超精密加工发展与展望

1、超精密加工的发展和展望精密和超精密制造工程是适应前沿高技术发展需求而发展起来 的。它是一个国家重要经济和技术实力的体现，是其它高新技术实施 的基础。超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一, 各技术先进国家在高技术领域（如国防工业、集成电路、信息技术产 业等）之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展超精密制造技术 有极其重要的关系。超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。renishaw. heidenhain及sony等公司发展了分辨率均可以达到1 nm的测量元件; 美国hp公司、英国taylor.美国zygo等公司的测量仪器均可以满 足纳米测量的需求。超精密制造技术在国际上已

2、经得到广泛应用。与国防工业有关的 如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜 （hst）、飞机发动机转子叶片等；与集成电路（ic）有关的硅片加工（要 求硅片的加工表面粗糙度ra 般小于2nm,精度要求达0. 1 nm）:此 外光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米和纳米级。仪表的精 度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的反射镜等，其表面 粗糙度均要求达到纳米级。另外，光学非球曲面零件面形制造精度要 求已达入/ （3050）,表面粗糙度要求wo. 5nmo1超精密制造技术的发展状况1962年美国union carbide公司研制出首台超精密车床。在美国 能源部支持下，lli

3、实验室和y12 x厂合作，与1983年成功地研 制出大型超精密金刚石车床(dtm3型)。该机床可加工直径02100mm, 多路激光干涉测量系统分辨率为2. 5nmo 1984年，lll实验室成功地 研制出l0dtm大型金刚石车床。该机床可加工的最大直径为c 1625mm x 500mm,重量1360kg。采用的双频激光测量系统分辨率为 0. 7nm,其主轴静态精度为：径向跳动w25nm,轴向窜动51 nmo lll 实验室这两台机床是目前公认的国际上水平最高的超精密机床。cupe(cranf ield unit for preci sion engi neer ing)研制的nanocente

4、r超精密车床已批量生产，其主轴精度w50nm,加工工件 的面形精度w0. 1 |1 mo taylor公司兼并了 pneumo公司以后，批量生 产nanoform 250超精密车床，产品占据了国际超精密加工很大部分 应用市场，是技术领先的产品。进入90年代以后，超精密铳磨和抛 光技术在几个发达国家竞相发展，个别实验室可以达到很高的水平， 特别是其中包含的纳米制造技术，受到很大的关注。开发超精密铳磨 和纳米拋光制造技术较好的公司及机构有：美国moore公司、英国的 taylor、德国的 zeiss、loh、schneider.日本的 nachi、toshiba. 荷兰的philip等。国内有许多

5、单位在从事研究和生产超精密加工设备和仪器，如： 北京机床研究所、清华大学、长沙国防科技大学、哈尔滨工业大学、 西安交通大学、303所等单位。北京机床研究所生产的超精密机床特 点是：主轴性能好，精度可以达到20-50nm,刚度可以达到350n/pm; 溜板直线性w0. 1m/200mm;加工件表面粗糙度值小，车铳表面精度可以小于1nm;运动系统分辨率高，可以达到纳米级；商品化程度高。 机床类型包括：jcs027超精密车床、nam800超精密车床、 square300超精密铳床和sphere 200超精密球面加工机床等。哈尔滨工业大学研制的超精密机床型号为hcm,主轴精度w50nm, 径向刚度22

6、0n/|im,轴向刚度160n/m,导轨z向（主轴）直线度 0. 2 nm/100 mm, x 向（刀架）直线度w0. 2 口 m/100mm, x、z 向垂直 度w1”，加工工件精度形面精度（圆度）w0.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

7、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。2.超精密加工机床关键技术1机床系统总体综合设计技术超精密机床尖端的设计、制造技术已升华到一种艺术境界，非常 规方法能及。常规机床在设计与制造等技术环节上要求相对较低，而 超精密机床各环节基本都处于一种技术极限或临界应用状态，哪个环 节考虑或处理不周就会导致整体失败。因此，设计上需对机床系统整 体和各部分技术具有全面、深刻的了解，并依可行性，从整体最优出 发，周详地进行关联综合设计。否则，即便是全部采用

