超精密加工领域科学技术发展研究

1、超精密加工领域科学技术发展研究主要内容1. 引言 2. 国内外发展现状及比较分析 3. 基础研究、技术及产业发展策略一、引言超精密加工技术：是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面粗糙度Ra达到纳米级的加工技术的总称。超精密加工在某些应用领域已经延伸到纳米尺度范围，其加工精度已经接近纳米级，表面粗糙度 Ra已经达到 并向终极目标原子级逼近。目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性（无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化等）为目标。超精密加工目前包括4个领域：一 二三四超精密切削加工超精密磨削加工超精密特种加

2、工（如电子束、离子束加工）超精密抛光加工起精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术，其加工表面粗糙度Ra可达到几十纳米，包括超精密车削、镗削、铣削及复合切削(起声波振动车削加工技术等）超精密磨削是指以利用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮以及高性能磨床实现材料高效率去除、加工精度达到或高于0.1m、加工表面粗糙度Ra小于0.025m的加工方法，是超精密加工技术中能够兼顾加工精度、表面质量和加工效率的加工手段。超精密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减少或完全消除加工变质层，从而在得高表面质量的加工方法，加工

3、精度可达到数纳米，加工表面粗糙度Ra可达到A级，超精密抛光是目前最主要的终加工手段。起精密加工应用范围广泛，从软金属到淬火钢、不锈钢、高速钢、硬质合金等难加工材料，到半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，几乎所有的材料都可利用超精密加工技术进行加工。 机械工业提高加工精度的主要原因：并促进自动化装配提高装配生产率增加零件互换性促进产品小型化提高其稳定性、可靠性提高产品性能、质量我国制造业产值居世界第四，仅约占总产值的5%，但单位产值的能耗和物耗居世界第一，比发达国家高410倍。我国目前某些精密机电产品虽已能生产，但大部分超精密加工产品仍然靠加工后经分选获得，因而成品率极低，核心关键零部件仍需进口

4、，如飞机发动机、精密数控机床。 这些都充分说明我国必须大力发展超精密加工技术。二、国内外发展现状及比较分析（一）国际上发展状况超精密加工发展到今天， 已经取得了重大进展，超精密加工已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。影响超精密加工精度的主要因素包括：超精密机床、超精密加工工具(刀具、磨具、磨料等)、超精密加工工艺、被加工材料、夹具、在线检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等).只有将各个领域的最新技术成就集成起来，才有可能实现超精密加工。1、国际上本领域基础研究发展状况超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所

5、体现的。其加工机理随着加工单位(加工应力作用的范围)和工件材料的不均质程度(材料缺陷或因加工产生缺陷)不同而异，如图2所示。加工切除层的最小极限尺寸为原子直径，如果一层一层的切除原子，被加工表面的尺寸波动范围在12A之间，具有这种特征的表面称为“超光滑表面”若在硬脆材料(如陶瓷、硅单晶等)表面用金刚石刃头划个刻痕，硬脆材料则发生脆性破坏，在材料表面残留无数微裂纹。图3所示的是由压入所引起的变形破坏范围的模型。图3中ra为压痕半径，Rs为表面上裂纹长度，c为弹性变形范围的边界。根据这一模型，就可以解释为什么脆性材料磨削过程中不仅有带裂纹的磨痕， 同时还掺杂一些由塑性变形而引起的磨痕.2、国际上技

6、术和产业发展状况目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但其发展重点各有侧重。欧美特别是美国，不断投入巨额经费，对大型紫外线、x射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。日本对超精密加工技术的研究相对欧美起步较晚，但发展很快。日本超精密加工主要侧重于于计算机硬盘磁片、办公设备用多面镜，非球面透镜光学器件的等大批量民用产品的超精密加工。目前，日本在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工方面具有优势。(1)超精密机床：超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件。对于切削和磨削来说，要实现超精密加工就是要实现材料的超微量去除，除了要有极锋利的刀具或微细磨具之外，机床的动

7、态刚度和精度以及微量进给系统非常重要。(2)超精密切削技术：采用微量切削可以获得光滑而加工变质层较少的表面。最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径越小，则最小切削厚度越小。因此，具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造是实现超精密切削的关键技术之一。超精密切削用刀具材料目前均采用天然单晶金刚石。微小结构表面切削加工是超精密切削的一个新的研究方向，目前德国和日本在该领域的研究处于国际领先水平。德国夫琅和费生产技术学院用微小单晶金刚石刀具加工出表面特征结构尺寸小于100 m的金字塔微棱镜阵列和壁厚15 m、高200m 的微薄壁结构，采用快速伺服刀架还加工出具有微反光面

