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精密超精密加工的发展与应用
一、 引言
众所周知，加工是一个非常宽泛的词汇。概括起来讲，精密超精密加工技术中的加工有两层含义：一种是指高精度加工，这种加工是传统加工方法不能实现的精度；另一种是微细加工，这种加工是一般尺寸界线难以实现的微细。精密超精密加工技术中的精密应该这样理解：首先，它与生产力的发展水平息息相关；其次，它不是一个特定的概念，不同时期有着不同的界定；最后，它不仅涉及到精度指标，而且涉及到工件的形状、材料、质量等指标。在现实生活中，这存在着普通加工、精密加工和超精密加工三种形式的加工。普通加工是指一般技术水平就完成的精度；精密加工是指通过高精度的加工工具或器械，以及先进的加工技术才能实现的精度；超精密加工是指必须对先进加工技术进行实验、讨论、研究才能完成的精度。每个时期的精度指标是不同的，因此，这三种形式的加工也会随着时间的变化而变化。超精密加工技术以每个历史时期所能达到的最高加工精度值为衡量标准，只要超过了这个标准，我们就可将这些加工方法称之为超精密加工技术。就目前的标准而言，精密加工技术的加工精度为1 -0.1um、表面粗糙度为Ra0.2 -0.01um；而超精密加工技术的加工精度高于0.1um、表面粗糙度Ra 小于0.25um，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01um。
精密超精密加工技术兴起于上世纪60年代，随着时间的推移，这项技术已经发展成为高科技产品的关键制造技术。从近50年的发展时期内，精密超精密加工技术所涉及的领域在不断扩展，目前已扩展到国民经济的各领域；精密超精密加工技术的生产方式发生了根本性的转变，由单件小批量生产发展为多件大规模生产。从这个变化中，我们不难看出，精密超精密加工技术的应用广度和深度在不断加大。我们有理由相信，随着各类新产品的不断涌现，精密超精密加工技术将获得更为深刻地发展。

二、 精密超精密加工的种类
超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束、等离子加工、激光束加工以及电加工等)以及最新研发的纳米技术。
2.1超精密切削加工
超精密切削加工是采用金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。金刚石刀具的优点在于其与有色金属亲和力小,硬度、耐磨性以及导热性都非常优越,且能刃磨得非常锋利,其刃口圆弧半径可小于R0.01um,实际应用的一般为R0.05um, 可加工出优于Ra0.01um的表面粗糙度。此外,超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施,还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀, 没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜,表面粗糙度可达Ra0.005um,加工800mm的非球面透镜,形状精度可达0.2/um。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工,随后, 加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料等。
2.2超精密磨削
超精密磨削技术是基于一般精密磨削而发展起来的,是用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工,金属的去除量可在亚微米级甚至更小,可以达到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。但磨削加工后,被加工的表面在磨削力及磨削热的作用下金相组织要发生变化,易产生加工硬化、淬火硬化、热应力层、残余应力层和磨削裂纹等缺陷。其加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料。超精密磨削不仅要得到镜面级的表面粗糙度,还要保证能够获得精确的几何形状和尺寸。目前超精密磨削的加工目标是3～5nm的平滑表面,也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。砂轮的修整技术相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质,但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面,主要是由于砂轮粒度太细时,砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。主要的修整方法还有电化学在线控制修整(ECD)、干式ECD、电化学放电加工(ECDM)激光辅助修整、喷射压力修整等。
2.3超精密研磨
超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。研磨金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外,还采用了离子刻蚀和热化学方法。在研磨中,研磨盘原来均用高磷铸铁,后来采用高速钢研磨盘。例如:日本东海大学安永畅男教授等提出采用高速回转的高速钢盘与被加工的金刚石在接触和摆动中,通过物理化学作用,不用磨料,高速研磨金刚石车刀,完全突破了传统的研磨途径。超精密研磨可解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等。其加工出的球面不球度达0.025ttm,表面粗糙度达Ra0.003um。最近Kim.D.J等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮采用电解加工过程修整法实现磨具修整。这种过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度,使磨具保持高速研磨能力。采用 ELID方法超精密研磨硬质合金和光学玻璃,表面粗糙度Ra分别达到10.7nm,16.7nm。
2.4超精密特种加工
当加工精度要求达到纳米, 甚至达到原子单位(原子晶格距离0.1~0.2nm)时, 切削加工方法已不能符合加工精度要求了,这时就需要借助特种加工的方法,即应用化学能、热能、电能或电化学能等,使这些能量超越原子间的结合能,从而去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形,以达到超精密加工的目的。
2.4.1电子束加工
电子束加工是指在真空中将阴极电子枪)不断发射出来的负电子向正极加速, 并聚焦成极细的、能量密度极高的束流,高速运动的电子撞击到工件表面,动能转化为势能,使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向 , 配合工作台XY方向的数控位移,可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光,所以可以达到高达0.25um的线条图形分辨串。实验表明,经大面积电子束照射后,钛合金的表面粗糙度从铣削后的Rz10um下降为Rz0.7um,且抗腐蚀性能得到了显著的提高。这种具有良好表面粗糙度和抗腐蚀性能的钛合金可应用于医疗行业,如制造人工关节和人工骨头等。电子束焊接技术的应用越来越广泛,其还广泛应用于高精度掩模、微机电器件制造、新型IC研发等诸多方面,因此正逐步成为半导体器件和微细加工的关键技术之一,现在对电子束焊接设备的需求量也越来越大。
2.4.2　离子束加工
离子束加工是指在真空将离子源产生的带正电荷且质量比电子大数千万倍的离子加速 (加速以后可以获得更大的动能), 然后聚焦使之撞击工件表面。它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工可用于表面刻蚀、超净清洗,实现原子、分子级的切削加工。根据所利用的物理效应和达到的目的, 可分为离子束溅射去除加工、离子束溅射镀膜加工、离子束注入加工和离子束曝光等几种。
2.4.3激光束加工
由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面,光能被吸收瞬时转化为热能。主要有激光制孔、激光精密切割、激光焊接、激光表面强化、激光快速成型技术、加工精微防伪标志等。基于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点,激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、齿轮行业、铁路机车制造业、开头行业、电子、化工、包装医疗设备等,我国激光加工市场前景广阔,预计平均每年以20% ~30%的速率递增。激光技术将是21世纪高新技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一,其发展将使人类在认识和改造自然力上达到一个新的高度,导致人类生活和社会物质文明以及科学技术的巨大变革
2.4.4　微细电火花加工
电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化而有控制地去除工件材料,以及使材料变形、改变性能或被镀覆的特种加工。微细电火花加工的特点是每个脉冲的放电能量很小 , 工作液循环困难 ,稳定的放电间隙范围小等。由于加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力,只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除,可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。