8、最好的部件、 子系统，堆砌方法仍会导致失败。如lodtm机床设计必须对误差源进 行周详分析，识别其耦合机制并且以传递函数表达，用综合原则对主 要误差进行分配和补偿。2高刚性、高稳定机床本体结构设计和制造技术尤其是lodtm机床，由于机身大、自身重、承载工件重量变化大， 任何微小的变形都会影响加工精度。结构设计除从材料、结构形式、 工艺方面达到要求外，还须兼顾机床运行时的可操作性。如为了获得 高稳定性能，lodtm床身设计成高整体性，尽量减少装配环节；整体 热处理，需解决相应大尺寸的热处理设备、工艺；床体精加工时需严 格模拟实际工作状态进行精密修正等。3超精密工件主轴技术中小型机床常采用空气静压

9、主轴方案。空气静压主轴阻尼小，适 合高速回转加工应用，但承载能力较小。空气静压主轴回转精度可达 005urn。超精密机床主轴承载工件尺寸、重量大，一般宜采用液体 静压主轴。液体静压主轴阻尼大、抗振性好、承载力大，但主轴高速 时发热多，需采取液体冷却恒温措施。液体静压主轴回转精度可达 0.1 pim。工件主轴用于速度控制模式时，主轴角度编码器分辨率要求 不高。当用于xzc位置控制模式时，为了保证加工工件的表面质量， 编码器分辨率要求非常高，可达0.06。为了保证主轴精度和稳定 性，无论气压源或液压源都需进行恒温、过滤和压力精密控制处理。4超精密导轨技术早期的超精密机床采用气浮静压导轨技术。气浮静

10、压导轨易于维 护，但阻尼小，承载抗振性能差，现已较少采用。闭式液体静压导轨 具有高抗振阻尼、高刚度、承载力大的优势。国外主要的超精密加工 现在主要采用液体静压导轨。超精密的液体静压导轨的直线度可达到 0. 1 |j mo5纳米（a。）级分辨率动态超精密坐标测量技术早期的超精密机床坐标测量系统采用激光干涉测量方式。激光干 涉测量是一种高精度的标准几何量测量基准，但是易受环境因素（气 压、湿度、温度、气流扰动等）影响。这类因素容易影响刀具控制， 从而影响工件的表面加工质量。为此，美国llnl的l0dtm坐标激光 测量回路采用了真空隔离和零温度系数的殷钢坐标测量框架技术。这 也是激光坐标测量方面的顶

11、尖应用。现今的超精密机床坐标测量系统 大多采用衍射光栅。光栅测量系统稳定性高，分辨率可达纳米级。为 了进一步获得较高的位置控制特性和表面加工质量，采用dsp细分, 测量系统分辨率可达a。级。6纳米级重复定位精度超精密传动、驱动控制技术为了实现光学级的确定性超精密加工，机床必须具有纳米级重复 定位精度的刀具运动控制品质。伺服传动、驱动系统需消除一切非线 性因素，特别是具有非线性特性的运动机构摩擦等效应。因此，采用 气浮、液浮等方式应用于轴承、导轨、平衡机构成了必然的选择。伺服运动控制器除了具有高分辨率、高实时性要求外，在控制方 程及模式技术上也需不断进步。实验证明：研制系统进行曲面加工控 制时，

12、高性能伺服运动控制器执行一阶无差、二阶有差控制，刀具轨 迹动态跟踪有滞后现象。这种滞后量虽小，精密加工可不计，但超精 密加工中不可忽略。7开放式高性能cnc数控系统技术从加工精度和效能出发，数控系统除了满足超精密机床控制显示 分辨率、精度、实时性等要求，还需扩展机测量、对刀、补偿等许多 辅助功能。因为通用数控系统难以满足要求，所以国外的超精密机床 现在基本都采用pc与运动控制器相结合研制开放式cnc数控系统模 式。这种模式既可使数控系统实现高的轴控性能，还可获得高的功能 可扩充性。超精加工与一般精度加工不同，加工需辅以测量反复迭代进行。为了 减少工件再定位引入的安装误差，或解决大尺寸、复杂型面

