超精密加工的市場需求

精密、超精密加工是個相對概念，而且隨著工藝水平的普遍提高，不同年代有著不同的劃分界限，但并無嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從目前機械加工的工藝水平來看，超精密加工一般指加工精度<0.3µm，表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工。同時也包含加工尺寸在微米級的微細(xì)加工。

圖1a　超精密切削加工機床示例（圖為SHPERE-200超精密球面鏡機床）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是許多*的發(fā)展，使的市場需求呈現(xiàn)出如下的特點：

要求的機電產(chǎn)品元器件越來越多，不僅有傳統(tǒng)的光學(xué)零件、塊規(guī)等，而且有現(xiàn)代IT中廣泛采用之大規(guī)模集成電路的各種芯片，計算機用的磁盤、光盤，復(fù)印機用的磁鼓；核聚變用的激光反射鏡；導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)用的激光反射鏡；導(dǎo)航用的陀螺儀腔體；氣浮和靜電陀螺儀的球狀支承；人造衛(wèi)星姿態(tài)控制用的過半球體；衛(wèi)星、航天器上各種儀器儀表用的真空無潤滑軸承；定位系統(tǒng)（GPS）和電子對抗技術(shù)中用的砷化鎵半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路；紅外夜視設(shè)備、大型天文望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡中用的球面和非球面光學(xué)透鏡，以及多種軍、民使用的*產(chǎn)品中的精密零部件等。

相同品名的元器件要求的數(shù)量越來越大。例如有些品名，以前只是單件或小批生產(chǎn)，用于實驗性的產(chǎn)品上，現(xiàn)在則要求批量乃至大批量規(guī)模生產(chǎn)，用在軍、民使用的*產(chǎn)品上，如大規(guī)模集成電路用的硅片、磁盤、磁鼓等，年需求量數(shù)以百萬、千萬件計。

要求的表面形狀越來越復(fù)雜，精度要求也越來越高。其中不僅有平面、圓柱面，還有球面、非球形曲面、拋物面等。其面形精度一般都要求控制在加工尺寸（用mm表示）的10%（用nm表示，實質(zhì)上是百萬分之一）以內(nèi)，也就是說，加工Ø100mm直徑的外圓時，加工圓度要求要控制在100×10%=10nm以內(nèi)。加工的表面粗糙度Ra值則在2nm~10nm之間。

要求的材料也越來越廣泛；不僅有黑色金屬、有色金屬、還有玻璃、陶瓷和各種半導(dǎo)體材料，如硅、砷化鎵、碲鎘汞晶體等。

要求的零件尺寸在向大型（Ø2m以上）和微型（微米、納米級）兩極發(fā)展。

總而言之，的市場需求在迅速擴大。目前雖無直接的數(shù)據(jù)說明，但有一些數(shù)據(jù)也可以作為佐證的。例如，目前以半導(dǎo)體IC為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)品的世界貿(mào)易額已達到一萬億美元，是世界*大產(chǎn)業(yè)；2003年中國的電子電訊設(shè)備制造業(yè)的產(chǎn)值達14917.6億元人民幣。的IC有90%以上都要采用硅片，而大規(guī)模和超大規(guī)模的IC芯片（主要為硅片）都要用來進行生產(chǎn)。美國為了部署戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和發(fā)展*武器，大大增加國防開支；許多國家也為了自身的安全和防衛(wèi)而提高對*研發(fā)的投入和國防費用，所有這些將擴大對的市場需求。

實現(xiàn)基本條件

為了能實現(xiàn)并獲得預(yù)期的加工效果，必須具備下述基本條件：

被加工工件的材質(zhì)要密實；各向的同一性要好（為單晶）；表層硬度和彈性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化學(xué)成份與機械物理性能對標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不應(yīng)超過0.1%。

