超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究

1、超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究主要內(nèi)容1. 引言 2. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及比較分析 3. 基礎(chǔ)研究、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略一、引言超精密加工技術(shù)：是指加工的尺寸、形狀精度達(dá)到亞微米級(jí)，加工表面粗糙度Ra達(dá)到納米級(jí)的加工技術(shù)的總稱。超精密加工在某些應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)延伸到納米尺度范圍，其加工精度已經(jīng)接近納米級(jí)，表面粗糙度 Ra已經(jīng)達(dá)到 并向終極目標(biāo)原子級(jí)逼近。目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性（無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應(yīng)力、組織變化等）為目標(biāo)。超精密加工目前包括4個(gè)領(lǐng)域：一 二三四超精密切削加工超精密磨削加工超精密特種加

2、工（如電子束、離子束加工）超精密拋光加工起精密切削是特指采用金剛石等超硬材料作為刀具的切削加工技術(shù)，其加工表面粗糙度Ra可達(dá)到幾十納米，包括超精密車削、鏜削、銑削及復(fù)合切削(起聲波振動(dòng)車削加工技術(shù)等）超精密磨削是指以利用細(xì)粒度或超細(xì)粒度的固結(jié)磨料砂輪以及高性能磨床實(shí)現(xiàn)材料高效率去除、加工精度達(dá)到或高于0.1m、加工表面粗糙度Ra小于0.025m的加工方法，是超精密加工技術(shù)中能夠兼顧加工精度、表面質(zhì)量和加工效率的加工手段。超精密拋光是利用微細(xì)磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)液、電/磁場(chǎng)等輔助作用下，為獲得光滑或超光滑表面，減少或完全消除加工變質(zhì)層，從而在得高表面質(zhì)量的加工方法，加工

3、精度可達(dá)到數(shù)納米，加工表面粗糙度Ra可達(dá)到A級(jí)，超精密拋光是目前最主要的終加工手段。起精密加工應(yīng)用范圍廣泛，從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等難加工材料，到半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料，幾乎所有的材料都可利用超精密加工技術(shù)進(jìn)行加工。 機(jī)械工業(yè)提高加工精度的主要原因：并促進(jìn)自動(dòng)化裝配提高裝配生產(chǎn)率增加零件互換性促進(jìn)產(chǎn)品小型化提高其穩(wěn)定性、可靠性提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量我國制造業(yè)產(chǎn)值居世界第四，僅約占總產(chǎn)值的5%，但單位產(chǎn)值的能耗和物耗居世界第一，比發(fā)達(dá)國家高410倍。我國目前某些精密機(jī)電產(chǎn)品雖已能生產(chǎn)，但大部分超精密加工產(chǎn)品仍然靠加工后經(jīng)分選獲得，因而成品率極低，核心關(guān)鍵零部件仍需進(jìn)口

4、，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、精密數(shù)控機(jī)床。 這些都充分說明我國必須大力發(fā)展超精密加工技術(shù)。二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及比較分析（一）國際上發(fā)展?fàn)顩r超精密加工發(fā)展到今天， 已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，超精密加工已不再是一種孤立的加工方法和單純的工藝問題，而成為一項(xiàng)包含內(nèi)容極其廣泛的系統(tǒng)工程。影響超精密加工精度的主要因素包括：超精密機(jī)床、超精密加工工具(刀具、磨具、磨料等)、超精密加工工藝、被加工材料、夾具、在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等).只有將各個(gè)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就集成起來，才有可能實(shí)現(xiàn)超精密加工。1、國際上本領(lǐng)域基礎(chǔ)研究發(fā)展?fàn)顩r超精密加工是以每個(gè)加工點(diǎn)局部的材料微觀變形或去除作用的總和所

