超精密加工技术的发展与展望
摘要: 超精密加工技术的概念、发展及面临的任务,和在各领域中的应用.
关键词: 精密加工 超精密加工技术 切削技术 金刚石切削技术 特种加工技术
一、前言
本世纪的精密加工发展到超精密加工历程比较复杂且难度大，目前超精密加工日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等。尽管超精密加工迄今尚无确切的定义，但是它仍然在向更高的层次发展。
早在80年代，美国国家实验室等就提出LLNL了（POMA Point One Microme- ter Accurary）计划，主要是为了加工直径φ800mm的曲面精度为0.1μm 。1982年，在国际生产工程学会（CIRP）的年会上，日本的谷口纪男教授发表了题为“超精密加工和超精整工艺的现状与未来趋势”的论文，他认为在2000年，超精密加工的精度将为0.001μm 。应当说，现在已经接近这个目标。
二、超精密加工技术的回顾
1.超精密机床的商品化
超精密加工技术方面最典型的是美国的LLNL国家实验室研制的LODTM大型光学金刚石车床，其他国家也相应研制成各种类似的装置，如英国的Cranfield、美国的MOORE，日本的东芝机械等。英国的Rank Taylor Hobson公司的超精密加工装置，在世界上销售很多，如NANOFORM系列的，我国已经引进一定的数量。这类机床是集当今科技进步为一体，以Bryn教授为代表的群体作出了巨大的贡献，采用摩擦驱动取代传统的滚珠丝杠，就是一种突破；测量系统采用微晶玻璃，来获得高精度；采用双频激光干涉仪作为高精度的定位；机床的支承系统采用了气浮技术等。在我国，对超精密机床的研制也一直在进行，而且也取得不小的成绩，例如北京机床研究所，航空系统的303所、国防科大、哈工大等。但是与国外先进的机床相比有相当大的差距。
2.金刚石工具与切削技术向高层次发展
用xx单晶金刚石制造切削工具，已经成为超精密加工的必备的条件之一。现在由于研磨技术的进步，金刚石切削刃口圆弧半径已经达到2 ～ 4nm，甚至更小，扫描电子显微镜已无法检测，日本在1986年专门成立了一个检测委员会，来探索检测方法，迄今尚未达到目的。使用如此锋利的切削刃口，日本大阪大学岛田尚一博士在切削铝合金时，获得了厚度为1nm的切屑，也许是世界上最薄的；在高精度的曲面球面和非球面的加工中，采用圆头金刚石范成的，对金刚石刀具的圆弧半径的精度有严格的要求，现在英国某公司已经达到R ±0.02μm。
金刚石切削技术在向更高层次发展，特别在玻璃、陶瓷等硬脆材料的加工上，采用粒度小（{zh0}<4μm）的金刚石砂轮，在小的走刀量和小的切深下，能实现延展性的切削；或者采用大负前角（γ约为-25°）的金刚石车刀在小的走刀量和小的切深下，也能实现延展性的切削。通过这样的加工，能获得玻璃等材料的光学镜面。日本中部大学难波义治教授在加工KDP中，便是采用了这种硬脆材料延展性的磨削和切削技术，取得了一定的效果。但使用的机床必须是超高精度的。超声波金刚石切削，对切削条件的要求便明显下降。现在又有提出采用椭圆振动金刚石切削的建议，有望更进一步加速硬脆材料延展性切削的发展，这是近期在光学玻璃加工方面的重大进展。
金刚石材料制造技术的发展，对超精密加工是很大的支持。当前主要依靠xx单晶金刚石，自从高温高压合成超硬材料的研制成功，使合成超硬材料相继制成砂轮和PCD与PCBN ，在部分应用上替代了xx的。现在大颗粒的超硬材料已经能合成，这意味着取代xx产品的可能性，今天通过CVD技术，不仅可以在各种刀具上进行薄膜涂覆，而且可以进行制造厚膜的刀片。这些技术的进步，将预示在超精密加工中，人造的来取代xx产品的可能性。
3.特种加工日益渗入超精密加工
特种加工技术正在向高效、高精度方向发展。以电火花加工为例，线切割机床的切割速度，已经从几十mm/min提高到320mm/min；由于混粉加工取得成功，电加工的表面可以达到镜面。线切割机可以进行二次
切割（Second Cut），切割精度已经能达到2 μm左右，表面粗糙度值亦可明显降低；电火花加工机床的自动化发展相当迅速，线切割机能自动将电极丝断开和接上，做到废芯自动取出等。电火花成型机的电极能自动更换。为了能适应微机械零件的加工，电火花加工机床也开始向小型化发展，东京工业大学增泽隆久教授就研制了一台式机床，可以加工外径为φ0.3mm的0.03模数的小齿轮，使用的电极丝直径为φ0.01mm。由于软件发展较快，应用各种先进技术，使电火花加工功能明显增多，适应精密加工的能力增强，如模糊数学，神经网络等引进到控制系统中。
