超精密加工發(fā)展與展望

1、超精密加工的發(fā)展和展望精密和超精密制造工程是適應(yīng)前沿高技術(shù)發(fā)展需求而發(fā)展起來 的。它是一個國家重要經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)，是其它高新技術(shù)實(shí)施 的基礎(chǔ)。超精密制造技術(shù)是當(dāng)前各個工業(yè)國家發(fā)展的核心技術(shù)之一, 各技術(shù)先進(jìn)國家在高技術(shù)領(lǐng)域（如國防工業(yè)、集成電路、信息技術(shù)產(chǎn) 業(yè)等）之所以一直領(lǐng)先，與這些國家高度重視和發(fā)展超精密制造技術(shù) 有極其重要的關(guān)系。超精密制造技術(shù)是隨著測量技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。renishaw. heidenhain及sony等公司發(fā)展了分辨率均可以達(dá)到1 nm的測量元件; 美國hp公司、英國taylor.美國zygo等公司的測量儀器均可以滿 足納米測量的需求。超精密制造技術(shù)在國際上已

2、經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。與國防工業(yè)有關(guān)的 如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和遙測部件、被送入太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡 （hst）、飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等；與集成電路（ic）有關(guān)的硅片加工（要 求硅片的加工表面粗糙度ra 般小于2nm,精度要求達(dá)0. 1 nm）:此 外光刻設(shè)備和硅片加工設(shè)備的精度要求到亞微米和納米級。儀表的精 度、激光陀螺儀的平面反射鏡的精度、紅外制導(dǎo)的反射鏡等，其表面 粗糙度均要求達(dá)到納米級。另外，光學(xué)非球曲面零件面形制造精度要 求已達(dá)入/ （3050）,表面粗糙度要求wo. 5nmo1超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1962年美國union carbide公司研制出首臺超精密車床。在美國 能源部支持下，lli

3、實(shí)驗(yàn)室和y12 x廠合作，與1983年成功地研 制出大型超精密金剛石車床(dtm3型)。該機(jī)床可加工直徑02100mm, 多路激光干涉測量系統(tǒng)分辨率為2. 5nmo 1984年，lll實(shí)驗(yàn)室成功地 研制出l0dtm大型金剛石車床。該機(jī)床可加工的最大直徑為c 1625mm x 500mm,重量1360kg。采用的雙頻激光測量系統(tǒng)分辨率為 0. 7nm,其主軸靜態(tài)精度為：徑向跳動w25nm,軸向竄動51 nmo lll 實(shí)驗(yàn)室這兩臺機(jī)床是目前公認(rèn)的國際上水平最高的超精密機(jī)床。cupe(cranf ield unit for preci sion engi neer ing)研制的nanocente

4、r超精密車床已批量生產(chǎn)，其主軸精度w50nm,加工工件 的面形精度w0. 1 |1 mo taylor公司兼并了 pneumo公司以后，批量生 產(chǎn)nanoform 250超精密車床，產(chǎn)品占據(jù)了國際超精密加工很大部分 應(yīng)用市場，是技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品。進(jìn)入90年代以后，超精密銃磨和拋 光技術(shù)在幾個發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展，個別實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到很高的水平， 特別是其中包含的納米制造技術(shù)，受到很大的關(guān)注。開發(fā)超精密銃磨 和納米拋光制造技術(shù)較好的公司及機(jī)構(gòu)有：美國moore公司、英國的 taylor、德國的 zeiss、loh、schneider.日本的 nachi、toshiba. 荷蘭的philip等。國內(nèi)有許多

5、單位在從事研究和生產(chǎn)超精密加工設(shè)備和儀器，如： 北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)、長沙國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、 西安交通大學(xué)、303所等單位。北京機(jī)床研究所生產(chǎn)的超精密機(jī)床特 點(diǎn)是：主軸性能好，精度可以達(dá)到20-50nm,剛度可以達(dá)到350n/pm; 溜板直線性w0. 1m/200mm;加工件表面粗糙度值小，車銃表面精度可以小于1nm;運(yùn)動系統(tǒng)分辨率高，可以達(dá)到納米級；商品化程度高。 機(jī)床類型包括：jcs027超精密車床、nam800超精密車床、 square300超精密銃床和sphere 200超精密球面加工機(jī)床等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密機(jī)床型號為hcm,主軸精度w50nm, 徑向剛度22

