現(xiàn)代超精密加工技術(shù)

1、現(xiàn)代超精密加工技術(shù)作者：佚名 文章來源：本站原創(chuàng) 點(diǎn)擊數(shù)：588 更新時(shí)間：2012/5/27 20:37:26    熱     械制造技術(shù)從提高精度與生產(chǎn)率兩個(gè)方面同時(shí)迅速發(fā)展起來。在提高生產(chǎn)率方面，提高自動(dòng)化程度是各國(guó)致力發(fā)展的方向，近年來，從C N C到C I M S發(fā)展迅速，并且在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工，這也是世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家致力發(fā)展的方向。其精度從微米到亞微米，乃至納米，其應(yīng)用范圍日趨廣泛，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。如激光核聚變系統(tǒng)、超

2、大規(guī)模集成電路、高密度磁盤、精密雷達(dá)、導(dǎo)彈火控系統(tǒng)、慣導(dǎo)級(jí)陀螺、精密機(jī)床、精密儀器、錄象機(jī)磁頭、復(fù)印機(jī)磁鼓、煤氣灶轉(zhuǎn)閥等都要采用超精密加工技術(shù)。 它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，超精密加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。 1超精密加工技術(shù)概述 超精密加工目前就其質(zhì)來說是要實(shí)現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達(dá)不到的高精度加工，就其量來說是要加工出亞微米乃至毫微米級(jí)的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級(jí)的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要視零件大小、復(fù)雜程度以及是否容易變形等因素而定。 超精密加工主要包

3、括超精密切削(車、銑) 超精密磨削、超精密研磨(機(jī)械研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、研拋、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等)以及超精密特種加工(電子束、離子束以及激光束加工等)。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達(dá)不到的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。每種超精密加工方法都是針對(duì)不同零件的要求而選擇的。 11超精密切削加工 超精密切削加工的特點(diǎn)是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，且能刃磨得非常鋒利(刃口圓弧半徑可小于 001 m，實(shí)際應(yīng)用一般0，05 m) 可加工出優(yōu)于Ra001 m的表面粗糙度。此外，超精密切削加工還采用了高精度的基礎(chǔ)元部件(如空氣軸承、氣浮

4、導(dǎo)軌等)、高精度的定位檢測(cè)元件(如光柵、激光檢測(cè)系統(tǒng)等)以及高分辨率的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。機(jī)床本身采取恒溫、防振以及隔振等措施，還要有防止污染工件的裝置。機(jī)床必須安裝在潔凈室內(nèi)。進(jìn)行超精密切削加工的零件材料必須質(zhì)地均勻，沒有缺陷。在這種情況下加工無氧銅，表面粗糙度可達(dá)到Ba0005m，加工800mm的非球面透鏡，形狀精度可達(dá)02m。超精密加工技術(shù)在航空航天、光學(xué)及民用等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛(見表1) 并向更高精度等方向發(fā)展(見表2)。 12超精密磨削 超精密磨削技術(shù)是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。超精密磨削不僅要提供鏡面級(jí)的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。為此，除要考慮各種工藝因素外，

5、還必須有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基準(zhǔn)部件，消除各種動(dòng)態(tài)誤差的影響，并采取高精度檢測(cè)手段和補(bǔ)償手段。 目前超精密磨削的加工對(duì)象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目標(biāo)是范成35nm的平滑表面，也就是通過磨削加工而不需拋光即可達(dá)到要求的表面粗糙度。作為納米級(jí)磨削加工，要求機(jī)床具有高精度及高剛度，脆性材料可進(jìn)行可延性磨削(Ductile Grinding)。納米磨削技術(shù)對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是對(duì)要求高疲勞強(qiáng)度材料(如飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技術(shù)。 此外，砂輪的修整技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。盡管磨削比研磨更能有效地去除物質(zhì)，但在磨削玻璃或陶瓷時(shí)很難獲得鏡面，主要是由于

6、砂輪粒度太細(xì)時(shí)，砂輪表面容易被切屑堵塞。日本理化學(xué)研究所學(xué)者大森整博士發(fā)明的電解在線修整(ELID)鑄鐵纖維結(jié)合劑(CIFB)砂輪技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問題。當(dāng)前的超精密磨削技術(shù)能加工出00 1m圓度， O1m尺寸精度和Ra0005m粗糙度的圓柱形零件，平面超精密磨削能加工出003m100mm的平面。 13超精密研磨 超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度達(dá)0025ttm，表面粗糙度達(dá) RaO003m。利用彈性發(fā)射加工可加工出無變質(zhì)層的鏡面，粗糙度可達(dá)5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度為200的零件。超精密研磨的的