選用的工藝方法要與被加工材料相匹配。例如，有色金屬材料（如銅、鋁合金）宜用單點金剛石刀具進行車削或銑削加工；黑色金屬材料（如鋼等）則宜選磨削與研、拋等工藝，否則得不到預(yù)期的加工效果等。

加工環(huán)境要嚴(yán)格恒溫、隔振和凈化。恒溫室（*分隔區(qū)）中的溫度波動不得大于±0.1°C；加工區(qū)（第二分隔區(qū)）中則不應(yīng)超過±0.01°C；環(huán)境的相對濕度要保持在40%±10%以內(nèi)；大氣壓力（如用激光測量儀時）應(yīng)保持1MPa±0.1%；機床地基的隔振系統(tǒng)固有頻率<2Hz；加工區(qū)的凈化度應(yīng)為每立方英尺中大于0.1µm的微粒含量應(yīng)不多于10顆。

具有能實現(xiàn)納米級（1nm ~10nm）增量進給的機床和分辨力優(yōu)于0.1nm的測量設(shè)備，如激光干涉儀，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。

的工藝方法

根據(jù)被加工件的材料和形面的不同，常用的工藝方法主要分三大類：切削加工法、磨削加工（含研、拋）法和電物理加工法。

切削加工法

切削加工法主要是采用的天然金剛石作刀具的切削刃，對有色金屬、玻璃或陶瓷工件進行車削和銑削加工，可以加工端面、球面和拋物面等曲面（圖1b）。

圖1b　超精密切削加工形面示例（圖為各種鏡面切削加工的形面）

超精密車削加工中，金剛石刀具的刃磨是關(guān)鍵。刀尖的圓弧半徑應(yīng)為被加工表面要求值的五分之一左右，一般γc小于10nm，用鑄鐵研具進行研拋時，可獲得γc=3~5nm。再小的γc值則要用離子束加工來獲得。實踐證明，采用這樣的刀具，便于切削速度在很大（V=120~3600m/min）的范圍內(nèi)變化，而不影響被加工表面的粗糙度值。

常選的切削用量是：加工有色金屬時V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷時V=15~120m/min；根據(jù)刀尖圓弧末徑γc值的不同，進給量可在0.1~10µm/r的范圍內(nèi)選取，切削深度則為t=0.05~0.1µm。

在用霧化酒精或溫度可控的礦物潤滑油冷卻的情況下，高質(zhì)量的單晶金剛石刀具的耐用度（用一次刃磨後切刃可以有效地進行切削的長度來衡量）可達1500km。

切削加工法所能達到的zui高水平：面形精度為0.025µm、表面粗糙度為Ra=2~4nm。

磨削加工法

磨削加工法是采用精細(xì)磨粒的砂輪或砂帶進行磨削和研、拋的加工。此法多用于硬度較高的黑色金屬材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金屬材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面――平面、圓柱面、球面和非球面。

圓柱形鏡面通常用磨削方法加工，磨削速度選V=25~35m/s，粗磨時t=0.02~0.07mm，精磨時t=3~10µm；當(dāng)用油石研、拋時，V=10~50m/min，材料的去除速度為0.1µm~1µm/min。超精磨削可達到0.01µm的圓度和Ra 0.002µm的表面粗糙度。
 

圖2　球形鏡面的研、拋加工與測量示意圖

球形鏡面研、拋時要求研具保持在被加工表面的法向上，有兩種保證方法（如圖2a所示）：一是通過研具（1）本身的自定位機構(gòu)來達到；二是通過采用數(shù)控系統(tǒng)使研磨頭（2）傾斜一φ角來實現(xiàn)。

球形鏡面的磨拋加工法是建立在借助激光干涉儀（4）進行表面（3）的誤差測量的基礎(chǔ)上（圖2b）。測量時，激光干涉儀沿X和Y坐標(biāo)移動，或沿X，Y中之一的方向移動和工作臺（5）轉(zhuǎn)動，鏡面誤差的測量結(jié)果被記錄在模擬量或數(shù)字量的記憶裝置中，然後進行處理。根據(jù)來自數(shù)控系統(tǒng)的指令磨頭（研具）被移動到標(biāo)有對給定面形誤差zui大的偏差處并磨除材料。之後表面被重新檢測和重復(fù)加工工序。就這樣以逐步趨近的方法去達到所要求的面形精度。