4.精密计量推动了超精密加工的飞速发展
超精密加工必须以计量作为依据。长度基准的二次更迭，由米原尺经过氪86光谱，到激光在真空中的速度，由实物基准到自然基准，是在23年内完成，表明计量精度的跃进。
NC三坐标测量机的出现，是计量进入自动化的里程碑，不仅缓和了计量的被动局面，而且十分有利于复杂的曲面、球面、非球面等的计量。
1981年，瑞士苏黎世IBM实验室发明了扫描隧道显微镜（Scnning Tunnelling Microscope，简称STM），后来又派生出原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM），以后又产生一系列的显微镜，即现在的扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称SPM），使计量由宏观进入了微观，能直观到原子和分子，这是计量领域的重大突破。
三、超精密加工技术面临的任务
为了星球以外的观察，像天文望远镜等将会提出更大直径的要求，哈勃望远镜主镜的口径已达φ2.4m；为了超大规模印刷线路板的制造，光刻的技术有待提高；硅晶片也在迅速加大，现在世界上已经能批量生产的直径为φ300mm的高平整性的硅晶片。根据资料表明，日本已经在实验室中，成功地研制成直径为φ400mm的高平整性的硅晶片。随着加工直径的不断扩大，就意味着超精密加工的难度进一步上升。
新材料的相继问世，也相继出现加工难题。近来难加工材料，难切削材料等越来越多，如精细陶瓷、光学系统领域中的KTP、KDP 、微晶玻璃等新型材料。这些材料又往往是硬脆材料，并且要求镜面加工；仪表零件的轻薄短小，同样在采用许多新型的材料，现在动压马达应用的钢结硬质合金，在加工中出现许多的问题。而陀螺、伺服机构、传感器等仪表精度的提高，当今的机床和测量机已经受到挑战。因为仪表性能不断地提高，对加工又提出了更多的要求。1964年提出表面完整性的建议，立即为科技界所接受，虽然当时还没有确切的定义和检测方法，工作却在进行，直到今天已经日趋完善，这同样也将产生新的加工难度。
四、21世纪超精密加工技术展望
为了适应时代的需求，围绕超精密加工技术，必须进行超精密加工技术基础研究。因为从现状来分析，现在达到的水平已经接近极限，必须有所创新。
从装备方面，可以发现有许多技术的前景是很好的，如磁力轴承，正在向高精度的方面发展，这种轴承的优点是明显的；根据德国的Heidenhain光栅的精度已经达到0.1μm/100mm 、0.2μm/200mm 。现在在材料上采用了微晶玻璃，如果采用新的制造工艺（有资料表明，计算机领域有可能采用STM来作为刻蚀的手段），有可能再提高刻蚀的能力，这样，则其作用就更大了。
由于洁净技术的进步，对超高平整度要求的产品的加工极为有利。现在美国xx标准209b已经发展到209e ，控制的粒径已经从0.5μm 、0.3μm 、发展到0.1μ m。日本大阪大学超精密研究基地的大实验室，已经达到1级洁净度，为了进行弹性放射加工（EEM，Elastic Emission Machining），保证获得{zj0}的表面。
如前所述，许多加工手段已经接近极限，所以为了综合利用传统的加工手段，加以复合，即采用复合加工，是21世纪制造领域的重要加工之一，例如采用的振动金刚石切削，实际上就是事例之一。
三坐标测量机仍然有着不足的方面，现在还在不断地改进。如日本松下公司，将AFM安装在三坐标测量机的三维测头上，使较大尺寸和微细尺寸的检测，都可能在同一台测量机上进行。三坐标测量机有二种发展趋势，一是将激光干涉仪安装在测量机上，使测量精度进一步提高，现在德国已经研制了这种产品；另外一种就是生产型的提高适应环境的能力。此外，还有人认为现有的测量机与Abbe原理不符，所以正在探索将并行机构应用在测量机上，设法提高测量精度。
超精密加工技术领域的微量切削机理在越接近纳米精度时，越显得其重要性，但是一直困扰着的是能否通过实践，来达到这个探索。近来，根据{dy}原理分子动力学，依靠计算机仿真的办法，已经取得一定的成果，比较早的是日本大阪大学的实验。
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