5、體現(xiàn)的。其加工機(jī)理隨著加工單位(加工應(yīng)力作用的范圍)和工件材料的不均質(zhì)程度(材料缺陷或因加工產(chǎn)生缺陷)不同而異，如圖2所示。加工切除層的最小極限尺寸為原子直徑，如果一層一層的切除原子，被加工表面的尺寸波動(dòng)范圍在12A之間，具有這種特征的表面稱為“超光滑表面”若在硬脆材料(如陶瓷、硅單晶等)表面用金剛石刃頭劃個(gè)刻痕，硬脆材料則發(fā)生脆性破壞，在材料表面殘留無數(shù)微裂紋。圖3所示的是由壓入所引起的變形破壞范圍的模型。圖3中ra為壓痕半徑，Rs為表面上裂紋長(zhǎng)度，c為彈性變形范圍的邊界。根據(jù)這一模型，就可以解釋為什么脆性材料磨削過程中不僅有帶裂紋的磨痕， 同時(shí)還摻雜一些由塑性變形而引起的磨痕.2、國際上技

6、術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r目前世界上的超精密加工強(qiáng)國以歐美和日本為先，但其發(fā)展重點(diǎn)各有側(cè)重。歐美特別是美國，不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、x射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)歐美起步較晚，但發(fā)展很快。日本超精密加工主要側(cè)重于于計(jì)算機(jī)硬盤磁片、辦公設(shè)備用多面鏡，非球面透鏡光學(xué)器件的等大批量民用產(chǎn)品的超精密加工。目前，日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工方面具有優(yōu)勢(shì)。(1)超精密機(jī)床：超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密加工的首要基礎(chǔ)條件。對(duì)于切削和磨削來說，要實(shí)現(xiàn)超精密加工就是要實(shí)現(xiàn)材料的超微量去除，除了要有極鋒利的刀具或微細(xì)磨具之外，機(jī)床的動(dòng)

7、態(tài)剛度和精度以及微量進(jìn)給系統(tǒng)非常重要。(2)超精密切削技術(shù)：采用微量切削可以獲得光滑而加工變質(zhì)層較少的表面。最小切削厚度取決于金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑，切削刃鈍圓半徑越小，則最小切削厚度越小。因此，具有納米級(jí)刃口鋒利度的超精密切削刀具的設(shè)計(jì)與制造是實(shí)現(xiàn)超精密切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。超精密切削用刀具材料目前均采用天然單晶金剛石。微小結(jié)構(gòu)表面切削加工是超精密切削的一個(gè)新的研究方向，目前德國和日本在該領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先水平。德國夫瑯和費(fèi)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)院用微小單晶金剛石刀具加工出表面特征結(jié)構(gòu)尺寸小于100 m的金字塔微棱鏡陣列和壁厚15 m、高200m 的微薄壁結(jié)構(gòu)，采用快速伺服刀架還加工出具有微反光面

8、陣列的集成鏡片。日本東北大學(xué)在單晶金剛石車床上安裝快速伺服刀架，加工出了微小正弦網(wǎng)格表面(圖5)，可以用作多軸位置測(cè)量編碼器的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，該表面是在X和Y兩個(gè)方向上正弦的疊加，兩個(gè)方向的波長(zhǎng)和峰谷高度差分別是300m和0.3m。(3)超精密磨削技術(shù)超精密切削加工技術(shù)可以將鋁、銅等軟質(zhì)金屬光學(xué)零件的加工到所要求的精度，但超精密切削不適宜加工硬脆材料。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械、電子、通信、空間、光學(xué)等尖端技術(shù)和國防工業(yè)領(lǐng)域中，硬脆材料高精度，高表面質(zhì)量的零件獲得了廣泛的應(yīng)用，如單晶硅片、工程陶瓷、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、藍(lán)寶石基片等，超精密磨削技術(shù)就是為適應(yīng)這些材料的高精度高表面質(zhì)量的加工需要而發(fā)

