超精密加工与纳米
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• 高自动化：
• 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分 子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳 米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。 国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的 吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如， 现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、 大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路 硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级 加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半 导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。
20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要， 美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精 密切削——单点金刚石切削技术，又称为“微英寸技术”， 用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、 非球面大型零件等。从1966年起，美国的unionCarbide公 司、荷兰Philips公司和美国 LawrenceLivemoreLaboratories陆续推出各自的超精密金 刚石车床，但其应用限于少数大公司与研究单位的试验研 究，并以国防用途或科学研究用途的产品加工为主。这一 时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可 以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例 如非球面镜等。
• 3聚焦离子束技术
聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至 纳米量级，通过偏转系统及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳米结构的无掩模加工。
• 4准分子激光直写纳米加工技术
准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直写”特 点、无环境污染以及对加工材料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMs和 纳米加工技术。其加工系统原理如图3所示。
通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、 精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是 指加工精度为1~0.1µm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01µm的 加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变 化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
发展历史
20世纪50年代至80年代为技术开创期。
20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。
从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、 光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工机的需求 急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、 Fresnel镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基 板加工、半导体晶片切割等。在这一时期，超精密加 工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气 轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦 驱动进给轴也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界 常见的生产机器设备，许多公司，甚至是小公司也纷 纷推出量产型设备。此外，设备精度也逐渐接近纳米 级水平，加工行程变得更大，加工应用也逐渐增广， 除了金刚石车床和超精密研磨外，超精密五轴铣削和 飞切技术也被开发出来，并且可以加工非轴对称非球 面的光学镜片。
• 5纳米压印技术
于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印(naIloimprim limography，NIL)技术， 最近被国外称为“将改变世界的十大新兴技术”之一。NIL技术的概念可说是 源自于我们日常生活中盖印章的行为，此动作可将原来在印章上的图形压印到 另外一件物体表面上。
发展趋势
精密化 智能化 自动化 高效化 信息化 柔性化 集成化
• 超精密加工关键技术 • 超精密机床技术 • 对超精密机床的要求：
• 高精度：几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨 率。
• 高刚度：静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度
• 高稳定性：长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐 磨性、抗振性、无热变形
纳米加工技术简介
什么是纳米加工？
纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分 子的去除、搬迁和重组。是纳米技术主要内容之一。
精度为3～O．3 μm，粗糙度为O．3～O·0ຫໍສະໝຸດ Baiduμm的叫 精密加工；
精度为0．3～0．03 μm，粗糙度为0．03～0．005 μm的叫超精密加工，或亚微米加工；
精度为0．03 μm（30纳米），粗糙度优于0．005 μm 以上的则称为纳米（nm）加工。
纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子 或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然 要求超过该物质的原子间结合能。
纳米加工分类
包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀（电化学 等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等多种方法
纳米加工技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面：
1、纳米材料 ；⒉、纳米动力学； 3、纳米生物学和 纳米药物学 ；4、纳米电子学。
纳米加工技术的应用
几种新兴的纳米加工技术
• 1利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术
• 2化学合成方法
化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一种途径——用化学过程“自 下而上”地把微观体系的物质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械 合成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研究化学合成方法非常重 要。
• 纳米加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现 代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术 成就，使得加工的精度从20世纪60年代初的微米级提高到 目前的10nm级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了 1～2个数量级，极大的改善了产品的性能和可靠性。
• 目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要 标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及 用这些材料作为关键元件的各类装置的高性能化，要求功 能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力 地促进了纳米加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现 促使纳米加工向其极限加工精度—原子级加工进行挑战。
20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。 在20世纪80年代，美国政府推动数家民间公司Moore
Special Tool和Pneumo Precision公司开始超精密加工设备 的商品化，而日本数家公司如Toshiba和Hitachi与欧洲的 Cmfield大学等也陆续推出产品，这些设备开始面向一般民 间工业光学组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依 然高贵而稀少，主要以专用机的形式订作。在这一时期， 除了加工软质金属的金刚石车床外，可加工硬质金属和硬 脆性材料的超精密金刚石磨削也被开发出来。该技术特点 是使用高刚性机构，以极小切深对脆性材料进行延性研磨， 可使硬质金属和脆性材料获得纳米级表面粗糙度。当然， 其加工效率和机构的复杂性无法和金刚石车床相比。20世 纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、 海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切 削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了 大型零件的微英寸超精密加工。美国LLNL国家实验室研制 出的大型光学金刚石车床成为超精密加工史上的经典之作。 这是一台最大加工直径为1．625m的立式车床，定位精度 可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、 而直线度误差只有士25nm的加工。
背景
• 20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等 尖端技术的需要而发展起来的精度极高的加工技术。超精密加 工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级。到20世 纪80年代，加工尺寸精度可达10纳米(1×10-8米)，表面粗糙度达 1纳米。超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境 等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、 精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。工件材质必须 极为细致均匀，并经适当处理以消除内部残余应力,保证高度的 尺寸稳定性,防止加工后发生变形。加工设备要有极高的运动精 度，导轨直线性和主轴回转精度要达到0.1微米级,微量进给和定 位精度要达到0.01微米级。对环境条件要求严格，须保持恒温、 恒湿和空气洁净，并采取有效的防振措施。加工系统的系统误 差和随机误差都应控制在 0.1微米级或更小。这些条件是靠综合 应用精密机械、精密测量、精密伺服系统和计算机控制等各种 先进技术获得的。 。