平面形鏡面的加工主要采用磨削和研拋工藝方法來加工，目前此法所能達到的zui高平面度<0.2µm/300mm，表面粗糙度Ra<1nm。

電物理加工法

電物理加工的方法有多種，其中獲得zui廣泛應(yīng)用的是電磨料拋光和離子束表面加工。前者的實質(zhì)是使電解加工過程中所產(chǎn)生并留下的氧化膜由磨料從被加工表面上去掉以獲得鏡面；後者則是借助離子發(fā)生器射出的離子束對表面進行研、拋。

離子束表面加工法如圖3所示：經(jīng)過預(yù)磨削加工的工件（2）被放置入真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室（1）中，離子發(fā)生器（8）射出的離子束以高達30K電子伏的強度作用在被加工的表面上，并以1µm ~5µm/h的速率去除表層材料，從而達到10nm乃至更高的形狀精度。
 

圖3　離子束表面加工示意圖

在工作過程中，離子發(fā)生器（8）射出的離子束打在工件上的強度和加工過程均由計算機（6）及程序軟件（5）來實現(xiàn)，而根據(jù)激光干涉儀（9）對被加工表面形狀的檢測結(jié)果，借助驅(qū)動裝置（12）來調(diào)節(jié)光欄（掩蓋物）（11）改變離子束強度，通過控制器（7）控制離子發(fā)生器（8），通過驅(qū)裝置（3）和（4）控制工件位置，并由傳感器（10）來測量和控制真空室（1）中的溫度，使之保持恒定。

除上述方法之外，還有其他的超精密復(fù)合加工方法，如電火花成形加工後繼而采用的流體拋光法、電化學(xué)拋光法、超聲化學(xué)拋光法、動力懸浮研磨法、磁流體研磨法以及采用ELID技術(shù)的磨削法等。采用ELID技術(shù)進行光學(xué)玻璃非球面透鏡加工時面形精度可達0.2µm，表面粗糙度則達Ra=20nm。

機床的設(shè)計與制造

機床設(shè)計與制造的關(guān)鍵與核心問題是保證工藝和目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，機床的設(shè)計和制造的基本原則和要求是：消除或減少機床上的熱源和振源；提高機床的結(jié)構(gòu)剛度和幾何精度；減少機床的變形（含溫度變形和力變形）對機床加工精度的影響等。為了實現(xiàn)這些基本原則和要求，機床設(shè)計時，經(jīng)常采取的一些原則措施有：

首先是盡量不用或少用摩擦發(fā)熱量大的傳動裝置（如機械無級調(diào)速器），并把工作過程中發(fā)熱量大的熱源（如電機、冷卻潤滑油箱等）與機床本體結(jié)構(gòu)分離或隔熱，以避免熱量落入機床本體引起機床結(jié)構(gòu)的熱變形。

表1　可用作機床重要零部件的材料

選用熱脹系數(shù)α和導(dǎo)熱系數(shù)λ值低的材料作機床的重要零部件材料。這樣的材料如表1所示。與此同時也要盡量采用熱物理特性相同或相近的材料來制造機床的構(gòu)件和零部件。

零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計力求熱對稱，而且應(yīng)考慮采取強迫的風(fēng)冷或液體冷卻并預(yù)留相應(yīng)的冷卻液循環(huán)流動通道。當(dāng)冷卻的尺寸范圍在200mm~1500mm時，風(fēng)的流量應(yīng)為（3~10）m3/s或液體的通量為（1~10）L/s，從而可分別保持溫度波動為±0.05°C和±0.02°C。對個別強熱源處（如主軸軸承）所產(chǎn)生的熱量，必要時可采用專門的熱管帶走。