6、0n/|im,軸向剛度160n/m,導(dǎo)軌z向（主軸）直線度 0. 2 nm/100 mm, x 向（刀架）直線度w0. 2 口 m/100mm, x、z 向垂直 度w1”，加工工件精度形面精度（圓度）w0.超精密制造技術(shù)將沿著三個方向發(fā)展：（1）在尖端技術(shù)和產(chǎn)品的 需求下，開拓新的加工機(jī)理，進(jìn)入到納米級和亞納米級加工精度。（2） 在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的需求下，進(jìn)入國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場, 提高國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。如汽車制造、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、光盤、家用 電器等均緊密依賴于超精密制造技術(shù)的支持。（3）現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā) 展，學(xué)科交叉、復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)日益突出，精密加工和超精密加 工不僅作為一門獨(dú)

7、立的學(xué)科發(fā)展，而且會以更多的交叉學(xué)科形式出現(xiàn), 甚至形成新的學(xué)科。例如：精密特種加工技術(shù)、納米制造技術(shù)等就包 含了多種學(xué)科。超精密制造技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域和高 技術(shù)各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。2.超精密加工機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)1機(jī)床系統(tǒng)總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)超精密機(jī)床尖端的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已升華到一種藝術(shù)境界，非常 規(guī)方法能及。常規(guī)機(jī)床在設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)環(huán)節(jié)上要求相對較低，而 超精密機(jī)床各環(huán)節(jié)基本都處于一種技術(shù)極限或臨界應(yīng)用狀態(tài)，哪個環(huán) 節(jié)考慮或處理不周就會導(dǎo)致整體失敗。因此，設(shè)計(jì)上需對機(jī)床系統(tǒng)整 體和各部分技術(shù)具有全面、深刻的了解，并依可行性，從整體最優(yōu)出 發(fā)，周詳?shù)剡M(jìn)行關(guān)聯(lián)綜合設(shè)計(jì)。否則，即便是全部采用

8、最好的部件、 子系統(tǒng)，堆砌方法仍會導(dǎo)致失敗。如lodtm機(jī)床設(shè)計(jì)必須對誤差源進(jìn) 行周詳分析，識別其耦合機(jī)制并且以傳遞函數(shù)表達(dá)，用綜合原則對主 要誤差進(jìn)行分配和補(bǔ)償。2高剛性、高穩(wěn)定機(jī)床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)尤其是lodtm機(jī)床，由于機(jī)身大、自身重、承載工件重量變化大， 任何微小的變形都會影響加工精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除從材料、結(jié)構(gòu)形式、 工藝方面達(dá)到要求外，還須兼顧機(jī)床運(yùn)行時(shí)的可操作性。如為了獲得 高穩(wěn)定性能，lodtm床身設(shè)計(jì)成高整體性，盡量減少裝配環(huán)節(jié)；整體 熱處理，需解決相應(yīng)大尺寸的熱處理設(shè)備、工藝；床體精加工時(shí)需嚴(yán) 格模擬實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行精密修正等。3超精密工件主軸技術(shù)中小型機(jī)床常采用空氣靜壓

9、主軸方案?？諝忪o壓主軸阻尼小，適 合高速回轉(zhuǎn)加工應(yīng)用，但承載能力較小?？諝忪o壓主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá) 005urn。超精密機(jī)床主軸承載工件尺寸、重量大，一般宜采用液體 靜壓主軸。液體靜壓主軸阻尼大、抗振性好、承載力大，但主軸高速 時(shí)發(fā)熱多，需采取液體冷卻恒溫措施。液體靜壓主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá) 0.1 pim。工件主軸用于速度控制模式時(shí)，主軸角度編碼器分辨率要求 不高。當(dāng)用于xzc位置控制模式時(shí)，為了保證加工工件的表面質(zhì)量， 編碼器分辨率要求非常高，可達(dá)0.06。為了保證主軸精度和穩(wěn)定 性，無論氣壓源或液壓源都需進(jìn)行恒溫、過濾和壓力精密控制處理。4超精密導(dǎo)軌技術(shù)早期的超精密機(jī)床采用氣浮靜壓導(dǎo)軌技術(shù)。氣浮靜