三、 精密超精密加工的发展
目前，总体而言，精密超精密加工技术的发展现状良好，而且取得了许多举世瞩目的成绩。
在我国，精密超精密加工技术的第一次发展高潮出现在上世纪70年代末至80年代初。在这段时期内，我国精密超精密加工技术的发展卓有成效，取得了许多显著成果。例如，在当时，我国研制出了具有世界水平的超精密机床和部件。目前，北京机床研究所是研究精密超精密加工技术的主阵地之一，为国家做出了突出的贡献。例如，北京机床研究所研制出了许多不同类型的超精密部件、机床以及相关的高精度测试仪器，如精度达0.025um的精密轴承、NAM-80型纳米数控车床、JC-031超精密铣床等等，这些技术在世界上都是首屈一指的。除此之外，航空航天工业部精密加工研究所、哈尔滨工业大学、清华大学等也是目前研究精密超精密加工技术不可或缺的力量。其中，航空航天工业部在花岗岩坐标测量机和超精密主轴方面的贡献很大；哈尔滨工业大学在金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石超精密切削、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术方面作用非常突出；清华大学在磁盘加工及检测设备、集成电路超精密加工设备、微位移工作台、金刚石微粉砂轮超精密磨削、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削方面做出了杰出的贡献。
对于精密超精密工艺技术的研究而言，国外早于我国。目前，美国、英国和日本是在该项技术上处于领先地位的国家。这些国家的精密超精密工艺技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也很高。其中，美国是研究该项技术最早的国家，也是目前研究和发展水平最高的国家。早在上世50年代末，美国就研发出了超精密切削技术（简称SPDT技术），极大地推动了美国航天事业的发展。现如今，美国在很多技术方面也遥遥领先。 例如，美国研发了大型超精密金刚石车床DTM-3型，被世界公认为技术水平最高、精度最高的精密车床之一。当然，这不意味着其它国家精密超精密工艺技术的发展水平低。许多国家研发出了超一流的精密超精密工艺技术，甚至超过了美国。例如，日本研发的小型、超小型电子和光学零件的精密、超精密加工技术就超过了美国。
超精密制造技术将沿着三个方向发展：(1)在尖端技术和产品的需求下，开拓新的加工机理，进入到纳米级和亚纳米级加工精度。(2)在国民经济发展和人民生活水平提高的需求下，进入国民经济主战场，提高国家的经济实力。如汽车制造、计算机、通信网络、光盘、家用电器等均紧密依赖于超精密制造技术的支持。(3)现代制造技术的发展，学科交叉、复合加工技术的特点日益突出，精密加工和超精密加工不仅作为一门独立的学科发展，而且会以更多的交叉学科形式出现，甚至形成新的学科。例如：精密特种加工技术、纳米制造技术等就包含了多种学科。超精密制造技术的发展将促进国民经济主要领域和高技术各相关领域的发展。

四、结语
精密超精密加工技术的发展及应用是一项非常系统的工程。我们要想将该项工作做好,必须做好这样几项工作:首先，我们要对精密超精密加工技术的相关理论有一个清晰的认识；其次，我们要对目前国内外精密超精密加工技术的发展现状有一个准确的分析；最后，我们要采取各项切实有效的措施，增强我国的精密超精密加工技术水平。只有这样，才能实现我国精密超精密加工技术持续、健康、快速、稳定的发展。

参考文献
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