+A+ｅ－

2.原子電離　　(Atomic Ionization)

　　　　　　ｅ－+A→A++2ｅ－

3.分子電離　　(Molecular Dissociation)

ｅ－+A2→A2++2ｅ－

4.原子激發 　(Atomic Excitation)

ｅ－+A→A*+ｅ－

5.分子激發 (Molecular Excitation)

ｅ－+A2→A2*+ｅ－

表三 二次電子與氣體分子之撞擊狀況



圖 （二）顯示一個DC電漿的陰極電板遭受離子轟擊的情形。脫離電將的帶正電荷離子，在暗區的電場加速下，將獲得極高的能量。當離子與陰電極產生轟擊之後，基 於動量轉換(Momentum Transfer)的原理，離子轟擊除了會產生二次電子以外，還會把電極板表面的原子給?/span>打擊?/span>出來，這個動作，我 們稱之為?/span>濺擊(Sputtering)?/span>

這些被擊出的電極板原子將進入電漿裡，然後利用諸如擴散 (Diffusion)等的方式，最後傳遞到晶片的表面，並因而沈積。這種利用電漿獨特的雕子轟擊，以動量轉換的原理，在氣相中(Gas Phase)製備沈積元素以便進行薄膜沈積的PVD技術，稱之為?/span>測鍍(sputtering Deposition)。?/span>基於以上的模型，測鍍的沈積機制，大致上可以區分為以下幾個步驟：

(1) 電漿內所產生的部份離子，將脫離電漿並往陰極板移動。

(2) 經加速的離子將轟撞(Bombard)在陰電極板的表面除產生二次電子外，且因此而擊出電極板原子。

(3) 被擊出的電極板原子將進入電漿內，且最後傳遞到另一個放置有晶片的電極板的表面。

(4) 這些被吸附(Adsorded)在晶片表面的吸附原子(Adatoms)，將進行薄膜的沈積。

圖（二）　　測鍍(Sputter)示意圖



3-3-3 離子化金屬電漿(Ionized Metal Plasma，簡稱IMP)



IMP技術，應用了較一般金屬測鍍高上10-100倍的電漿密度。自1996

年由Applied Materials公司推出後，立即受到廣泛的注意。

IMP的基本示意圖，如圖（三）所示，這其中包含了一組傳統的磁式直流電源(Magnetion DC Power)，以及另一組無線電頻率之交流電(RF Power)。由Magnetion DC Power產生的電漿，用來將靶極上的金屬原子濺射出來。當這些金屬原子行經濺鍍室中的空間時，若通入較高的製程氣壓，則這些金屬原子便有大幅的機會，與 氣體產生大量碰撞，因而首先被?/span>熱激化?Thermally Activated)；若與此同時，施於RF power之電磁震盪，因此加速這些金屬與氣體及電子間的碰撞，則便有大量的濺鍍金屬可被?/span>離子化?Ionized)，而不再如傳統濺 鍍的是中性原子，也因此IMP電漿密度會較一般濺鍍為高，大約是在1011至1012cm-3之間。這些離子化的濺鍍金屬，會因在晶圓台座上，所自然因電 漿而形成之自生負偏壓(Self-Bias)，而被直線加速往晶圓表面前進。如此一來，便可獲致方向性極佳的原子流量（換句話說，極優異的底部覆蓋率）， 與不錯的沈積速率。此外，我們亦可在晶圓台座上選擇性地裝上另一組RF偏壓，以期達到更佳的底部覆蓋率，並且更可藉此改變沈積薄膜的晶體結構。

圖（三）　　IMP示意圖

如上所述，濺鍍金屬被離子化的機率，取決於其停留在電漿中的時間。若停留時間愈長，則其被熱淚化與離子化的機率也愈大。通常由靶極被濺射下來的金屬原子， 都帶有極高的能量（-1到10eV）與極高的速度。這些高速原子在電漿中停留時間極短，便會到達晶圓表面，而無法被有效的離子化。因此IMP必須藉金屬原 子與氣體之有效碰撞，來減慢其速度，以增長其停留時間。也因此，IMP必須在較高的壓力下操作(~>10mtorr)，以便先增加金屬與氣體碰撞的 機會。



與傳統濺鍍相比，IMP有較低及更均勻分佈的電阻值，同時IMP亦可以沈積較少之厚度，仍可達到所需的底部覆蓋厚度。如此一來，不僅可直接減少金屬沈積的 成本，更因沈積時間亦得以縮短，整體的晶片產能率(Throughput)，將得以提高，所以製造成本(Cost of Owner ship , COO)將遠較傳統濺鍍為低。正因IMP的眾多優點，它已被眾多半導體公司寄予厚望，認為是可以運用於0.25μm以下世代的革命性製程。