7、關(guān)鍵條件是幾乎無振動(dòng)的研磨運(yùn)動(dòng)、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。此外高精度檢測(cè)方法也比不可少。 14超精密特種加工 141電子束加工 離子束加工是指在真空中將陰極(電子槍)不斷發(fā)射出來的負(fù)電子向正極加速，并聚焦成極細(xì)的、能量密度極高的束流，高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到工件表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走?？刂齐娮邮膹?qiáng)弱和偏轉(zhuǎn)方向，配合工作臺(tái) X Y方向的數(shù)控位移，可實(shí)現(xiàn)打孔、成型切割、刻蝕、光刻曝光等工藝。集成電路制造中廣泛采用波長(zhǎng)比可見光短得多的電子束光刻曝光，所以可以達(dá)到高達(dá) O.25m的線條圖形分辨串。 142離子束加工 在真空將離子源產(chǎn)生的離子加速、聚

8、焦使之撞擊工件表面。由于離子是帶正電荷且質(zhì)量比電子大數(shù)千萬倍，加速以后可以獲得更大的動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的，可用于表面刻蝕、超凈清洗，實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的切削加工。 143激光束加工 由激光發(fā)生器將高能量密度的激光進(jìn)一步聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)能量密度的高低，可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、加工精微防偽標(biāo)志等。 144微細(xì)電火花加工 電火花加工是指在絕緣的工作液中通過工具電極和工件間脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)局部高溫來熔化和氣化去除金屬的。加工過程中工具與工件間沒有宏觀的切削力，只要精密地控制單個(gè)脈沖放電能量并配合精密微量進(jìn)給就可實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金

9、屬材料的去除，可加工微細(xì)軸、孔、窄縫、平面以及曲面等。 145微細(xì)電解加工 導(dǎo)電的工作液中水離解為氫離子和氫氧根離子，工件作為陽極，其表面的金屬原子成為金屬正離子溶入電解液而被逐層地電解下來，隨后即與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)形成金屬氫氧化物沉淀，而工件陰極并不損耗，加工過程中工具與工件間也不存在宏觀的切削力，只要精細(xì)地控制電流密度和電解部位，就可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的電解加工，而且表面不會(huì)加工應(yīng)力。常用于鏡面拋光、精密減薄以及一些需要無應(yīng)力加工的場(chǎng)合。 146復(fù)合加工 復(fù)合加工是指采用幾種不同能量形式、幾種不同的工藝方法，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短、復(fù)合作用的加工技術(shù)，例如電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨

10、、超聲電火花、超聲切削加工等，可比單一加工方法更有效，適用范圍更廣。2納米技術(shù)(Nanotechnology) 21概述 隨著生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空、航天、精確制導(dǎo)彈藥、靈巧武器、先進(jìn)情報(bào)傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷發(fā)展，在結(jié)構(gòu)裝置微小型化方面不斷提出更新、更高的要求。目前，納米技術(shù)發(fā)展十分迅猛，它使人類在改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次。它將開發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)能力，使單位體積物質(zhì)存儲(chǔ)和處理信息的能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，從而給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事能力帶來深遠(yuǎn)的影響。 納米技術(shù)是指納米級(jí)(10納米)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展。開創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械

11、學(xué)、納米制造學(xué)、納米顯微學(xué)及納米測(cè)量等等新的高技術(shù)群。納米技術(shù)是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，有著廣闊的軍民兩用前景。美國(guó)、日本及西歐等國(guó)家均投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)，并己在航空、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng)用。 211微型機(jī)電系統(tǒng)( microelectronmechanical systems， MEMS) 10年前，人們意識(shí)到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機(jī)械系統(tǒng)的微米尺度的樣機(jī)后，就在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開始了新的研究，這導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以及各種閥門等。 MEMS主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)、電于工業(yè)和航空、航天。如用靜電驅(qū)動(dòng)的微型

12、電機(jī)控制計(jì)算機(jī)及通訊系統(tǒng)。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，微型傳感器可以測(cè)量各種化學(xué)物質(zhì)的流量、壓力和濃度。在軍事主要有以下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警傳感器、敵我識(shí)別、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲平臺(tái)等應(yīng)用。 21.2專用集成微型儀器( application specific integrated micro-instrument， ASIM) 微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度結(jié)構(gòu)的傳感器和動(dòng)作器的設(shè)計(jì)、材料合成、微型機(jī)械加工、裝配、總成和封裝問題。利用這項(xiàng)技術(shù)可以把傳感器、動(dòng)作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的基片上。微型機(jī)電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成，導(dǎo)致了專用集成微型儀