機床不僅要考慮安裝和工作在恒溫室里，而且在*精度要求的情況下，還應(yīng)考慮控制機床工作在溫度
±0.01°C的油淋浴的恒溫箱中，因此，機床的工作過程必須是*自動或遙控的，不能有人在現(xiàn)場，以免人的活動和體溫對環(huán)境條件產(chǎn)生影響。

為了避免振動影響加工精度，除了機床必須安裝在由空氣支承、彈簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，機床上的旋轉(zhuǎn)運動件也要嚴(yán)格進行動平衡，殘馀不平衡量應(yīng)小于0.5~1g.mm。與此同時，為了消除和減少機床本身內(nèi)部振源，要盡量采用運動平穩(wěn)的傳動系統(tǒng)，如非接觸的氣動和液體傳動，禁止或避免采用帶有沖擊力的傳動，如有間隙的換向機構(gòu)等。

通過振源振動頻率的調(diào)整（如改變轉(zhuǎn)速）或通過對機床工藝系統(tǒng)的質(zhì)量（m）和彈簧剛度（k）等動力參數(shù)的選擇使振源的振動頻率與機床工藝系統(tǒng)的固有頻率相互遠(yuǎn)離，避開共振區(qū)，減少振動對機床工作的影響。

選用具有高內(nèi)阻尼系數(shù)的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的雙層壁鑄鐵件作為機床的結(jié)構(gòu)件，以保證高度衰減內(nèi)部產(chǎn)生和外部傳來的振動，因為振動衰減的效果正比于阻尼系數(shù)（即衰減指數(shù)）。正常情況下，鑄鐵的衰減指數(shù)為0.006~0.008，而天然大理石和人造大理石的衰減指數(shù)則分別為0.02~0.04和0.06~0.08；不清砂的雙層壁鑄件可以大大增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼，因而可大大提高衰減振動的效果。

主軸部件設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)是回轉(zhuǎn)精度和剛度，為此優(yōu)先采用帶有溫控的低噪音主軸電機并通過扭矩或各種電磁的和薄膜的聯(lián)軸節(jié)與主軸聯(lián)接進行驅(qū)動，主軸軸承則采用具有自定位功能的球面氣浮或液體靜承結(jié)構(gòu)。用此結(jié)構(gòu)的主軸精度（徑向和軸向跳動）可達0.01µm。當(dāng)工作壓力為0.3MPa~0.6MPa時，氣浮軸承的平均剛度為200N~400N/µm，液體靜承則為600N~1000N/µm。但為了主軸跳動不超過0.05µm，供油壓力的波動值不應(yīng)大于0.01MPa，油溫波動也不應(yīng)大于0.05°C。

進給傳動的設(shè)計主要要求是：保證能有效進行誤差動態(tài)補償?shù)膿Q向精度；可實現(xiàn)zui小5nm的脈沖位移；采用修正系統(tǒng)後具有2nm的高定位精度。為此，可供選擇的進給傳動方式有以下幾種：

－滾珠絲杠副。特點是剛度大，可實現(xiàn)的增量位移為100nm（即0.1µm）。

－摩擦傳動。傳動剛度為50N~100N/µm，拉力達100N，可實現(xiàn)的移動增量為5nm。缺點是壽命低，不夠靈敏。

－條（帶）傳動。僅適合在小型機床上用。

－壓電和磁致伸縮傳動。移動量可小于5nm，但總的行程量很小，只有100~200µm，故多數(shù)情況下它是與其它傳動方式（如滾珠絲杠副）組合使用。

－自定位靜壓絲杠副。特點是由于齒形角小（只有10°），故剛度大（達100N~1000N/µm）和可實現(xiàn)微小的增量位移。缺點是保證油溫和油壓穩(wěn)定的系統(tǒng)較復(fù)雜。

