超精密加工

20世紀60年代為了適應核能、大規模集成電路、激光和航天等尖端技術的需要而發展起來的精度極高的加工技術。超精密加工的精度比傳統的精密加工提高了一個以上的數量級。到20世紀80年代，加工尺寸精度可達10納米(1×10-8米)，表面粗糙度達1納米。超精密加工對工件材質、加工設備、工具、測量和環境等條件都有特殊的要求，需要綜合應用精密機械、精密測量、精密伺服系統、計算機控制以及其他先進技術。工件材質必須極為細緻均勻，並經適當處理以消除內部殘餘應力,保證高度的尺寸穩定性,防止加工後發生變形。加工設備要有極高的運動精度，導軌直線性和主軸迴轉精度要達到0.1微米級,微量進給和定位精度要達到0.01微米級。對環境條件要求嚴格，須保持恆温、恆濕和空氣潔淨，並採取有效的防振措施。加工系統的系統誤差和隨機誤差都應控制在 0.1微米級或更小。這些條件是靠綜合應用精密機械、精密測量、精密伺服系統和計算機控制等各種先進技術獲得的。

主要有超精密車削、鏡面磨削和研磨等。在超精密車牀上用經過精細研磨的單晶金剛石車刀進行微量車削,切削厚度僅1微米左右，常用於加工有色金屬材料的球面、非球面和平面的反射鏡等高精度、表面高度光潔的零件。例如加工核聚變裝置用的直徑為800毫米的非球面反射鏡，最高精度可達0.1微米，表面粗糙度為Rz0.05微米。

加工精度以納米，甚至最終以原子單位(原子晶格距離為0.1～0.2納米)為目標時，切削加工方法已不能適應，需要藉助特種加工的方法，即應用化學能、電化學能、熱能或電能等，使這些能量超越原子間的結合能，從而去除工件表面的部分原子間的附着、結合或晶格變形，以達到超精密加工的目的。屬於這類加工的有機械化學拋光、離子濺射和離子注入、電子束曝射、激光束加工、金屬蒸鍍和分子束外延等。這些方法的特點是對錶面層物質去除或添加的量可以作極細微的控制。但是要獲得超精密的加工精度，仍有賴於精密的加工設備和精確的控制系統，並採用超精密掩膜作中介物。例如超大規模集成電路的製版就是採用電子束對掩膜上的光致抗蝕劑（見光刻）進行曝射，使光致抗蝕劑的原子在電子撞擊下直接聚合(或分解)，再用顯影劑把聚合過的或未聚合過的部分溶解掉，製成掩膜。電子束曝射製版需要採用工作台定位精度高達±0.01微米的超精密加工設備。

傳統的機械加工方法(普通加工)與精密和超精密加工方法一樣。隨着新技術、新工藝、新設備以及新的測試技術和儀器的採用，其加工精度都在不斷地提高。

加工精度的不斷提高，反映了加工工件時材料的分割水平不斷由宏觀進入微觀世界的發展趨勢。隨着時間的進展，原來認為是難以達到的加工精度會變得相對容易。因此，普通加工、精密加工和超精密加工只是一個相對概念?其間的界限隨着時間的推移不斷變化。精密切削與超精密加工的典型代表是金剛石切削。

以金剛石切削為例。其刀刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發展。因為它的大小直接影響到被加工表面的粗糙度，與光學鏡面的反射率直接有關，對儀器設備的反射率要求越來越高。如激光陀螺反射鏡的反射率已提出要達到99.99%，這就必然要求金剛石刀具更加鋒利。為了進行切極薄試驗，目標是達到切屑厚度nm，其刀具刃口圓弧半徑應趨近2.4nm。為了達到這個高度，促使金剛石研磨機改變了傳統的結構。其中主軸軸承採用了空氣軸承作為支承，研磨盤的端面跳動可在機牀上自行修正，使其端面跳動控制在0.5μm以下。

超精密加工(4張)

刀具方面，採用金剛石砂輪，控制背吃刀量和進給量，在超精密磨牀上，可以進行延性方式磨削，即納米磨削。即使是玻璃的表面也可以獲得光學鏡面。2精密加工和超精密加工的發展趨勢從長遠發展的觀點來看，製造技術是當前世界各國發展國民經濟的主攻方向和戰略決策，是一個國家經濟發展的重要手段之一，同時又是一個國家獨立自主、繁榮昌盛、經濟上持續穩定發展、科技上保持領先的長遠大計。科技的發展對精密加工和超精密加工技術也提出了更高的要求。從大到天體望遠鏡的透鏡，小到大規模集成電路線寬μm要求的微細工程和微機械的微納米尺寸零件，不論體積大小，其最高尺寸精度都趨近於納米;零件形狀也日益複雜化，各種非球面已是當前非常典型的幾何形狀。微機械技術為超精密製造技術引來一種嶄新的態勢?它的微細程度使傳統的製造技術面臨一種新的挑戰，促進了各種產品技術性能的提高，發展過程呈現出螺旋式循環發展，直接對科學技術的進步和人類文明作出貢獻。對產品高質量、小型化、高可靠性和高性能的追求，使超精密加工技術得以迅速發展，現已成為現代製造工業的重要組成部分。

高精度與高效率精密加工和超精密加工雖能獲得極高的表面質量和表面完整性，但以犧牲加工效率為保證。

探索能兼顧效率與精度的加工方法?成為超精密加工領球研究人員的目標。如半固着磨粒加工、電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等複合加工方法的誕生。