13、器(ASIM)的出現(xiàn)。 具有亞微米特點(diǎn)的ASIM會(huì)使亞毫米器件降低研制與試驗(yàn)費(fèi)用、縮小體積、減輕重量，同時(shí)還可以降低對(duì)電源和溫控的要求，降低對(duì)振動(dòng)的靈敏性和通過冗余提高可靠性。 ASIM將在航天器和航天系統(tǒng)技術(shù)方面引起一場(chǎng)革命，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)“納米衛(wèi)星”。 213材料工程及功能織物 在材料工程方面，已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)與控制一種材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得所要求的宏觀性能。因此，對(duì)于材料的分子、原子結(jié)構(gòu)，以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測(cè)試，以成為當(dāng)今材料工程中不可缺少的技術(shù)。 利用納米粒子的催化特性、極大的化學(xué)活性、極大的表面積、優(yōu)異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品，如

14、抗紫外線、抗可見光、抗紅外線、抗電磁等的功能織物。 此外，納米技術(shù)在微電子工程、生物遺傳工程、微機(jī)械光學(xué)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。 22納米加工技術(shù) 正如制造技術(shù)在當(dāng)今各領(lǐng)域所起的重要作用一樣，納米加工技術(shù)在納米技術(shù)的各領(lǐng)域中也起著關(guān)鍵作用。納米加工技術(shù)包含機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工以及 STM加工等許多方法。關(guān)于納米加工技術(shù)目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，尺寸為納米級(jí)(10納米)的材料的加工和使用稱為納米加工。加工表面粗糙度為納米級(jí)的也稱為納米加工。筆者認(rèn)為所謂納米加工技術(shù)是指零件加工的尺寸精度、形狀精度以及表面粗糙度均為納米級(jí)(10納米)。通過以下加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工。 221超精密

15、機(jī)械加工技術(shù) 超精密機(jī)械加工方法有單點(diǎn)金剛石和CBN超精密切削、金剛石和CBN超精密磨削等多點(diǎn)磨料加工，以及研磨、拋光、彈性發(fā)射加工等自由磨料加工或機(jī)械化學(xué)復(fù)合加工等。 目前利用單點(diǎn)金剛石超精密切削加工已在實(shí)驗(yàn)室得到了3納米的切屑，利用可延性磨削技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)磨削，而通過彈性發(fā)射加工等工藝則可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的去除，得到埃級(jí)的表面粗糙度。 222能量束加工技術(shù) 能量束加工可以對(duì)被加工對(duì)象進(jìn)行除、添加和表面處理等工藝，主要包括離子束加工、電子束加工和光束加工等，此外電解射流加工、電火花加工、電化學(xué)加工、分子束外延、物理和化學(xué)氣相淀積等也屬于能量束加工。 離子束加工濺射去除、沉淀和表面處理，離子

16、束輔助蝕刻亦是用于納米級(jí)加工的研究開發(fā)方向。與固體工具切削加工相比，離子束加工的位置和加工速率難以確定，為取得納米級(jí)的加工精度，需要亞納米級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)與加工位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電子束加工是以熱能的形式去除穿透層表面的原子，可以進(jìn)行刻蝕、光刻曝光、焊接、微米和納米級(jí)鉆削和銑削加工等。 223 LIGA技術(shù)( Lithographie， Galvanoformung， Abformung) LIGA工藝是由深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型、塑鑄成型等技術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)，其最基本和最核心的工藝是深度同步輻射光刻，而電鑄和塑鑄工藝是LIGA產(chǎn)品實(shí)用化的關(guān)按。用LIGA技術(shù)可以制作各種微器件、微裝置

17、，己研制成功或正在研制的LIGA產(chǎn)品有微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、集成光學(xué)和微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械、納米技術(shù)元件及系統(tǒng)等。 LIGA產(chǎn)品的應(yīng)用涉及面廣泛，如加工技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、汽車及交通技術(shù)、電力及能源技術(shù)、航空及航天技術(shù)、紡織技術(shù)、精密工程及光學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和化學(xué)工程等。 224掃描隧道顯微鏡( STM)技術(shù) Cbinning和HRobrer發(fā)明的掃描隧道顯微鏡不但使人們可以以單個(gè)原子的分辨率觀測(cè)物體的表面結(jié)構(gòu)，而且也為以單個(gè)原子為單位的納米級(jí)加工提供了理想途徑。應(yīng)用掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以進(jìn)行原于級(jí)操作、裝配和改型。S T M將非常尖