10、壓導(dǎo)軌易于維 護(hù)，但阻尼小，承載抗振性能差，現(xiàn)已較少采用。閉式液體靜壓導(dǎo)軌 具有高抗振阻尼、高剛度、承載力大的優(yōu)勢。國外主要的超精密加工 現(xiàn)在主要采用液體靜壓導(dǎo)軌。超精密的液體靜壓導(dǎo)軌的直線度可達(dá)到 0. 1 |j mo5納米（a。）級分辨率動態(tài)超精密坐標(biāo)測量技術(shù)早期的超精密機(jī)床坐標(biāo)測量系統(tǒng)采用激光干涉測量方式。激光干 涉測量是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)幾何量測量基準(zhǔn)，但是易受環(huán)境因素（氣 壓、濕度、溫度、氣流擾動等）影響。這類因素容易影響刀具控制， 從而影響工件的表面加工質(zhì)量。為此，美國llnl的l0dtm坐標(biāo)激光 測量回路采用了真空隔離和零溫度系數(shù)的殷鋼坐標(biāo)測量框架技術(shù)。這 也是激光坐標(biāo)測量方面的頂

11、尖應(yīng)用。現(xiàn)今的超精密機(jī)床坐標(biāo)測量系統(tǒng) 大多采用衍射光柵。光柵測量系統(tǒng)穩(wěn)定性高，分辨率可達(dá)納米級。為 了進(jìn)一步獲得較高的位置控制特性和表面加工質(zhì)量，采用dsp細(xì)分, 測量系統(tǒng)分辨率可達(dá)a。級。6納米級重復(fù)定位精度超精密傳動、驅(qū)動控制技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)級的確定性超精密加工，機(jī)床必須具有納米級重復(fù) 定位精度的刀具運(yùn)動控制品質(zhì)。伺服傳動、驅(qū)動系統(tǒng)需消除一切非線 性因素，特別是具有非線性特性的運(yùn)動機(jī)構(gòu)摩擦等效應(yīng)。因此，采用 氣浮、液浮等方式應(yīng)用于軸承、導(dǎo)軌、平衡機(jī)構(gòu)成了必然的選擇。伺服運(yùn)動控制器除了具有高分辨率、高實(shí)時(shí)性要求外，在控制方 程及模式技術(shù)上也需不斷進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)證明：研制系統(tǒng)進(jìn)行曲面加工控 制時(shí)，

12、高性能伺服運(yùn)動控制器執(zhí)行一階無差、二階有差控制，刀具軌 跡動態(tài)跟蹤有滯后現(xiàn)象。這種滯后量雖小，精密加工可不計(jì)，但超精 密加工中不可忽略。7開放式高性能cnc數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)從加工精度和效能出發(fā)，數(shù)控系統(tǒng)除了滿足超精密機(jī)床控制顯示 分辨率、精度、實(shí)時(shí)性等要求，還需擴(kuò)展機(jī)測量、對刀、補(bǔ)償?shù)仍S多 輔助功能。因?yàn)橥ㄓ脭?shù)控系統(tǒng)難以滿足要求，所以國外的超精密機(jī)床 現(xiàn)在基本都采用pc與運(yùn)動控制器相結(jié)合研制開放式cnc數(shù)控系統(tǒng)模 式。這種模式既可使數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高的軸控性能，還可獲得高的功能 可擴(kuò)充性。超精加工與一般精度加工不同，加工需輔以測量反復(fù)迭代進(jìn)行。為了 減少工件再定位引入的安裝誤差，或解決大尺寸、復(fù)雜型面

13、無有效測 量儀器問題，機(jī)床在機(jī)需配置各種光學(xué)、電子測量儀器和補(bǔ)償處理手 段。對此，pc與運(yùn)動控制器相結(jié)合的開放式cnc數(shù)控系統(tǒng)可發(fā)揮其 優(yōu)勢。8高精度氣、液、溫度、振動等工作環(huán)境控制技術(shù)(1)機(jī)床隔振及水平姿態(tài)控制。振動對超精密加工的影響非常明顯。機(jī)床隔振需采取特殊的地基 處理和機(jī)床本體氣浮隔振復(fù)合措施。氣浮隔振系統(tǒng)采用具有位置控制 的主動式氣墊。lodtm機(jī)床支撐在4個氣墊上，并形成3點(diǎn)動態(tài)可調(diào) 平支撐。機(jī)床體氣浮隔振系統(tǒng)還需具備自動調(diào)平功能，以防止機(jī)床加工中水平 狀態(tài)變化對加工的影響。對于lodtm隔振要求高的機(jī)床，隔振系統(tǒng)的 自然頻率要求在1hz以下。對于機(jī)床的液壓源、冷卻水源的脈動也必