3-3-4 未來PVD的發展趨勢



(1) 將PVD與CVD整合在同一系統上

隨 著元件的尺寸繼續縮小，傳統的濺鍍方法已無法勝任小於0.25μm的製程。前述的IMP，則可以提供一合適的新製程，以應用於下一代製程的需求。然而由於 現今IMP TiN製程尚未完全成熟，而嘗試利用IMP來沈積Al，則可能會因IMP的電漿溫度，接近Al的熔點，而有無法運用之憾。為了解決此一難題，相信CVD TiN以及CVD Al將會有極大的可能，與IMP同時應用，而形成一完整的PVD/CVD整合系統。舉例來說，Ti/TiN的反擴散層，可以應用IMP Ti及CVD TiN在同一系統內，依序連續使用二個沈積室來加以完成。如此不僅不需使用各別的PVD及CVD兩套設備，更可因為製程未中斷暴露於大氣之中，而避免了界 面氧化、吸濕及微塵等問題，而提高了晶片的良率與元件的電性及可靠性。



(2) 發展低溫PVD製程，以保證低介電常數之介電化合物。



(3) 當線寬0.18μm以下的世代來臨時，銅製程是否能成功地取代鋁製程以及反擴散層Ta/TaN/Wn技術是否成熟？如上所述，均是未來非常值得研究而且迫切需要發展的課題。
3-4 化學氣相沈積（化學蒸鍍）（CVD）

CVD是將反應源以氣體形式通入反應腔中，經由氧化，還原或與基板反應之方式進行化學反應，其生成物藉內擴散作用而沈積基板表面上。



CVD法係將金屬氯化物、碳化氫、氮氣等氣體導入密閉之容器內，在真空、低壓、電漿等氣氛狀況下把工作加熱至1000℃附近2~8小時，將所需之碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物等柱狀晶薄膜沈積在工件表面，膜厚約1~30μm（5~10μm），結合性良好（蒸鍍溫度高，有擴散結合現象），較複雜之形狀及小 孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重新施予淬火－回火，不適用於具尺寸精密要求之工、模具。





1.密閉容器　2.電熱爐　3.氣化器　4.固體氣化器　5.回收槽　6.旋轉泵　7.液體排出泵

圖（四）　典型之CVD裝置示意圖

3-4-1 CVD原理

在半導體製程上，CVD反應的環境，包括：溫度、壓力、氣體的供給方式、流量、氣體混合比及反應器裝置等等。基本上氣體傳輸、熱能傳遞及反應進行三方面， 亦即反應氣體被導入反應器中，藉由擴散方式經過邊界層(boundary layer)到達晶片表面，而由晶片表面提供反應所需的能量，反應氣體就在晶片表面產生化學變化，生成固體生成物，而沈積在晶片表面。



3-4-2 CVD反應機制

圖（四）顯示在化學氣相沈積程所包含的主要機制。其中可以分為下列五個主畏的步驟：(a).首先在沈積室中導入反應氣體，以及稀釋用的惰性氣體所構成的混 合氣體，『主氣流』(mainstream)、(b).主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的『邊界層』(boundary layer)而到達基板表面、(c).反應氣體原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、(d).吸附原子(adatoms)在基板表面遷徙，並且產 生薄膜成長所須要的表面化學反應、(e).表面化學反應所產生的氣庇生成物被『吸解』(desorbed)，並且往外擴散通過邊界層而進入主氣流中，並由 沈積室中被排除。



圖（五）　學氣相沈積的五個主要機制：

(a).導入反應物主氣流

(b).反應物內擴散

(c).原子吸附

(d).表面化學反應

(e).生成物外擴散及移除



3-4-3 CVD的種類與比較

在積體電路製程中，經常使用的CVD技術有：(1).『大氣壓化學氣相沈積』(atmospheric pressure CVD、縮寫APCVD)系統、(2).『低壓化學氣相沈積』(low pressure CVD、縮寫LPCVD)系統、(3).『電漿輔助化學氣相沈積』(plasma enhanced CVD、縮寫PECVD)系統。在表（四）中將上述的三種CVD製程間的相對優缺點加以列表比較，並且就CVD製程在積體電路製程中的各種可能的應用加以 歸納。

製程


優點


缺點


應用

APCVD


反應器結構簡單

沈積速率快

低溫製程


步階覆蓋能力差

粒子污染


低溫氧化物

LPCVD


高純度

步階覆蓋極佳

可沈積大面積晶片


高溫製程

低沈積速率


高溫氧化物

多晶矽

鎢，矽化鎢

PECVD


低溫製程

高沈積速率

步階覆蓋性良好


化學污染

粒子污染


低溫絕緣體

鈍化層

表四　各種CVD製程的優缺點比較及其應用



3-4-4 大氣壓化學氣相沈積系統

APCVD是在近於大氣壓的狀況下進行化學氣相沈積的系統。圖（五）是一個連續式APCVD系統的結構示意圖。圖中晶片是經由輸送帶傳送進入沈積室內以進 行CVD作業，這種作業方式適合晶圓廠的固定製程。圖中工作氣體是由中央導入，而在外圍處的快速氮氣氣流會形成『氣簾』(air curtain)作用，可藉此氮氣氣流來分隔沈積室內外的氣體，使沈積室內的危險氣體不致外洩。