18、銳的金屬針接近試件表面至1nm左右，施加電壓時(shí)隧道電流產(chǎn)生，隧道電流每隔01nm變化一個(gè)數(shù)量級(jí)。保持電流一定掃描試件表面，即可分辨出表面結(jié)構(gòu)。一般隧道電流通過探針尖端的一個(gè)原子，因而其橫向分辨率為原于級(jí)。 掃描隧道顯微加工技術(shù)不僅可以進(jìn)行單個(gè)原于的去除、添加和移動(dòng)，而且可以進(jìn)行STM光刻、探針尖電子束感應(yīng)的沉淀和腐蝕等新的 S T M加工技術(shù)。 23納米測(cè)控技術(shù) 實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工離不開納米級(jí)的測(cè)量技術(shù)，而這二者都離不開控制技術(shù)，超高精度的定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制的關(guān)鍵。 231納米測(cè)量技術(shù) 以表面性貌等為測(cè)量對(duì)象，納米級(jí)測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向有光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描顯微技術(shù)。掃描隧道顯微鏡可以直接

19、觀測(cè)原子尺度結(jié)構(gòu)，垂直分辨率達(dá)到O1nm，近年來在 S T M的基礎(chǔ)上又派生出一系列的掃描探針顯微技術(shù)，如光子掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯'微鏡(MFM) 掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM) 橫向力顯微鏡(LFM)、彈導(dǎo)電子發(fā)射顯微鏡(BEEM) 光于掃描隧道顯微鏡(PSTM)、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)等等。 232納米定位控制技術(shù) 在納米級(jí)測(cè)量與加工中，需要納米級(jí)的三維定位與控制。目前用一個(gè)執(zhí)行元件來實(shí)現(xiàn)大范圍的納米級(jí)定位是比較困難的。因此，實(shí)際的定位機(jī)構(gòu)多采用大位移用的執(zhí)行元件和納米定位用的執(zhí)行元件相組合方式來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)三維定位與控制，目前普遍采用壓電陶瓷致動(dòng)器

20、件，它在微米級(jí)的極小范圍內(nèi)通過控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)近似的三維驅(qū)動(dòng)。此外，利用電致材料、靜電或磁軸承式結(jié)構(gòu)，以及靜電致動(dòng)的高精度定位控制技術(shù)也向納米級(jí)精度發(fā)展，也可采用摩擦驅(qū)動(dòng)裝置和絲杠定位元件通過特殊的方法也納米級(jí)的定位。 3非球面曲面超精密加工技術(shù) 31概述 非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，最常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件具有球面光學(xué)零件所無可比擬的良好的成象質(zhì)量。應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種象差，改善儀器成象質(zhì)量，提高儀器鑒別能力，增大作用距，它能以一個(gè)或幾個(gè)少量的非球面零件代替較多的球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本，并有效的減輕儀器重量，在航空、航天等

21、領(lǐng)域，由于近年來非球面雷達(dá)天線、非球面透鏡、反射鏡的應(yīng)用，使產(chǎn)品的性能得到了極大提高。衛(wèi)星中的先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、高分辨串的電視攝像系統(tǒng)、高靈敏度的紅外傳感系統(tǒng)等，其光學(xué)系統(tǒng)中都離不開非球面透鏡。慣導(dǎo)器件的關(guān)鍵部件激光陀螺中由于采用了非球面反射鏡，不僅大大縮小了體積，更重要的是大大提高了控制精度以及控制穩(wěn)定性。紅外拋物面反射鏡是紅外探測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其加工精度對(duì)導(dǎo)彈引爆距離的一致性影響很大。在民用方面激光核聚變可以提供長(zhǎng)期的、清潔的、經(jīng)濟(jì)的能源，生產(chǎn)廉價(jià)的核燃料。其中關(guān)鍵部件之一的激光核聚變反射鏡即為一非球面反射鏡，采用非球面反射鏡替代成組透鏡，主要減少了反射次數(shù)，減小了功率損失?？臻g探測(cè)

22、用的哈勃宇宙望遠(yuǎn)鏡中直徑24ln，重達(dá)卯OK8的大型非球面反射鏡采用了磨削、拋光加工，形狀精度可達(dá)O01LLm。 非球面光學(xué)零件在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用更為廣泛，其范圍涉及到攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、錄象機(jī)鏡頭、錄象和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光釬通信的光釬接頭、醫(yī)療儀器等等。 從上述的論述中我們可以看到無論在機(jī)載設(shè)備、衛(wèi)星、慣性制導(dǎo)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光制導(dǎo)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)、激光核聚變等方面都離不開非球面零件，所以盡快提高我國(guó)非球面曲面的超精密加工技術(shù)成了當(dāng)務(wù)之急，這有利于提高我國(guó)的航空、航天、武器系統(tǒng)等國(guó)防工業(yè)的水平。 這些加工方法，基本上解決