9、展起來的。為了獲得高的磨削精度，必須要有高剛度的砂輪和磨床。超精密磨削要求機(jī)床具有很高的精度和剛度，砂輪軸的高速旋轉(zhuǎn)必須使用價(jià)格昂貴的軸承，而某種程度的振動(dòng)總是不可避免的。磨削過程中需要對(duì)砂輪不斷地進(jìn)行修整，砂輪不斷調(diào)整 線性接觸方式裝夾困難以保持磨粒的銳利，防止磨屑堵塞砂輪燒傷工件表面，容屑空間及其保持性成為制作超微細(xì)磨粒砂輪的主要難題。磨削過程中，工件與砂輪主要為線接觸方式，加工具有單向性，很難保證加工表面的均勻性非磁導(dǎo)性工件裝夾困難。這些問題都限制了磨削加工可獲得的表面質(zhì)量日本一些公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)粒徑為1.3m、1.0m或更細(xì)粒度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪(通常是做成丸片在安裝在基體上形成磨

10、具)，并在硅片、藍(lán)寶石基片超精密磨削領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，所加工硅片的表面粗糙度R a20 nm。（4)超精密拋光技術(shù)：為了保證各種功能陶瓷材料制成的電子和光學(xué)器件的性能，必須對(duì)其表面進(jìn)行超光滑無損傷加工。晶體材料的無損傷表面拋光技術(shù)是以不破壞極表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的加工單位進(jìn)行材料微量切除加工的方法。目前，拋光加工中材料的去除單位已在納米甚至是亞納米級(jí)。圖6是物理作用與化學(xué)作用復(fù)合的加工方法。物理作用與化學(xué)作用復(fù)合的加工方法已成為超精密加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。例如，硅片的化學(xué)機(jī)械拋光，加工液在硅片表面生成水合膜，可以使加工變質(zhì)層的發(fā)生減少。藍(lán)寶石的干式化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)采用石英玻璃拋光盤及干燥狀態(tài)下的0.

11、01m直徑的SiO2磨粒來拋光藍(lán)寶石。磨粒與藍(lán)寶石之間發(fā)生界面固相反應(yīng)，生成富鋁紅柱石，然后通過玻璃拋光盤的摩擦力將其從藍(lán)寶石表面剝離，實(shí)現(xiàn)拋光加工。這些超精密拋光方法如加工條件控制恰當(dāng)，拋光表面粗糙度均可達(dá)到亞納米級(jí)。其中應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的是CMP技術(shù)。CMP加工通過磨粒一工件一加工環(huán)境之間的機(jī)械、化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)工件材料的微量去除，能獲得超光滑、少無損傷的加工表面；加工軌跡呈現(xiàn)多方向性，有利于加工表面的均勻一致性；加工過程遵循“進(jìn)化”原則，無需精度很高的加工設(shè)備。眾多學(xué)者采用各種原理或方式開發(fā)了一系列的無加工變質(zhì)層、無表面損傷(不擾亂結(jié)晶的原子排列)的超精密拋光方法(表2)(1)超

12、精密無損傷拋光。超精密無損傷拋光是以不破壞極表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的加工單位進(jìn)行材料微量去除的加工方法?？梢园醇庸顟B(tài)，將無損傷拋光看作是機(jī)械作用和化學(xué)的作用所進(jìn)行的，它們的組合形成了各種拋光法在圖7中，機(jī)械作用是微量去除作用和摩擦作用，化學(xué)作用是溶去作用和皮膜形成作用。例如，用于不銹鋼鏡面加工的電解復(fù)合拋光。用硝酸鈉水溶液，通過電解作用形成非導(dǎo)體化膜，然后用固著磨料和游離磨料的擦劃作用進(jìn)行加工的。如進(jìn)行式機(jī)械化學(xué)拋光(P-MAC)，其機(jī)械作用通過拋光盤的摩擦獲得，材料的去除是通過拋光液的化學(xué)溶去進(jìn)行的。（2）非接觸拋光如圖8所示，在微細(xì)粒子懸浮液中，使聚氨脂球加工頭邊旋轉(zhuǎn)邊向工件表面接近，微細(xì)粒子以接