13、无有效测 量仪器问题，机床在机需配置各种光学、电子测量仪器和补偿处理手 段。对此，pc与运动控制器相结合的开放式cnc数控系统可发挥其 优势。8高精度气、液、温度、振动等工作环境控制技术(1)机床隔振及水平姿态控制。振动对超精密加工的影响非常明显。机床隔振需采取特殊的地基 处理和机床本体气浮隔振复合措施。气浮隔振系统采用具有位置控制 的主动式气垫。lodtm机床支撑在4个气垫上，并形成3点动态可调 平支撑。机床体气浮隔振系统还需具备自动调平功能，以防止机床加工中水平 状态变化对加工的影响。对于lodtm隔振要求高的机床，隔振系统的 自然频率要求在1hz以下。对于机床的液压源、冷却水源的脉动也必

14、 须采取措施，如采取脉动滤波装置等。(2)温度控制。对lodtm机床来说，机床和工件尺寸大，受温度影响也大。在同 样的切削量和线速度下，大工件的加工周期长，温度对加工精度的影 响非常大。因此，lodtm机床温控要求非常高。如llnl的lodtm机 床，机床床体恒温水、液压系统控温为0. 0005°c,机房空气控温为 0. 003°co对于小型商品化的机床，温度控制要求不需太高(0. 5°c) o 这是因为小零件的高速加工时间短，温度影响相对较小且易控。超精密机床的未来展望超精密加工机床系统总的发展趋势是，要求更高的加工表面质量 和面形精度，加工尺寸趋于极大和极小两

15、个方向，同时要求复杂形面、 不同材料的加工适应性等。在提高加工表面质量、面形精度方面，一方面继续提高机床的精度、 稳定性，另一方面通过加工工艺进步引入复合加工功能等，如在多轴 超精密自由曲面磨床上引入进动抛光等准确定性加工功能以提高表 面质量和面形精度。超精加工所能达到的表面质量、面形精度与元件 尺寸、形状、材料相关。未来最能反映机床精度水平的lodtm,加工 精度稳定达到，表面粗糙度在r5nm,面形精度可达亚微米（工件尺 寸0 1000mm） o对于具有复合加工功能的机床，辅以测量技术还可 进一步从加工工艺上提高精度。关于大尺度的发展应用，如适应未来 空、天基强激光武器轻质、高刚性金属基主反

16、射镜加工的超大型 sl0dtm机床；地基超大口径深空望远镜（如欧洲的euro50（j）50m）、 owl（0100m）拼接式离轴非球面镜（数米尺寸）加工的多轴超精 密磨削加工等。近年来，太赫兹（thz）作为一门新兴技术得到了广泛重视。太赫兹 频谱介于微波与红外之间。太赫兹的独特性能给反隐身探测、电子对 抗、电磁武器、宽带通信、天文学、医学成像、无损检测、安全检查 等领域带来了深远的影响。太赫兹是未来超精密加工技术与机床广泛 和重要的应用领域。从大的尺度来说，太赫兹应用需求巨大，如太赫 兹天线镜面加工需求。在小的尺度方面，太赫兹系统中的微型波纹喇 叭天线（毫米级复杂形状内腔、微米级加工精度）是未来所需解决的 超精密加工难题之一。超精密微机械加工机床的关键技术不在机床自 身尺寸。由于运动精度要求，这种机床尺寸不能做得太小，因而其关 键技术在于机床结构，如工件的装夹，在位测量、调整、对刀、微型 超精密刀具等。在加工面形的复杂度方面，由于太赫兹波束控制元件表面电磁特性， 其设计元件面形更加复杂，如非对称赋形自由曲面等。由于各种条件 限制，超精密机床不可能做得太大。对于硬脆材料的超大型应