23、了各種非球面鏡的加工問題，前五種方法都運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，加工零件精度較高，加工效率高，能批量生產(chǎn)。非球面曲面根據(jù)材料的不同采用不同的加工方法。對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，目前可以利用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)進(jìn)行超精密加工。對(duì)于玻璃或塑料等，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生產(chǎn)非球面曲面。對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通過超精密磨削和超精密研磨、拋光進(jìn)行加工。此外，還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。 32國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r非球面曲面的精密、超精密加工要從CNC超精密機(jī)床談起。 CNC超精密加工技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)得到了很大發(fā)展，主要都是基于航空、航天

24、、軍事、能源等方面的應(yīng)用，英國(guó)Cranfield大學(xué)的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛石鏡面切削機(jī)床可以加工大型X射線天體望遠(yuǎn)鏡所用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長(zhǎng)度 600mm的圓錐鏡)。 該研究所還研制成功了可加工X射線望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面的金剛石切削機(jī)床。哈勃望遠(yuǎn)鏡上的大型非球面反射鏡超精密加工所用的 OAGM2500六軸 CNC超精密磨床的研制也正是出自該實(shí)驗(yàn)室，該機(jī)床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，其加工形狀精度可達(dá)到01m。代表當(dāng)今最高水平的超精密金剛石車床LODTM于1984年在美國(guó)勞倫斯利佛莫爾(LLNl)實(shí)驗(yàn)室研制成功，它可加

25、工直徑達(dá)2l00mm，重達(dá)4500Kg的工件，其加工精度可達(dá) 025m，表面粗糙度Rmax00076m，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于激光核聚變工程的零件，紅外線裝置用零件以及大型天體反射鏡的加工。荷蘭PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金剛石車床COLATH，主要用于非球面塑料透鏡的加工，加工精度在05m以下，表面粗糙度Ra O02m。此外，對(duì)于硬脆材料的非球面形狀的加工，超精密研磨、拋光也是一種有效的手段，日本在這方面投入的資金和人員較多，取得了一定成果。運(yùn)用特種加工技術(shù)如離子束拋光、彈性發(fā)射加工等，可明顯提高加工表面質(zhì)量。美國(guó) Frankfurt兵工廠采用氬離子

26、束拋光火控系統(tǒng)用的高精度非球面鏡，精度達(dá)到O02。 目前，國(guó)外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集一體，開發(fā)研制出復(fù)合超精密加工機(jī)床。 Rank Pneumo公司生產(chǎn)的NANOFORM600以及CUPE研制的NANOCENTRE都具有以上加工功能，這樣使非球面零件的加工更加靈活。 目前國(guó)外各種非球面加工工藝正處于比較成熟階段，從大到幾米直徑小到幾毫米直徑，從單件到大批量，從高精度到一般精度的非球面光學(xué)零件都能加工。相比之下，我國(guó)仍主要采用傳統(tǒng)的加工工藝，需依賴有經(jīng)驗(yàn)的非球面加工技術(shù)工人，利用刀口儀和箱密拋光工具，逐點(diǎn)修磨拋光加工出非球面曲面。工藝需要幾個(gè)月，重復(fù)性差，加工成本高，只

27、適用于單件和極小批量的生產(chǎn)，僅能滿足研究所和學(xué)校的單件試制要求。 國(guó)內(nèi)從八十年代初開始了超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了二十年。其中開展研究工作較好的單位有北京密云機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)防科工委于1992年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所建立了國(guó)內(nèi)第一家超精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這些單位為我國(guó)超精密加工技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)，但對(duì)于非球面加工來說，目前國(guó)內(nèi)基本還是一片空白。長(zhǎng)春光機(jī)所前幾年引進(jìn)了Rank Pneumo公司的MSG325 CNC超精密車床，主要用來加工一些金屬、光學(xué)零件，但這臺(tái)設(shè)備目前看來己落后于國(guó)際水平，不能滿