13、近水平的角度與被加工材料碰撞，完成加工。微細(xì)粒子的作用區(qū)域十分微小( 12 mm)，在接近材料表面處產(chǎn)生最大的剪斷應(yīng)力，既不使基體內(nèi)的位錯(cuò)、缺陷等發(fā)生移動(dòng)(塑性變形)，又能產(chǎn)生微量的彈性破壞來進(jìn)行去除加工。如果對(duì)聚氨脂球的加工頭和工作臺(tái)采用數(shù)控裝置，則能進(jìn)行曲面加工。(3)界面反應(yīng)拋光在工件與磨料的摩擦界面上的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使界面真實(shí)接觸部位處于高溫高壓狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的界面是不穩(wěn)定的，各物質(zhì)之間很容易互相滲透，化合物很容易產(chǎn)生和分解。這種界面反應(yīng)一般稱為機(jī)械化學(xué)反應(yīng)。如果將反應(yīng)生成物控制在工件表層極小的深度內(nèi)，因其加工單位很小，就可以在不傷及母材情況下使其脫落，可以獲得一般機(jī)械加

14、工絕對(duì)達(dá)不到的超精密表面。這就是一邊反應(yīng)生成易于去除的局部軟質(zhì)生成物，一邊進(jìn)行加工的界面反應(yīng)拋光方法。超精密拋光還大量應(yīng)用于曲面的最后精加工。近年來，出現(xiàn)的新的曲面研磨拋光方法有磁性磨粒加工、磁流變加工、氣囊拋光、應(yīng)力盤拋光等幾種。(4)電、磁場(chǎng)輔助拋光。電、磁場(chǎng)輔助拋光或場(chǎng)致拋光是通過控制電、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制磨粒對(duì)工件的作用力，進(jìn)行拋光的加工方法。(5)曲面超精密拋光(1)磁性磨粒加工：是利用磁性磨粒(由磨粒與鐵粉經(jīng)混合、燒結(jié)再粉碎至一定粒度制成)對(duì)工件表面進(jìn)行研磨拋光的加工方法。加工時(shí)在工件和磁極問充滿磁性磨粒，如圖1O所示，磁性磨粒在磁場(chǎng)作用下沿磁力線形成“磁刷”，通過工件和磁極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

15、完成加工。(2)磁流變拋光：利用磁流變液(由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液)在磁場(chǎng)中的流變特性對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光。如圖11所示。磁流變液由噴嘴噴灑在旋轉(zhuǎn)的拋光輪上，磁極置于拋光輪的下方，在工件與拋光輪所形成的狹小空隙附近形成一個(gè)高梯度磁場(chǎng)。當(dāng)拋光輪上的磁流變液被傳送至工件與拋光輪形成的小空隙附近時(shí)， 高梯度磁場(chǎng)使之凝聚、變硬，成為粘塑性的賓漢介質(zhì)(類似于“固體”）具有較高運(yùn)動(dòng)速度的賓漢介質(zhì)通過狹小空隙時(shí)，在工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，從而使工件的表面材料被去除，而離開磁場(chǎng)區(qū)域的介質(zhì)重新變成可流動(dòng)的液體(3)氣囊式拋光其原理如圖14所示：進(jìn)動(dòng)拋光是一種新穎的光學(xué)器件的拋光方法，它

16、具有高斯形收斂的去除函數(shù)，陀螺式的旋轉(zhuǎn)使得工件在拋光區(qū)域任意一點(diǎn)產(chǎn)生不同方向的摩擦力， 從而拋光紋理錯(cuò)綜交叉，使得紋理細(xì)膩無方向性劃痕，以柔性頭作為拋光工具并結(jié)合數(shù)控拋光技術(shù)，使得該方法很容易加工出高精度、高表面質(zhì)量的光學(xué)器件。氣囊式拋光方法適合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的拋光(質(zhì)量控制)和修整(面形控制)。(4)應(yīng)力盤拋光該方法采用大尺寸彈性盤為工具基盤，在周邊可變應(yīng)力的作用下，盤的面形可以實(shí)時(shí)地變形成所需要的面形，與非球面工件的局部面形相吻合，進(jìn)行研磨拋光加工。應(yīng)力盤拋光技術(shù)具有優(yōu)先去除表面最高點(diǎn)或部位的特點(diǎn)，具有平滑中高頻差的趨勢(shì)，可以很好地控制中高頻差的出現(xiàn)、有效地提高加工效率。