APCVD系統的優點是具有高沈積速率，而連續式生產更是具有相當高的產出數，因此適合積體電路製程。APCVD系統的其他優點還有良好的薄膜均勻度，並 且可以沈積直徑較大的晶片。然而APCVD的缺點與限制則是須要快速的氣流，而且氣相化學反應發生。在大氣壓狀況下，氣體分子彼此碰撞機率很高，因此很容 易會發生氣相反應，使得所沈積的薄膜中會包含微粒。通常在積體電路製程中。APCVD只應用於成長保護鈍化層。此外，粉塵也會卡在沈積室壁上，因此須要經 常清洗沈積室。



圖（六）　大氣壓化學氣相沈積(APCVD)系統結構示意圖



3-4-5 低壓化學氣相沈積系統

低壓化學氣相沈積(LPCVD)是在低於大氣壓狀況下進行沈積。圖（六）是一個典型的低壓化學氣相沈積系統的結構示意圖。在這個系統中沈積室 (deposition chamber)是由石英管(quartz tube)所構成，而晶片則是豎立於一個特製的固定架上，這是一種『批次型式』(batch-type)的沈積製程方式。這種系統是一個熱壁系統，加熱裝 置是置於石英管外。在LPCVD系統中須要安裝一個真空幫浦，使沈積室內保持在所設定的低壓狀況，並且使用壓力計來監控製程壓力。在『三區高溫爐』(3- zone furnace)中溫度是由氣體入口處往出口處逐漸升高，以彌補由於氣體濃度在下游處的降低，所可能造成的沈積速率不均勻現象。

與APCVD系統相比較，LPCVD系統的主要優點在於具有優異的薄膜均勻度，以及較佳的階梯覆蓋能力，並且可以沈積大面積的晶片；而LPCVD的缺點則 是沈積速率較低，而且經常使用具有毒性、腐蝕性、可燃性的氣體。由於LPCVD所沈積的薄膜具有較優良的性質，因此在積體電路製程中LPCVD是用以成長 磊晶薄膜及其它品質要求較高的薄膜。



圖（七）　低壓化學氣相沈積（LPCVD）系統結構示意圖



3-4-6 電漿輔助化學氣相沈積系統

電漿輔助化學氣相沈積（PECVD）系統使用電漿的輔助能量，使得沈積反應的溫度得以降低。在PECVD中由於電漿的作用而會有光線的放射出來，因此又稱 為『輝光放射』(glow discharge)系統。圖（七）是一個PECVD系統的結構示意圖。圖中沈積室通常是由上下的兩片鋁板，以及鋁或玻璃的腔壁所構成的。臏體內有上下兩 塊鋁製電極，晶片則是放置於下面的電極基板之上。電極基板則是由電阻絲或燈泡加熱至100℃至400℃之間的溫度範圍。當在二個電極板間外加一個 13.56MHz的『射頻』(radio frequency，縮寫RF)電壓時，在二個電極之間會有輝光放射的現象。工作氣體則是由沈積室外緣處導入，並且作徑向流動通過輝光放射區域，而在沈積 室中央處由真空幫浦加以排出。



PECVD的沈積原理與一般的CVD之間並沒有太大的差異。電漿中的反應物是化學活性較高的離子或自由基，而且基板表面受到離子的撞擊也會使得化學活性提 高。這兩項因素都可促進基板表面的化學反應速率，因此PECVD在較低的溫度即可沈積薄膜。在積體電路製程中，PECVD通常是用來沈積SiO2 與Si3N4 等介電質薄膜。PECVD的主要優點是具有較低的沈積溫度；而PECVD的缺點則是產量低，容易會有微粒的污染。而且薄膜中常含有大量的氫原子。



圖（八）　電漿輔助化學氣相沈積系統的結構示意圖



3-5 CVD與PVD之比較

1. 選材：

化學蒸鍍－裝飾品、超硬合金、陶瓷

物理蒸鍍－高溫回火之工、模具鋼

2. 蒸鍍溫度、時間及膜厚比較

化學蒸鍍－1000℃附近，2~8小時，1~30μm(通常5~10μm)

物理蒸鍍－400~600℃，1~3小時，1~10μm

3. 物性比較

化學蒸鍍皮膜之結合性良好，較複雜之形狀及小孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重施予淬火－回火，不適用於具精密尺寸要求之工、模具。

不需強度要求之裝飾品、超硬合金、陶瓷等則無上述顧慮，故能適用。物理蒸鍍皮膜之結合性較差，且背對金屬蒸發源之處理件陰部會產生蒸鍍不良現象；但其蒸鍍溫度可低於工、模具鋼的高溫回火溫度，且其蒸鍍後之變形甚微，故適用於經高溫回火之精密工具、模具。
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