28、足國(guó)防工業(yè)的需要，而繼續(xù)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，一是受到許多限制，二是這樣只能永遠(yuǎn)落后于別人，不利于我國(guó)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展。所以國(guó)家必須投入充足的人力、物力，才能使我國(guó)的超精密加工技術(shù)特別是非球面的超精密加工技術(shù)在較短時(shí)間內(nèi)能很快適應(yīng)航空、航天、武器等國(guó)防現(xiàn)代化的需要。 4精密偶件超精密加工技術(shù) 41概述 精密偶件技其形狀可分為圓柱面偶件、平面偶件、球面偶件和導(dǎo)形柱面偶件。精密偶件在航空航天、精密機(jī)械、精密儀器、能源交通等部門的應(yīng)用十分廣泛，就其專業(yè)性質(zhì)來說，液壓工業(yè)應(yīng)用最多。根據(jù)偶件的材料、精度、使用場(chǎng)合及批量的不同有各種加工方法。對(duì)于平面偶件，主要采用超精密磨削、研磨或超精密車削等，對(duì)于圓柱面及球

29、面偶件主要采用研磨、磨削、滾壓、傷磨、金剛石及CBN鉸削等工藝。 精密偶件制造技術(shù)的發(fā)展也是精密加工、超精密加工技術(shù)時(shí)發(fā)展過程，60年代美國(guó)制成第一臺(tái)具有0025m的進(jìn)給分辨率、加工圓度到O125m的外圓磨床。精密偶件的加工逐漸步入了超精密加工范疇，隨后各種精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展使精密偶件的制造技術(shù)不斷發(fā)展。 用超精密加工技術(shù)解決精密偶件的加工，己引起了國(guó)外的重視，特別是在軍事工業(yè)中投入了大量人力、物力來解決精密偶件的制造技術(shù)問題。目前利用超精密加工技術(shù)來解決精密偶件制造中的關(guān)鍵問題，尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)一些單位主要利用高精度磨床進(jìn)行偶件磨別，也利用超精密技術(shù)改裝原有精密設(shè)備使之提高精度，

30、國(guó)內(nèi)尚無真正的超精密磨床、超精密研磨機(jī)等超精密加工設(shè)備。目前，三O三所針對(duì)航空、航天、艦艇及武器系統(tǒng)等制造技術(shù)的需要，在國(guó)防科技超精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，研制了一系列的超精密加工設(shè)備(包括超精密車、鏜、外圓磨、超精密平磨、超精密研磨機(jī)、超精密金剛石研磨機(jī))以及軸向配磨裝置等，并進(jìn)一步進(jìn)行工藝研究。 42研究?jī)?nèi)容 421內(nèi)、外圓柱偶件及平面偶件超精密車削、 鏜削及磨削技術(shù)研究 該項(xiàng)技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)，如陀螺儀零件、油泵轉(zhuǎn)子、配油盤、平面反射鏡等生產(chǎn)，解決有色金屬圓柱形偶件及平面偶件的加工。422圓柱偶件的外因磨削技術(shù)研究 進(jìn)行超精密外因磨削的裝置的研究，并研究超精密磨削中的砂輪修 整、動(dòng)

31、平衡、尺寸控制、溫度控制及超精密磨削工藝。上述技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)，如伺服伺服閥柱塞、慣導(dǎo)零件、振動(dòng)筒等生產(chǎn)，可用于黑色金屬及其它高硬度材料的圓柱形偶件的加工。423大批量外因、柱體、球及平面偶件的超精密研磨技術(shù) 進(jìn)行可用于大批量生產(chǎn)用的研磨圓柱體、球及平面的超精密研磨裝置及其相應(yīng)加工工藝的研究，此技術(shù)可用于柱塞泵、慣導(dǎo)中超精密軸承精化、平面反射鏡等元件的加工，可直接用于生產(chǎn)。424內(nèi)孔的金剛石及CBN超硬磨料超精密研、珩技術(shù)研究 進(jìn)行超精密外因磨削工藝與ELID修整工藝的研究，使研珩工具的精度達(dá)到超精密水平，從而使加工零件達(dá)到更高水平以解決現(xiàn)在圓拄內(nèi)孔加工的技術(shù)難點(diǎn)。研制出一套超精密研、珩

32、工具及加工工藝方法，提供超精密研、珩工具及夾具，可直接用于生產(chǎn)。5 結(jié)論 超精密加工技術(shù)自五十年代發(fā)展至今，已有四十年的歷史。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及零件的出現(xiàn)、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技術(shù)在原有的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，如提高傳統(tǒng)超精密加工的精度，并提出新的超精密加工工藝，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。技術(shù)、市場(chǎng)、成本，是制約我國(guó)超精密加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一，直接影響到一個(gè)國(guó)家尖端技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，并且已成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)，因此世界各國(guó)對(duì)此都極為重視，投入很