8、阵列的集成镜片。日本东北大学在单晶金刚石车床上安装快速伺服刀架，加工出了微小正弦网格表面(图5)，可以用作多轴位置测量编码器的测量标准，该表面是在X和Y两个方向上正弦的叠加，两个方向的波长和峰谷高度差分别是300m和0.3m。(3)超精密磨削技术超精密切削加工技术可以将铝、铜等软质金属光学零件的加工到所要求的精度，但超精密切削不适宜加工硬脆材料。随着科学技术的不断发展，在机械、电子、通信、空间、光学等尖端技术和国防工业领域中，硬脆材料高精度，高表面质量的零件获得了广泛的应用，如单晶硅片、工程陶瓷、光学玻璃、光学晶体、蓝宝石基片等，超精密磨削技术就是为适应这些材料的高精度高表面质量的加工需要而发

9、展起来的。为了获得高的磨削精度，必须要有高刚度的砂轮和磨床。超精密磨削要求机床具有很高的精度和刚度，砂轮轴的高速旋转必须使用价格昂贵的轴承，而某种程度的振动总是不可避免的。磨削过程中需要对砂轮不断地进行修整，砂轮不断调整 线性接触方式装夹困难以保持磨粒的锐利，防止磨屑堵塞砂轮烧伤工件表面，容屑空间及其保持性成为制作超微细磨粒砂轮的主要难题。磨削过程中，工件与砂轮主要为线接触方式，加工具有单向性，很难保证加工表面的均匀性非磁导性工件装夹困难。这些问题都限制了磨削加工可获得的表面质量日本一些公司已经能够生产粒径为1.3m、1.0m或更细粒度的陶瓷结合剂金刚石砂轮(通常是做成丸片在安装在基体上形成磨

10、具)，并在硅片、蓝宝石基片超精密磨削领域得到了推广应用，所加工硅片的表面粗糙度R a20 nm。（4)超精密抛光技术：为了保证各种功能陶瓷材料制成的电子和光学器件的性能，必须对其表面进行超光滑无损伤加工。晶体材料的无损伤表面抛光技术是以不破坏极表层结晶结构的加工单位进行材料微量切除加工的方法。目前，抛光加工中材料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米级。图6是物理作用与化学作用复合的加工方法。物理作用与化学作用复合的加工方法已成为超精密加工技术的重要发展方向。例如，硅片的化学机械抛光，加工液在硅片表面生成水合膜，可以使加工变质层的发生减少。蓝宝石的干式化学机械抛光时采用石英玻璃抛光盘及干燥状态下的0.

11、01m直径的SiO2磨粒来抛光蓝宝石。磨粒与蓝宝石之间发生界面固相反应，生成富铝红柱石，然后通过玻璃抛光盘的摩擦力将其从蓝宝石表面剥离，实现抛光加工。这些超精密抛光方法如加工条件控制恰当，抛光表面粗糙度均可达到亚纳米级。其中应用最为广泛，技术最为成熟的是CMP技术。CMP加工通过磨粒一工件一加工环境之间的机械、化学作用，实现工件材料的微量去除，能获得超光滑、少无损伤的加工表面；加工轨迹呈现多方向性，有利于加工表面的均匀一致性；加工过程遵循“进化”原则，无需精度很高的加工设备。众多学者采用各种原理或方式开发了一系列的无加工变质层、无表面损伤(不扰乱结晶的原子排列)的超精密抛光方法(表2)(1)超

12、精密无损伤抛光。超精密无损伤抛光是以不破坏极表层结晶结构的加工单位进行材料微量去除的加工方法。可以按加工状态，将无损伤抛光看作是机械作用和化学的作用所进行的，它们的组合形成了各种抛光法在图7中，机械作用是微量去除作用和摩擦作用，化学作用是溶去作用和皮膜形成作用。例如，用于不锈钢镜面加工的电解复合抛光。用硝酸钠水溶液，通过电解作用形成非导体化膜，然后用固着磨料和游离磨料的擦划作用进行加工的。如进行式机械化学抛光(P-MAC)，其机械作用通过抛光盘的摩擦获得，材料的去除是通过抛光液的化学溶去进行的。（2）非接触抛光如图8所示，在微细粒子悬浮液中，使聚氨脂球加工头边旋转边向工件表面接近，微细粒子以接

13、近水平的角度与被加工材料碰撞，完成加工。微细粒子的作用区域十分微小( 12 mm)，在接近材料表面处产生最大的剪断应力，既不使基体内的位错、缺陷等发生移动(塑性变形)，又能产生微量的弹性破坏来进行去除加工。如果对聚氨脂球的加工头和工作台采用数控装置，则能进行曲面加工。(3)界面反应抛光在工件与磨料的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面真实接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，各物质之间很容易互相渗透，化合物很容易产生和分解。这种界面反应一般称为机械化学反应。如果将反应生成物控制在工件表层极小的深度内，因其加工单位很小，就可以在不伤及母材情况下使其脱落，可以获得一般机械加

