超精密加工的发展动向和展望

魔神

    

　　超精密加工经过数十年的努力，日趋成熟，不论是超精密机床、金刚石工具，还是超精密加工工艺已形成了一整套完整的超精密制造技术系统，为推动机械制造向更高层次发展奠定了基础，现在正在向纳米级精度或毫微米精度迈进，其前景十分令人鼓舞。但是从另一个角度来分析，随着科技的发展，对它的要求越来越高，而现实的情况又受到技术水平的制约，依然存在许多困难。

　　1综述

　　超精密加工技术是一门综合性的系统工程，它的发展综合地利用了机床、工具、计量、环境技术、微电子技术、计算机技术、数控技术等的进步。日本的津和秀夫教授形象地将超精密加工比作富士山的山顶，所以在某种意义上说，已到达了精密加工的顶峰。日本的文献上，经常出现向极限靠拢的提法。虽然从技术的角度来说，有些模糊，但是很形象化。实际上，加工精度在现有的水平上再提高一步已是相当困难。以现在的产品而言，凡是要求高的尺寸，大部分是超越现有标准的，这从另一个侧面反映了超精密的实际情况，相当多的要求，均以技术条件的形式来表示，或标明具体的特殊公差，而今天除了精度以外，对表面还提出了新的要求——表面完整性。日本谷口纪男教授往往将超精密加工技术与微细加工综合在一起来加以介绍，客观上反映了两种技术的交叉，也体现了时代的特征。本文想就超精密加工发展的趋势，说明一些个人的看法。

　　超精密加工技术随着时间的推延，精度、难度、复杂性等都在向更高层次发展，使加工技术也随之需要不断加以更新，来与之相适应。

　　以金刚石切削为例，其刃口圆弧半径一直在向更小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度，与光学镜面的反射率直接有关，而今反射率要求越来越高，如激光陀螺反射镜的反射率已提出了99.99%，必然要求金刚石刀具更加锋利，根据日本大阪大学岛田尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度1nm，其刃口圆弧半径趋近2～4nm。直至今日，这个水平仍为世界最高的。为了达到这个高度，促使金刚石研磨机也改变了传统的结构，而采用了空气轴承作为支承，研磨盘的端面跳动能在机床上自行修正，使其端面跳动控制在0.5μm以下，我国航空系统303所研制的刃磨机就是一例。刃口锋利了，接着其检测又成为一个难题，起先日本横滨大学的中山一雄教授用金丝压痕的方法；后来发展到采用扫描电子显微镜(SEM)，其测量精度可达到50nm；随着精度的再提高，日本的刀尖评价委员会又在SEM上增加了二次电子的发射装置，这时也只能测定到20～40nm；1993年，该小组再提出采用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)来进行检测，但以后就未见报道。直到1996年，我国的华中理工大学发表了用AFM检测的报道。1998年，哈工大又再次作了报道。用AFM成功地检测了刃口圆弧半径。检测技术的突破，的进为微量切削机理一步探索创造了前提。

　　硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法，后来日本足利大学的宫下政和教授发表了采用金刚石砂轮，控制切削深度和走刀量，在超精密磨床上，可以进行延性方式磨削，即使是玻璃的表面也可以获得光学镜面。这在技术上是一次很大的突破。接着，又发展到了直接采用大负前角度的金刚石车刀在上述的类似条件下，也可以获得同样的结果，但车削的效率则明显的提高。今天又提出如果将超声波技术与金刚石切削结合，更有利于发挥出功效。我国吉林工大等也作了这种尝试，并取得成果。

　　砂轮采用金属结合剂，一般指的是铜，而为了提高砂轮的寿命，日本东京工业大学的中川威雄教授采用了铸铁结合剂，使砂轮的寿命明显提高，这是很大的突破，随之，引起了各种结合剂的研究热潮。后来日本理化学研究所的大森整就在这个基础上，发展了砂轮的在线电解修整(ELID)技术，又使超精密加工技术的途径得到了拓宽，在镜面加工方面取得了进步。

　　金刚石技术的发展，近几十年来，给了科技人员很大的激励，从天然金刚石到人造金刚石，从超硬金刚石薄膜到厚膜的形成，逐渐为在超精密制造技术方面广泛采用金刚石工具创造了美好的前景。为了金刚石应用领域的拓宽，为突破金刚石切削黑色金属，一直在进行大量的实践，如深冷切削、富碳大气中的切削等，都先后取得一些效果，也有在金刚石的成份中掺入硼，使之与黑色金属的亲和力明显改善。而今金刚石的刃磨已在探索其他的途径，如热化学研磨即为一例。