33、大力量進(jìn)行研究開發(fā)，同時(shí)實(shí)行技術(shù)保密，控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備出口。 那么，我國(guó)超精密加工技術(shù)現(xiàn)狀如何？與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比有哪些差距？制約我國(guó)超精密技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素有哪些？.2009年初春，我們帶著對(duì)我國(guó)尖端制造業(yè)的關(guān)注走訪了北京航空精密機(jī)械研究所（303所）的楊輝老師。    超精密加工技術(shù)的3個(gè)發(fā)展階段    超精密加工技術(shù)從問世之初，其目的就是服務(wù)于軍工、服務(wù)于國(guó)防，然而隨著全球戰(zhàn)略格局的變化，超精密加工技術(shù)作為基礎(chǔ)技術(shù)，逐漸向民用方向發(fā)展。按照應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展方向來分，國(guó)外超精密加工技術(shù)經(jīng)歷了以下3個(gè)發(fā)展階段。 

34、60;  （1）技術(shù)初創(chuàng)期（1960-1980）：以國(guó)防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主，大多處于實(shí)驗(yàn)階段。此一時(shí)期的標(biāo)志為美國(guó)的Union Carbide公司、荷蘭Philips公司和美國(guó)的Lawrence Livermore Laboratories的超精密金剛石車床陸續(xù)研制成功。典型用途如激光聚變的軟質(zhì)金屬非球面反射鏡的加工等。    （2）民用工業(yè)應(yīng)用初期（1980-1990）：超精密加工機(jī)商品化，以專用機(jī)床形式訂做，進(jìn)入一般民用光學(xué)組件商品的制造。代表為美國(guó)Moore Special Tool和Pneumo Precision公司，日本的Tos

35、hiba和Hitachi公司，歐洲的Cranfield University等。典型應(yīng)用如加工軟性金屬的金剛石車床，可加工硬質(zhì)金屬和硬材料的超精密金剛石磨削和超精密研磨拋光技術(shù)等。    （3）民用工業(yè)應(yīng)用成熟期（1990至今）：從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通訊等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工設(shè)備需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶圓切割等。在這一時(shí)期，超精密加工機(jī)床的相關(guān)技術(shù)例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承超精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)、直

36、線電機(jī)驅(qū)動(dòng)等也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司也紛紛推出量產(chǎn)型機(jī)床，設(shè)備價(jià)格大幅度下降。在這一期間，除了生產(chǎn)機(jī)型和數(shù)量之急劇增加外，機(jī)器精度也逐漸接近納米級(jí)水平而加工行程也更加變大，而加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨拋光外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且加以加工非軸對(duì)稱非球面光學(xué)鏡片如應(yīng)用于X-ray光學(xué)系統(tǒng)的Troidal鏡片。    我國(guó)的超精密加工技術(shù)的起步是在上個(gè)世紀(jì)70年代，較早開始超精密加工技術(shù)研究單位有北京機(jī)床所、303所、230廠，以及哈工大、國(guó)防科技大學(xué)等高校。20世紀(jì)90年代可以說是我國(guó)超

37、精密加工技術(shù)研究的黃金年代，一方面國(guó)內(nèi)參與超精密加工技術(shù)研究的單位大大增加，另一方面超精密加工技術(shù)的研究范圍也大大拓展，如在初期研究的基礎(chǔ)上開展了對(duì)超精密加工機(jī)理、刀具及超精密加工工藝等研究。此一時(shí)期超精密加工技術(shù)可謂成果累累，機(jī)床的種類逐漸增多，研究水準(zhǔn)逐漸提高，某些基礎(chǔ)研究逐漸達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，如303所陸續(xù)研制成功了各類超精密加工設(shè)備等。目前國(guó)內(nèi)超精密加工技術(shù)的水平應(yīng)該屬于技術(shù)初創(chuàng)期向民用工業(yè)應(yīng)用初期轉(zhuǎn)換時(shí)期。    我國(guó)超精密加工與國(guó)際相比差距很大     在超精密加工技術(shù)方面，由于我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)底子薄，工業(yè)化程度低，以及超精

38、密加工的技術(shù)要求高等因素，目前與國(guó)際先進(jìn)水平還有較大的差距。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：    （1）對(duì)于超精密確定性加工如車削、磨削等，依賴的是設(shè)備精度，與國(guó)外還存在較大的差距。如非球面超精密加工設(shè)備，國(guó)內(nèi)目前只能做到300mm口徑，超精密磨削差距更大。硬脃材料的加工目前國(guó)內(nèi)主要通過磨削還必須進(jìn)行研磨拋光，國(guó)外可以直接磨削達(dá)到要求。    （2）研磨拋光：航天衛(wèi)星上的光學(xué)鏡片無論從口徑尺寸、加工精度、材料等方面都接近于國(guó)際先進(jìn)水平，但是依靠的是人的因素。然而對(duì)于一些先進(jìn)的加工工藝，如磁流變拋光、進(jìn)動(dòng)氣囊拋光、離子束拋光等由于設(shè)備的原因，