17、(4)應(yīng)力盤拋光應(yīng)力盤面形控制的一種實(shí)現(xiàn)方式如圖15所示，應(yīng)力盤周圍上裝有12個(gè)驅(qū)動(dòng)器和連桿裝置，12個(gè)驅(qū)動(dòng)器分為4組，每三個(gè)構(gòu)成一組成等邊三角形分布，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器裝有著力點(diǎn)和測(cè)力傳感器，4組等邊三角形合力可以產(chǎn)生需要的彎矩和扭矩。在12個(gè)變力矩的作用下，應(yīng)力盤能夠產(chǎn)生需要的變形。（二）國內(nèi)本領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早從事超精密加工技術(shù)研究的單位之一，于1996年研制出了亞微米級(jí)的超精密機(jī)床，并在微納米切削過程的加工機(jī)理、刀具磨損破損機(jī)制、脆性材料超精密切削去除機(jī)制等方面開展了大量的研究工作，2006年研制成的大平面超精密銑床。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，

18、研制的NAM一800型納米數(shù)控車床是新一代納米級(jí)加工機(jī)床，控制系統(tǒng)分辨率為5nm、定位精度為士0.2um國內(nèi)超精密加工研究領(lǐng)先領(lǐng)域長(zhǎng)春光機(jī)所研制的數(shù)控非球面加工中心國防科技大學(xué)精度達(dá)到9.4nm光學(xué)玻璃拋物面鏡國防科技大學(xué)研制成具備非球面加工能力的IBF設(shè)備，加工精度可達(dá)納米量級(jí)浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心和湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心袁巨龍等首次提出了將固著磨粒加工優(yōu)點(diǎn)和游離磨粒加工優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合的半固著磨粒加工(SFAM)技術(shù)。目前已制成Al203、SiO2等多種磨料的半固著磨粒磨具，不僅批量加工的成品率高， 而且加工時(shí)間比傳統(tǒng)拋光縮短數(shù)倍，表面粗糙度達(dá)到0.1nm級(jí)圖是用SFAM

19、技術(shù)加工的藍(lán)寶石表面粗糙度結(jié)果長(zhǎng)期以來，我國先進(jìn)電子制造主要技術(shù)幾乎全部依賴進(jìn)口，核心技術(shù)更受到國外封鎖，極大地制約了我國電子技術(shù)的自主發(fā)展。我國目前超精密加工裝備的研發(fā)大部分還只是在研究型機(jī)床階段，超精密加工工藝等技術(shù)的研究國內(nèi)各個(gè)單位各有特點(diǎn)，研究力量比較分敏，基本是各自為政的課題研究，還不能形成產(chǎn)品系列和產(chǎn)業(yè)化氣候?？傮w技術(shù)水平還比較落后，不足以滿足我國超精密加工行業(yè)的需要。（三）發(fā)展趨勢(shì)和預(yù)測(cè)超精密加工技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是： 大型化、微小型化、數(shù)控化、智能化的加工裝備； 復(fù)合化、無損傷加工工藝 超精密、高效率、低成本批量加工； 在生產(chǎn)車間大量應(yīng)用的高精度低成本專用檢測(cè)裝置。超精密加工技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)及預(yù)測(cè)如表3所示。（四）我國與國際本領(lǐng)域發(fā)展水平的差距我國在超精密機(jī)床與國際先進(jìn)水平相比在完備性、可靠性與精度保持性還有較大的差距，總體上與國外相比差距還有15年以上具體主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)機(jī)床的總體性能：對(duì)于一些復(fù)雜形狀的零件加工，需要兩軸以上的超精密機(jī)床才能完成，例如Moore公司已商品化生產(chǎn)五軸超精密切削機(jī)床，而國內(nèi)的金剛石切削機(jī)床目前只做到了兩軸。(2)綜合精度指標(biāo)及穩(wěn)