14、 須采取措施，如采取脈動濾波裝置等。(2)溫度控制。對lodtm機(jī)床來說，機(jī)床和工件尺寸大，受溫度影響也大。在同 樣的切削量和線速度下，大工件的加工周期長，溫度對加工精度的影 響非常大。因此，lodtm機(jī)床溫控要求非常高。如llnl的lodtm機(jī) 床，機(jī)床床體恒溫水、液壓系統(tǒng)控溫為0. 0005°c,機(jī)房空氣控溫為 0. 003°co對于小型商品化的機(jī)床，溫度控制要求不需太高(0. 5°c) o 這是因?yàn)樾×慵母咚偌庸r(shí)間短，溫度影響相對較小且易控。超精密機(jī)床的未來展望超精密加工機(jī)床系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢是，要求更高的加工表面質(zhì)量 和面形精度，加工尺寸趨于極大和極小兩

15、個方向，同時(shí)要求復(fù)雜形面、 不同材料的加工適應(yīng)性等。在提高加工表面質(zhì)量、面形精度方面，一方面繼續(xù)提高機(jī)床的精度、 穩(wěn)定性，另一方面通過加工工藝進(jìn)步引入復(fù)合加工功能等，如在多軸 超精密自由曲面磨床上引入進(jìn)動拋光等準(zhǔn)確定性加工功能以提高表 面質(zhì)量和面形精度。超精加工所能達(dá)到的表面質(zhì)量、面形精度與元件 尺寸、形狀、材料相關(guān)。未來最能反映機(jī)床精度水平的lodtm,加工 精度穩(wěn)定達(dá)到，表面粗糙度在r5nm,面形精度可達(dá)亞微米（工件尺 寸0 1000mm） o對于具有復(fù)合加工功能的機(jī)床，輔以測量技術(shù)還可 進(jìn)一步從加工工藝上提高精度。關(guān)于大尺度的發(fā)展應(yīng)用，如適應(yīng)未來 空、天基強(qiáng)激光武器輕質(zhì)、高剛性金屬基主反

16、射鏡加工的超大型 sl0dtm機(jī)床；地基超大口徑深空望遠(yuǎn)鏡（如歐洲的euro50（j）50m）、 owl（0100m）拼接式離軸非球面鏡（數(shù)米尺寸）加工的多軸超精 密磨削加工等。近年來，太赫茲（thz）作為一門新興技術(shù)得到了廣泛重視。太赫茲 頻譜介于微波與紅外之間。太赫茲的獨(dú)特性能給反隱身探測、電子對 抗、電磁武器、寬帶通信、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、安全檢查 等領(lǐng)域帶來了深遠(yuǎn)的影響。太赫茲是未來超精密加工技術(shù)與機(jī)床廣泛 和重要的應(yīng)用領(lǐng)域。從大的尺度來說，太赫茲應(yīng)用需求巨大，如太赫 茲天線鏡面加工需求。在小的尺度方面，太赫茲系統(tǒng)中的微型波紋喇 叭天線（毫米級復(fù)雜形狀內(nèi)腔、微米級加工精度）是未來所需解決的 超精密加工難題之一。超精密微機(jī)械加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)不在機(jī)床自 身尺寸。由于運(yùn)動精度要求，這種機(jī)床尺寸不能做得太小，因而其關(guān) 鍵技術(shù)在于機(jī)床結(jié)構(gòu)，如工件的裝夾，在位測量、調(diào)整、對刀、微型 超精密刀具等。在加工面形的復(fù)雜度方面，由于太赫茲波束控制元件表面電磁特性， 其設(shè)計(jì)元件面形更加復(fù)雜，如非對稱賦形自由曲面等。由于各種條件 限制，超精密機(jī)床不可能做得太大。對于硬脆材料的超大型應(yīng)