39、與國(guó)外的差距較大。    （3）納米級(jí)制造技術(shù)是超精密加工技術(shù)的頂峰，美國(guó)、日本和英國(guó)正在進(jìn)行一些納米技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目的研究，并且已經(jīng)初步獲得了一些進(jìn)展。    產(chǎn)生這種差距的關(guān)鍵因素    我國(guó)的超精密加工技術(shù)研究近年來雖然取得了很大的發(fā)展，但在國(guó)內(nèi)目前成果轉(zhuǎn)化工作還不理想，如超精密加工設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化問題、金鋼石切削工具的刃磨修磨、精密模具制造等等。制約我國(guó)超精密加工技術(shù)發(fā)展的因素，主要有以下幾個(gè)：    （1）技術(shù)因素：國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度還不夠。對(duì)超精密加工設(shè)備的研制，基本上屬于樣

40、機(jī)階段，在工程化程度、可靠性、外觀等方面還有許多工作要做，讓客戶接受有一定的難度。與國(guó)外引進(jìn)設(shè)備相比，國(guó)產(chǎn)超精密加工設(shè)備價(jià)格昂貴，工藝不成熟、不穩(wěn)定。    （2）市場(chǎng)因素：超精密加工技術(shù)前些年主要應(yīng)用于軍工行業(yè)的高精度零件加工，屬于單件小批量生產(chǎn)。近年來隨著民用行業(yè)如數(shù)碼、辦公自動(dòng)化等產(chǎn)品中的光學(xué)鏡頭模具大規(guī)模應(yīng)用，促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的工程化應(yīng)用。但是，由于目前我國(guó)尚未掌握主流數(shù)碼設(shè)備的核心部件技術(shù)，這些核心元器件大量依賴進(jìn)口，從而進(jìn)一步影響國(guó)內(nèi)的超精密加工市場(chǎng)。    （3）成本與投入因素：超精密加工技術(shù)是屬于高投入的高技術(shù)，無

41、論從環(huán)境建設(shè)、設(shè)備配置、以及后期運(yùn)行成本等方面都需要大量資金投入。目前在預(yù)先研究這一塊投入的資金、精力較多，而對(duì)于工程化這一塊投入不夠。    單從技術(shù)因素上來說，實(shí)現(xiàn)超精密加工需要很多條件，如加工機(jī)理、被加工材料、加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件、加工工具、檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、工作環(huán)境、工藝過程設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、人的技藝等。    （1）加工機(jī)理：近年來出現(xiàn)了一些非傳統(tǒng)加工或者是復(fù)合加工工藝，都是在加工機(jī)理上有所創(chuàng)新的，新的加工機(jī)理出現(xiàn)，標(biāo)志著一種技術(shù)突破，往往是新技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn)。    （2）加工材料：適用于超精密加工

42、的被加工材料在化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能上均有嚴(yán)格要求，如應(yīng)該質(zhì)地均勻、成分準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、一致，無外部和內(nèi)部微觀缺陷，應(yīng)控制其雜質(zhì)含量或不含雜質(zhì)等。    （3）加工設(shè)備及其元部件：高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和保持性、高自動(dòng)化。超精密加工設(shè)備與其基礎(chǔ)元部件及其集成技術(shù)密切相關(guān)，一方面，只有優(yōu)良的基礎(chǔ)元部件才能有優(yōu)良的加工設(shè)備；另一方面，優(yōu)良的基礎(chǔ)元部件可以快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，縮短精密加工和超精密加工設(shè)備的開發(fā)周期。    （4）加工工具：加工工具主要是指刀具、磨具、刃麿、修整裝置。超硬金剛石刀具的設(shè)計(jì)、刃磨等，黑色金屬超精密切削的刀具選擇，微粉金剛石砂輪的在線修整等，研磨拋光的磨料選擇。    （5）檢測(cè)與誤差補(bǔ)償：精密和超精密加工必須具備相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)和手段，不僅要檢測(cè)零件的精度和表面粗糙度，而且要檢測(cè)加工設(shè)備及基礎(chǔ)元部件的精度。    （6）工作環(huán)境：精密加工和超精密加工的工作環(huán)境對(duì)加工質(zhì)量的影響很大，因此，工作環(huán)境是保證加工質(zhì)量的必