－增量式液壓傳動。剛度可達600N/µm，位移增量80nm，但供油系統(tǒng)復(fù)雜。

－電磁絲杠副傳動。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的絲杠與帶有線圈的螺母相互作用來實現(xiàn)傳動。可實現(xiàn)微小的增量位移，但剛度過低，只有10N/µm。

導(dǎo)軌設(shè)計。導(dǎo)軌是機床上保證實現(xiàn)精密微量進給的重要要素之一，雖有多種形式可供選擇，但采用得的是液體靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌。前者的剛度可達6KN~8KN/µm，并能保證位移精度0.02µm~0.04µm/400mm行程；後者的剛度為1KN~2KN/µm，當(dāng)氣膜厚度為4µm~8µm時，也能保證與液體靜壓導(dǎo)軌一樣的位移精度。液體靜壓和氣浮導(dǎo)軌的直線性均可高達0.02µm/100mm。

在總體布局設(shè)計上，機床的結(jié)構(gòu)應(yīng)分成承載部分和計量部分。此時，機床所能實現(xiàn)的精度在很大程度上取決于測量系統(tǒng)的有效性。因此，一般采用像激光干涉儀這樣的高精度、高分辨率的儀器作測量裝置，并將其單獨安裝在氣浮支承的計量支架上，而且不僅安裝測量裝置時要遵守阿貝原理，在更廣義理解上，也要遵守阿貝原理。阿貝原理要求，測量軸要接近于刀尖，以便消除按杠桿原理放大誤差的可能性。從這一立場出發(fā)，導(dǎo)軌和測量裝置應(yīng)位于同一水平面上，在機床的承載系統(tǒng)中要避開采用懸伸和剛度不恒定的構(gòu)件。

在機床整體和各部件所完成的功能分配方面，在多數(shù)情況下，一臺機床只實現(xiàn)一種加工方法，每個部件也只完成一個固定的功能運動。這樣做的目的是簡化機床結(jié)構(gòu)和更易于根據(jù)精度指標(biāo)進行優(yōu)化，而無需采取妥協(xié)（折衷）的辦法。――這一點是與目前一般機床的設(shè)計發(fā)展趨勢――復(fù)合化，擴大工藝可能性――是不一樣的，或者說是正好相反的。

為了保證的目標(biāo)順利實現(xiàn)，機床設(shè)計必須考慮采用主動控制的隔振系統(tǒng)和在線的誤差自動補償技術(shù)。這是因為很難保證所要求的零件制造精度，同時也很難*消除振動和熱因素帶來的負(fù)面影響。

結(jié)束語

是為適應(yīng)現(xiàn)代*發(fā)展的要求而發(fā)展起來的*制造技術(shù)，它的成功實現(xiàn)，不僅取決于機床、刀具和工藝方法，也還取決于測量和控制技術(shù)，即含機、光、電、傳感技術(shù)和計算機技術(shù)等。它是多種學(xué)科新技術(shù)成果的綜合應(yīng)用，但也對許多*的發(fā)展與進步起著推動的作用。因此已成為發(fā)展現(xiàn)代*，特別是發(fā)展現(xiàn)代武器裝備的基礎(chǔ)技術(shù)，也是衡量一個國家科技水平的重要標(biāo)志之一。與美俄相比，中國在這方面還有不少差距，如非軸對稱的光學(xué)曲面加工工藝的可靠性和可操作性等方面。為使中國技術(shù)的進一步發(fā)展和提高，除繼續(xù)加強工藝和裝備的研究外，還必須加強測量和控制，特別是對非軸對稱的非球曲面等復(fù)雜曲面的測量與控制（如五軸超精密CNC系統(tǒng)）的研究；加強工藝可靠性和可操作性的研究等。而且開發(fā)研究工作需要跨學(xué)科，跨部門來協(xié)同組織進行，以便集中力量（包括人、財、物）解決問題。