我國精密和超精密加工發展策略我國精密和超精密加工經過數十年的努力，日趨成熟。不論是精密機牀、金剛石工具，還是精密加工工藝已形成了一整套完整的精密製造技術系統，為推動機械製造向更高層次發展奠定了基礎。正在向納米級精度或毫微米精度邁進，其前景十分令人鼓舞。隨着科學技術的飛速發展和市場競爭日益激烈?越來越多的製造業開始將大量的人力、財力和物力投入先進的製造技術和先進的製造模式的研究和實施策略之中。

超精密加工的發展經歷瞭如下三個階段。

(1)20世紀50年代至80年代為技術開創期。20世紀50年代末，出於航天、國防等尖端技術發展的需要，美國率先發展了超精密加工技術，開發了金剛石刀具超精密切削——單點金剛石切削(Single point diamond tuming，SPDT)技術，又稱為“微英寸技術”，用於加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續推出

各自的超精密金剛石車牀，但其應用限於少數大公司與研究單位的試驗研究，並以國防用途或科學研究用途的產品加工為主。這一時期，金剛石車牀主要用於銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較複雜的工件，但只限於軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。

(2)20世紀80年代至90年代為民間工業應用初期。在20世紀80年代，美國政府推動數家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設備的商品化，而日本數家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學等也陸續推出產品，這些設備開始面向一般民間工業光學組件商品的製造。但此時的超精密加工設備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質金屬的金剛石車牀外，可加工硬質金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發出來。該技術特點是使用高剛性機構，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然，其加工效率和機構的複雜性無法和金剛石車牀相比。20世紀80年代後期，美國通過能源部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進製造技術開發計劃”對超精密金剛石切削機牀的開發研究，投入了鉅額資金和大量人力，實現了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研製出的大型光學金剛石車牀(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經典之作。這是一台最大加工直徑為1．625m的立式車牀，定位精度可達28nm，藉助在線誤差補償能力，可實現長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。

(3)20世紀90年代至今為民間工業應用成熟期。從1990年起，由於汽車、能源、醫療器材、信息、光電和通信等產業的蓬勃發展，超精密加工機的需求急劇增加，在工業界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設備的相關技術，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設備變為工業界常見的生產機器設備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產型設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應用也逐漸增廣，除了金剛石車牀和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術也被開發出來，並且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。

世界上的超精密加工強國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點並不一樣。歐美出於對能源或空間開發的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入鉅額經費，對大型紫外線、x射線探測望遠鏡的大口徑反射鏡的加工進行研究。如美國太空署(NASA)推動的太空開發計劃，以製作1m以上反射鏡為目標，目的是探測x射線等短波(O．1～30nm)。由於X射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達到埃級來提高反射率。此類反射鏡的材料為質量輕且熱傳導性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對超精密加工技術的研究相對美、英來説起步較晚，卻是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。日本超精密加工的應用對象大部分是民用產品，包括辦公自動化設備、視像設備、精密測量儀器、醫療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，具有優勢，甚至超過了美國。日本超精密加工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而後集中於計算機硬盤磁片的大批量生產，隨後是用於激光打印機等設備的多面鏡的快速金剛石切削，之後是非球面透鏡等光學元件的超精密切削。l982年上市的EastnlanKodak數碼相機使用的一枚非球面透鏡引起了日本產業界的廣泛關注，因為1枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡，光學成像系統因而小型化、輕質化，可廣泛應用於照相機、錄像機、工業電視、機器人視覺、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學產業界的研究熱點。

儘管隨時代的變化，超精密加工技術不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側重點有所不同，但促進超精密加工發展的因素在本質上是相同的。這些因素可歸結如下。

(1)對產品高質量的追求。為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發揮，就要求加工後的表面不能殘留加工變質層。按美國微電子技術協會(SIA)提出的技術要求，下一代計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0．2nm，磁盤要求表面劃痕深度h≤lnm，表面粗糙度Ra≤0．1nmp。1983年TANIGUCHI對各時期的加工精度進行了總結並對其發展趨勢進行了預測，以此為基礎，BYRNE描繪了20世紀40年代後加工精度的發展。

(2)對產品小型化的追求。伴隨着加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從1989～2001年，從6．2kg降低到1．8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導體制造設備的運動精度。零部件的小型化意味着表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質量及其完整性越來越重要。

(3)對產品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運動的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩定性、延長使用壽命。高速高精密軸承中使用的Si3N4。陶瓷球的表面粗糙度要求達到數納米。加工變質層的化學性質活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發，要求加工產生的變質層儘量小。

(4)對產品高性能的追求。機構運動精度的提高，有利於減緩力學性能的波動、降低振動和噪聲。對內燃機等要求高密封性的機械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰後，航空航天工業要求部分零件在高温環境下工作，因而採用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。

以上四個方面相互關聯，共同促進了超精密加工技術的發展。國際知名超精密加工研究單位與企業主要有，美國LLL實驗室和Moore公司、英國Granfield和Tayler公司、德國Zeiss公司、日本東芝機械、豐田工機和不二越公司等。我國從20世紀80年代初期開始研究超精密加工技術，主要的研究單位有北京機牀研究所、清華大學、哈爾濱工業大學、中國科學院長春光機所應用光學重點實驗室、大連理工大學和浙江工業大學等 ^[1]  。