　　微量切削的机理一直是技术人员所关切的一个大问题，但是要直接对切削点观察是异常困难的，现在有提议将切削装置小型化，放置于SEM的镜头下进行切削并观察；日本大阪大学井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步在向揭开微量切削的奥秘迫近。

　　超精密机床的发展，已经相当成熟。它是最重要的硬件，它集大量成果于一体，如高精度主轴、微量进给装置、高精度定位系统、气浮导轨技术、热稳定性技术、NC系统等。特别是美国的LLNL实验室、日本的不二越、东芝机械等公司、英国的Cranfield、Pneumo Precision等的产品都已商品化，在市场上很有声望。

　　总之，超精密制造技术是综合的、系统的技术组合，而且随着时间的推延，其内涵始终在演变，因此必须及时跟踪、分析，综合地将其各方面的进步，以新颖的构思巧妙地加以重组，来不断地提高超精密加工技术水平，适应时代的要求。

　　2展望与对策

　　时代对超精密加工技术仍在不断地提出更新的需求，从大到天体望远镜的透镜，小到微机械的微纳米尺寸零件。不论体积大小，其最高尺寸精度都趋近于毫微米；形状也日益复杂化，各种非球面已是当前非常典型的几何形状；70年代，始于日本的产品短薄轻小的战略思想，引发了仪表的小型化、轻便化，从而导致仪表零件的薄壁、低刚度、易变形的特点，也造成超精密加工的更大难度。

　　在当前必然也会谈到的是微机械技术的诞生，为超精密制造技术引来一种崭新的态势，它的微细程度使传统的制造技术面临一种新的挑战。尽管它的诞生时间只是近期的事。人们已公认为它是21世纪的前沿技术。它的发展极为神速，受到全世界的关注，我国也不例外，仅几年时间，许多单位已生产出各种产品，甚至完成了将原子迁移，构成图形或字体等的各种创举。1996年，上海交通大学展示了直径为2mm的微电机，而今天瑞士TECHSTAR GmbH已经将直径3mm电机，转速为100,000r/min的产品作为商品销售，其最小的滚珠轴承外径只有3mm。微机械的发展如此迅速，确实惊人！

　　面临即将到来的21世纪，我国从事超精密加工的广大科技人员如何努力才能缩短与国外的差距，作为这条战线的一名工作者，确是日有所思，下面提出一些个人的具体想法。

　　跟踪世界先进科技的发展，大量掌握和利用信息

　　超精密加工技术是发展科技的重要手段，所以受到世界各国的广泛重视，因此也就不断地获得新的成果，但是因为它的要求都处在精度的极限，传统的、单一的技术往往很难突破，必须综合地利用当前取得的各种成果，通过综合、分析，加以整合、重组，才能进一步满足更高的要求。因此当务之急是如何及时地取得各种有关的信息。自从进入信息时代，获得信息的手段也随之而得到发展，特别是计算机联网的实现，加速了信息传递。因此为信息的及时获得创造了前提，同时已成为竞争的重要手段。前面已提到的金刚石切削刃口圆弧半径的测量，一直是超精密加工技术领域中的一个难题，自从1982年，STM和AFM的发明，应当说为其测量创造了前提，但是当时并未受到应有的重视，直到1993年才从《Precision Engineering》看到美国学者J.Drescher提出这种设想，但并未实现。到了1996年和1998年，才看到我国的华中理工大学和哈工大在这方面相继作出了的有关的报道。表明这些信息的传递，有利于加速技术的发展。但为什么实践如此滞后。也许可以说，信息虽然是有了，但并没有很快得到应用，当时它的出现并非直接为超精密加工领域应用的。不过今天看来这项研究，所以能获得进展，也是因为应用了这个信息。这充分说明信息只是一种素材，有了信息还得进一步经过加工，才能成为真正的手段。

　　超精密加工技术一直是制造技术的前沿技术，每前进一步，都需付出很大的代价，而且对其要求也是随着时间的推延而不断提高，这就必须广泛的收集信息，虽然工艺信息往往是被视作Know-How而加以保密，所以更增加了它的收集难度，但是信息的渠道是多方面的，另外，得到的信息，大部分仍然需要经过大量筛选，择其有用的为我所用。而信息的收集必须先行，并且需要及时。