• 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分 子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳 米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。 国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的 吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如， 现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、 大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路 硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级 加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半 导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。
20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要， 美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精 密切削——单点金刚石切削技术，又称为“微英寸技术”， 用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、 非球面大型零件等。从1966年起，美国的unionCarbide公 司、荷兰Philips公司和美国 LawrenceLivemoreLaboratories陆续推出各自的超精密金 刚石车床，但其应用限于少数大公司与研究单位的试验研 究，并以国防用途或科学研究用途的产品加工为主。这一 时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可 以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例 如非球面镜等。
• 3聚焦离子束技术
聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至 纳米量级，通过偏转系统及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳米结构的无掩模加工。
• 4准分子激光直写纳米加工技术
准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直写”特 点、无环境污染以及对加工材料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMs和 纳米加工技术。其加工系统原理如图3所示。
通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、 精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是 指加工精度为1~0.1µm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01µm的 加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变 化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
发展历史
20世纪50年代至80年代为技术开创期。
20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。
从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、 光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工机的需求 急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、 Fresnel镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基 板加工、半导体晶片切割等。在这一时期，超精密加 工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气 轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦 驱动进给轴也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界 常见的生产机器设备，许多公司，甚至是小公司也纷 纷推出量产型设备。此外，设备精度也逐渐接近纳米 级水平，加工行程变得更大，加工应用也逐渐增广， 除了金刚石车床和超精密研磨外，超精密五轴铣削和 飞切技术也被开发出来，并且可以加工非轴对称非球 面的光学镜片。
• 5纳米压印技术
于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印(naIloimprim limography，NIL)技术， 最近被国外称为“将改变世界的十大新兴技术”之一。NIL技术的概念可说是 源自于我们日常生活中盖印章的行为，此动作可将原来在印章上的图形压印到 另外一件物体表面上。
发展趋势
精密化 智能化 自动化 高效化 信息化 柔性化 集成化
• 超精密加工关键技术 • 超精密机床技术 • 对超精密机床的要求：
• 高精度：几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨 率。
• 高刚度：静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度
• 高稳定性：长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐 磨性、抗振性、无热变形
纳米加工技术简介
什么是纳米加工？
纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分 子的去除、搬迁和重组。是纳米技术主要内容之一。
精度为3～O．3 μm，粗糙度为O．3～O·0ຫໍສະໝຸດ Baiduμm的叫 精密加工；
精度为0．3～0．03 μm，粗糙度为0．03～0．005 μm的叫超精密加工，或亚微米加工；
精度为0．03 μm（30纳米），粗糙度优于0．005 μm 以上的则称为纳米（nm）加工。
纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子 或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然 要求超过该物质的原子间结合能。
纳米加工分类
包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀（电化学 等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等多种方法
纳米加工技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面：
1、纳米材料 ；⒉、纳米动力学； 3、纳米生物学和 纳米药物学 ；4、纳米电子学。
纳米加工技术的应用
几种新兴的纳米加工技术
• 1利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术
• 2化学合成方法
化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一种途径——用化学过程“自 下而上”地把微观体系的物质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械 合成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研究化学合成方法非常重 要。
• 纳米加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现 代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术 成就，使得加工的精度从20世纪60年代初的微米级提高到 目前的10nm级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了 1～2个数量级，极大的改善了产品的性能和可靠性。
• 目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要 标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及 用这些材料作为关键元件的各类装置的高性能化，要求功 能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力 地促进了纳米加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现 促使纳米加工向其极限加工精度—原子级加工进行挑战。
20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。 在20世纪80年代，美国政府推动数家民间公司Moore
Special Tool和Pneumo Precision公司开始超精密加工设备 的商品化，而日本数家公司如Toshiba和Hitachi与欧洲的 Cmfield大学等也陆续推出产品，这些设备开始面向一般民 间工业光学组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依 然高贵而稀少，主要以专用机的形式订作。在这一时期， 除了加工软质金属的金刚石车床外，可加工硬质金属和硬 脆性材料的超精密金刚石磨削也被开发出来。该技术特点 是使用高刚性机构，以极小切深对脆性材料进行延性研磨， 可使硬质金属和脆性材料获得纳米级表面粗糙度。当然， 其加工效率和机构的复杂性无法和金刚石车床相比。20世 纪80年代后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、 海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切 削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了 大型零件的微英寸超精密加工。美国LLNL国家实验室研制 出的大型光学金刚石车床成为超精密加工史上的经典之作。 这是一台最大加工直径为1．625m的立式车床，定位精度 可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、 而直线度误差只有士25nm的加工。
背景
• 20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等 尖端技术的需要而发展起来的精度极高的加工技术。超精密加 工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级。到20世 纪80年代，加工尺寸精度可达10纳米(1×10-8米)，表面粗糙度达 1纳米。超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境 等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、 精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。工件材质必须 极为细致均匀，并经适当处理以消除内部残余应力,保证高度的 尺寸稳定性,防止加工后发生变形。加工设备要有极高的运动精 度，导轨直线性和主轴回转精度要达到0.1微米级,微量进给和定 位精度要达到0.01微米级。对环境条件要求严格，须保持恒温、 恒湿和空气洁净，并采取有效的防振措施。加工系统的系统误 差和随机误差都应控制在 0.1微米级或更小。这些条件是靠综合 应用精密机械、精密测量、精密伺服系统和计算机控制等各种 先进技术获得的。 。