14、工绝对达不到的超精密表面。这就是一边反应生成易于去除的局部软质生成物，一边进行加工的界面反应抛光方法。超精密抛光还大量应用于曲面的最后精加工。近年来，出现的新的曲面研磨抛光方法有磁性磨粒加工、磁流变加工、气囊抛光、应力盘抛光等几种。(4)电、磁场辅助抛光。电、磁场辅助抛光或场致抛光是通过控制电、磁场的强弱控制磨粒对工件的作用力，进行抛光的加工方法。(5)曲面超精密抛光(1)磁性磨粒加工：是利用磁性磨粒(由磨粒与铁粉经混合、烧结再粉碎至一定粒度制成)对工件表面进行研磨抛光的加工方法。加工时在工件和磁极问充满磁性磨粒，如图1O所示，磁性磨粒在磁场作用下沿磁力线形成“磁刷”，通过工件和磁极的相对运动

15、完成加工。(2)磁流变抛光：利用磁流变液(由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液)在磁场中的流变特性对工件进行研磨抛光。如图11所示。磁流变液由喷嘴喷洒在旋转的抛光轮上，磁极置于抛光轮的下方，在工件与抛光轮所形成的狭小空隙附近形成一个高梯度磁场。当抛光轮上的磁流变液被传送至工件与抛光轮形成的小空隙附近时， 高梯度磁场使之凝聚、变硬，成为粘塑性的宾汉介质(类似于“固体”）具有较高运动速度的宾汉介质通过狭小空隙时，在工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除，而离开磁场区域的介质重新变成可流动的液体(3)气囊式抛光其原理如图14所示：进动抛光是一种新颖的光学器件的抛光方法，它

16、具有高斯形收敛的去除函数，陀螺式的旋转使得工件在抛光区域任意一点产生不同方向的摩擦力， 从而抛光纹理错综交叉，使得纹理细腻无方向性划痕，以柔性头作为抛光工具并结合数控抛光技术，使得该方法很容易加工出高精度、高表面质量的光学器件。气囊式抛光方法适合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的抛光(质量控制)和修整(面形控制)。(4)应力盘抛光该方法采用大尺寸弹性盘为工具基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以实时地变形成所需要的面形，与非球面工件的局部面形相吻合，进行研磨抛光加工。应力盘抛光技术具有优先去除表面最高点或部位的特点，具有平滑中高频差的趋势，可以很好地控制中高频差的出现、有效地提高加工效率。

17、(4)应力盘抛光应力盘面形控制的一种实现方式如图15所示，应力盘周围上装有12个驱动器和连杆装置，12个驱动器分为4组，每三个构成一组成等边三角形分布，每个驱动器装有着力点和测力传感器，4组等边三角形合力可以产生需要的弯矩和扭矩。在12个变力矩的作用下，应力盘能够产生需要的变形。（二）国内本领域发展状况哈尔滨工业大学是国内最早从事超精密加工技术研究的单位之一，于1996年研制出了亚微米级的超精密机床，并在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作，2006年研制成的大平面超精密铣床。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，

18、研制的NAM一800型纳米数控车床是新一代纳米级加工机床，控制系统分辨率为5nm、定位精度为士0.2um国内超精密加工研究领先领域长春光机所研制的数控非球面加工中心国防科技大学精度达到9.4nm光学玻璃抛物面镜国防科技大学研制成具备非球面加工能力的IBF设备，加工精度可达纳米量级浙江工业大学超精密加工研究中心和湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心袁巨龙等首次提出了将固着磨粒加工优点和游离磨粒加工优点进行整合的半固着磨粒加工(SFAM)技术。目前已制成Al203、SiO2等多种磨料的半固着磨粒磨具，不仅批量加工的成品率高， 而且加工时间比传统抛光缩短数倍，表面粗糙度达到0.1nm级图是用SFAM

19、技术加工的蓝宝石表面粗糙度结果长期以来，我国先进电子制造主要技术几乎全部依赖进口，核心技术更受到国外封锁，极大地制约了我国电子技术的自主发展。我国目前超精密加工装备的研发大部分还只是在研究型机床阶段，超精密加工工艺等技术的研究国内各个单位各有特点，研究力量比较分敏，基本是各自为政的课题研究，还不能形成产品系列和产业化气候。总体技术水平还比较落后，不足以满足我国超精密加工行业的需要。（三）发展趋势和预测超精密加工技术总的发展趋势是： 大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备； 复合化、无损伤加工工艺 超精密、高效率、低成本批量加工； 在生产车间大量应用的高精度低成本专用检测装置。超精密加工技术未来的发展趋势及预测如表3所示。（四）我国与国际本领域发展水平的差距我国在超精密机床与国际先进水平相比在完备性、可靠性与精度保持性还有较大的差距，总体上与国外相比差距还有15年以上具体主要表现在以下几个方面：(1)机床的总体性能：对于一些复杂形状的零件加工，需要两轴以上的超精密机床才能完成，例如Moore公司已商品化生产五轴超精密切削机床，而国内的金刚石切削机床目前只做到了两轴。(2)综合精度指标及稳