　　比如，当前硬脆材料的加工已是当务之急，历来采用磨削的途径，但是在技术上存在比较难克服的问题，往往满足不了光学等方面的要求，有的还将附加采用难度不小的抛光。为了突破这个难题，世界各国都开始摸索新的途径，后来出现在超精密机床上加工硬脆材料，控制极小切深和走刀量，首先从磨削突破了硬脆材料延性方式的技术，紧接着也很快采用大负前角的金刚石车刀获得成功。当然在掌握上，仍然存在难度。近期又有建议在金刚石的切削上如果复合振动切削，便能更易实现硬脆材料延性方式的切削。这表明技术是在不断推陈出新的。必须时时跟踪，这样才有可能缩短研制的周期，突破难题。

　　整合、重组思想的运用

　　超精密加工技术是一项系统工程，它集机床、工具、计量、数控、材料、环境控制等成果于一体，针对不同的加工对象，不同的设计要求，综合地加以利用。这里想以当前的超精密机床为例，可以发现大部分这类机床也是反映出这些特点，它是根据自己所需的产品来设计、制造的。从这类机床的主轴、直到床身，几乎均被认为到了精度的极限，因此每种型号特色都比较明显。而商品化的也有一些，但从已发表的文献中来看，只是少数。前者如美国的LLNL国家实验室的大型光学金刚石车床LODTM等。后者如Pneumo Precision公司的SMG325超精密机床。即使是大量生产磁盘的车床其需要量也是很有限的，以日本东芝机械公司为例，据其公司的介绍，每年在日本的补充量也仅三十多台，或者更少。这是超精密机床的特点。

　　超精密机床的特点扩大到整个超精密加工技术来看，有类似的情况，超精密加工技术也都是在其有关的各项技术支撑的条件下，逐步发展起来的，同时又往往取各项技术的崭新成果来加以充实、提高。例如金刚石车刀的刃口圆弧半径达到2～4nm，就可切削下小于1nm厚度的切屑，这为更高精度的加工创造了前提；摩擦驱动的出现，完全解决了滚珠丝杆的发热、振动、振摆和噪音等的不足，使获得更佳的质量具有可能性；冷却液的温度能控制到20±0.0005℃，在喷淋下切削可以保证高精度；静压轴承的高精度为主轴的高精度回转提供了条件；双频激光干涉仪达到了当前的最高定位精度；喻为零膨胀系数的微晶玻璃为超精密机床向更高层次的发展提供了可能。这许多崭新的技术成就为整个超精密加工技术向纵深发展创造了依据。今日的超精密加工技术就是以这许多先进技术作为支撑的。但是如何运用好这些技术，还有待更高超的整合和重组的技巧。这是超精密加工技术方面的重要课题。

　　创新是推动超精密加工技术发展的动力

　　超精密加工技术每前进一步，都离不开创新，这是由超精密加工技术所处的位置决定的，因为这门技术始终处在发展的前沿。面对飞速发展的需求就决定了它必须创新。

　　美国的LLNL国家实验室是最典型的一个科研单位。在超精密加工技术方面作出的贡献一直为世人所公认。以摩擦驱动为例，它替代滚珠丝杆被应用在LODTM型的超精密机床上，是一个创举，其优点已在前面介绍过，Jim B.Bryan教授因而被喻为“摩擦驱动之父”。这个实验室，还研制了一台BODTM小型的超精密机床，它完全是用市场购买的部件组装而成的，我们称为模块方式的结构。这体现了超精密机床的单件或小批量的特点。这种方式不仅研制周期短，成本低，而且可以组合成各种机床，甚至可以形成小的批量生产。我国航空系统303所的实践也充分表明这一点。

　　日本认为综合利用也是一种创新。最近日本松下电器公司将AFM仪器装到高精度三坐标测量机上，使其量程最大可达400mm，最高精度为10nm，可倾斜最大60°角的任意三维形状，成为世界上最高精度的UA3P型三坐标测量机。他们拓宽了原有测量机的功能，更重要的是向超精密加工前进了一大步。现在有人开始正在将平行机构应用在三坐标测量机上，可以预见一种新功能的测量机将会依靠创新而诞生。

　　电加工在近期进入了超精密加工技术领域，从发展的角度来分析，在未来的世纪中，将会发挥出更大的作用。今天的电加工不论其功能，还是加工的质量已经接近超精密切削加工的水平，以电火花线切割为例，通过采用二次切割(Second Cut)，其切割的精度为±2μm，能达到很高的表面质量。再说电火花成形加工，在采用平动或摇动的基础上，最近创造了混粉(铝、铬和硅等)加工，被加工表面达到了镜面。电加工技术迄今仍在向更高层次发展，其前景十分令人鼓舞。例如，日本东京工业大学的增泽隆久采用0.01mm的电极丝，在电火花线切割机床上切割f0.3mm直径的7个齿的小齿轮，说明电加工已经发展到微机械加工领域。这可充分说明由于创新使电加工技术迅速地得到腾飞。1943年发明电加工时仅仅是一种辅助性的粗加工手段，而今已步入了超精密加工技术的行列，真是不可同日而语了！

　　陶瓷性能的优越，作为结构材料已众所周知，但是其加工的难度太大，是有名的难加工材料，陶瓷滚珠的加工就更难。如何制造高精度陶瓷滚珠已成为热门的一项课题，采用传统的研磨机，存在一些不足，于是日本金泽大学的黑部利次等教授将V型槽研磨盘分为内外两个有斜面的盘，V型是由两个斜面构成，这样这两个盘可以以不同的速度回转，改善了滚珠在研磨中的状态，来得到高精度。这是从另一个侧面介绍了研磨领域里的一种新颖的构思。

　　金属结合剂的金刚石砂轮的应用历史已不短，其结合剂历来就是铜剂，日本东京工业大学的中川威雄教授提出采用铁剂，使金刚石砂轮的寿命提高了1～2倍。并且引起了技术界研究结合剂的热潮。在这基础上，日本理化研究所的大森整博士又发展了金刚石砂轮的在线电解修正(ELID)技术，拓宽了镜面加工的新途径，创新的作用发挥出了淋漓尽致的效果。

　　总之，创新在超精密加工领域中占有重要的位置，这是无可争辩的。

　　注意动向，为发展铺平道路

　　超精密加工技术在向更高精度的层次发展，具体说，正在受到毫微米精度的挑战，另一方面又面临微机械的要求，传统的加工也面临不适应的局面。因此从战略上必须重视这些发展。这里只提出几个例子作为参考：

　　微机械的制造技术

　　微机械与微机械加工已是当前超精密加工技术延伸的一个重要方面。由于与传统的机械加工有着很大差异，因此逐渐在超精密加工技术领域出现一种崭新的动向，它正起到推动超精密加工技术发展的作用。LIGA技术就是典型的产物；电加工向微细加工的发展又是一例。以STM、AFM等组成的SPM系统正在被应用在机械加工领域，今天超精密加工的表面质量通过这类测量仪表的计量，使加工的技术水平向更高层次发展。这些技术的发展不仅推动微机械技术的发展，而且也加速了传统机械加工的进步。

　　硬脆材料采用延性方式加工

　　科技的进步，促使广泛采用新材料，而新材料中许多是硬脆材料，其加工难度很大，尤其是光学零件的透镜，要求镜面，自从出现采用延性方式的加工技术，引发了很大的研究热潮，但是它必须提供更优越的条件，因此有人提出金刚石车削与超声波技术结合的复合加工。总之，这是前景很好的技术，但是难度很大，当前仍处在实验室阶段，还有待进一步完善和探索。而今后的需求确实十分迫切。

　　超精密计量技术的发展

　　要发展超精密加工技术，最迫切的是超精密计量。从发展的角度来看，超精密加工技术一直在向更高层次推进，因此其定义也很难加以确定，精度也随着时间的推移不断提高，计量便首当其冲。应当说，计量技术在当前已经有了很大提高，条件明显得到改善，但是需求则更高，这就是矛盾的所在。激光作为计量的基准，对超精密加工技术起到了巨大的推动作用；扫描探针显微镜(SPM)出现，对提高超精密加工技术向高层次的发展起到了关键的作用，而且也有助于微机械的发展。这是有利的方面，但是其利用只是刚开始，有待进一步开发，但从发展来看，难度依然很大。

　　非球面光学加工

　　非球面透镜的出现是光学领域的重要发展，它的迅速发展，给超精密加工技术提出了迫切的要求，随着时间的推移，精度的不断提高，难度也日益变大。所以近期已成为超精密加工领域的一项重要的课题。这项技术不仅应用于大型天文望远镜，而且用于红外及短波段的反射光学成像系统与量大面广的光盘光学聚焦透镜。今天透镜的材料也在迅速发展，新型的塑料透镜已成为热门的目标，由于其量大且塑料的热膨胀系数大，使制造的难度也日趋增大。尤其是光学透镜的模具制造更是超精密加工技术今后的重要课题。

　　限于篇幅，这里只能举几例，说明随时随地应当注意其动向，为超精密加工技术的发展，得取动力。

　　3结束语

　　超精密加工技术是机械制造领域的重要方面，它的发展是尖端技术的基础，它的成就将是推动整个科技向更高层次发展的重要手段，也是现阶段必须突破的关键技术，因此及时借助于当前的有关各项技术的进步，综合加以利用才能突破。这就是本文的初衷。【MechNet】