超精密加工领域国内外发展状况分析比较

超精密加工领域国内外发展状况分析比较
摘要:超精密加工技术的发展程度决定了我国综合国力的发展步速，因此正确、直观、深入的了解超精密加工的国内外发展状况并进行分析比较，对于加快我国工业发展是十分必要和重要的。

关键词:超精密加工；国内外；分析比较
前言：
超精密加工的技术范畴
由于加工技术水平的发展，超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。

根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差△和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。

精密加工:Δ=1。

0~0。

1 μm，Ra=0。

1~0。

03 μm；超精密加工：Δ=0。

1~0。

01 μm，Ra=0。

03~0。

005 μm；纳微米加工：Δ<0。

01 μm，Ra<0。

005 μm。

随着科学技术的飞速发展，超精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等，并向更高层次发展。

超精密加工的影响因素很多，只有广泛研究和综合采用各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。

实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。

超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。

现代科学技术的发展以试验为基础，所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。

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主体：
1. 国内外发展现状及比较分析
国际上本领域发展状况
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。

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，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。

由压入所引起的变形破坏范围的模型为压痕半径，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。

但若在磨削及抛光时将加工单位减小，那么就成了因滑移而产生塑性变形的破坏方式来进行加工。

虽然，塑性域加工可获得与抛光相当的表面粗糙度，但亚表面损伤（如位错、滑移等）较大。

若将加工单位进一步减小至分子或原子级单位，在材料弹性域范围内实现加工，这时材料的化学性能将支配着加工，就可能进行无损伤加工。

当加工尺度达到纳米级时，会产生一系列介观物理现象，如：小尺度效应、量子尺寸效应等，此时再用宏观的切削原理来描述加工过
程和各种介观现象，解释表面形成机理已力不从心，必须用分子动力学、量子力学、原子物理等近代基础理论来研究这一加工过程，进而建立纳米级加工过程的理论，指导纳米级超精密切削加工实践。

分子动力学仿真不受加工设备、加工条件的限制，可以根据需要改变加工条件、材料特性及刀具几何形状的设定。

因此，基于分子动力学的纳米切削机理的研究受到研究人员的广泛重视。

美国劳伦斯利弗莫尔（Lawrence livermore, L L）国家实验室与日本大阪大学合作于1986 年在世界上成功实现了切削厚度为1nm 的稳定切削试验，并于20 世纪80 年代末首先由美国LL的学者开始应用分子动力学来模拟纳米切削过程，之后日本等其他国家学者也开展了这方面的研究，我国哈尔滨工业大学等单位也开展了相关的基础研究。

但是目前的纳米切削机理的分子动力学研究由于计算尺度的限制，存在着被分析的原子数量少、对象材料单一（大多是理想的无缺陷的单晶材料，对多晶材料的研究很少）、仅局限在加工表面的几何特性、机械特性等问题，还无法广泛地对实际的纳米切削加工机理进行合理解释，无法与实际切削试验结果进行对比分析。

因此，还需要从微观力学角度研究材料去除机理，创立新的纳米级切削加工及切削表面形成机理等理论体系，建立准确的纳米级加工理论模型，从而实现对实际纳米级超精密切削加工技术的理论指导。

2. 我国与国际本领域发展水平的差距
（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Precitech公司和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）综合精度指标及稳定性：国内研制的超精密切削加工设备无论从主轴还是导轨的单项技术指标与国外商品相比已经接近，但是从设备的总体技术指标来看还有一定的差距。

Precitech 公司的Nanoform200 加工工件的精度P-V0。

15 μm/φ75mm，表面粗糙度Ra2 nm ；Moore 公司的Nanotech200 加工工件面型精度P-V0。

05 μm/φ15mm，表面粗
！
糙度Ra1。

0 nm。

国内加工机床的面型精度虽然也可以达到亚微米级，但是对加工条件要求苛刻，更重要的是不能稳定地达到亚微米级的面型精度。

（3）控制系统方面，与国外成熟先进的控制系统等存在着较大的差距。

摩尔公司的自行开发的Delta Tau 运动控制系统，Precitech 公司自行开发的Control System 等，都已经在本公司生产的机床上得到了很好的应用。

国内研制的超精密机床中的控制系统有的是自行开发的，也有的是直接采用引进的通用型数控系统，无论是从控制系统的性能还是软件等方面都存在着较大的差距。

（4）超精密加工设备的可靠性：国外超精密加工设备的商品化已经二十多年，产品的成熟度和可靠性非常高。

而国内目前大多数研究单位只是进行了一轮样机的研制，还有很多基础技术不成熟，设备可靠性差。

（5）外观造型设计、人性化设计：这方面国产设备与国际先进设备相比差距较大。

（6）机床附属功能：国外超精密加工设备上都有一些配带有必须的附件和功能可使普通操作者就能够方便地实现零件的加工，如刀具测量和刀具调整系统、工件误差在位测量补偿系统等。

而国内研制的这些超精密加工设备大多只能依靠操作者的经验和技能实现基本的加工功能。

国外商品化机床都配有精度补偿软件。

我国因超精密加工工艺研究和有关应用基础研究还不够，尚无相应精度补偿软件。

（7）基础元部件：国外超精密基础元部件都有专业的生产厂商，如Loadpoint 专业生产超精密主轴、超精密导轨等，已经形成系列化、标准化。

驱动电机、编码器、光栅等元部件国内还无法解决，只能依赖于进口，但又受到种种限制。

（8）机床的集成技术：从高精度零件的加工，主轴导轨等部件的装配，乃至到整台设备的装配及系统调试，都存在着较大的差距。

还没有摆脱高端装备长期依赖进口或重大专用设备因遭受外国禁运而受制于人的局面。

虽然国内的超精密抛光技术取得了一些成绩，但是与国外相比差距还很大。

国内主要以大学的研究为主，真正的商品化应用实例还不多。

而国外的超精密抛光技术产业化比较好，多数为大学与公司合作的形式，能够迅速将技术转化为生产力。

可见，当前我国超精密加工机床存在的突出问题是：自主开发能力薄弱，专业化的配套体系尚未形成，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差。

总结：
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本领域发展趋势和预测
随着超精密加工技术在民品中的广泛应用，加工的高精度、高质量、高效率、低成本以及批量加工的一致性显得越来越重要。

今后，超精密切削和磨削将追随着超精密抛光的高精度、高质量，同时，超精密抛光在追随切削和磨削高效率的同时，向切削磨削加工难以达到的更高精度和质量发展。

当前超精密加工技术如CMP、EEM 等虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但加工效率不高。

超精密切削、磨削技术虽然加工效率高，但无法获得如CMP、EEM 的加工精度和表面质量。

探索能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工领域研究人员追求的目标。

CMG、SFAM 方法的出现即体现了这一趋势，另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。

超精密加工技术总的发展趋势是：①大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备；②复合化、无损伤加工工艺；③超精密、高效率、低成本批量加工；④在生产车间大量应用的高精度低成本专用检测装置。

参考文献
〔1〕微细加工技术编辑委员会.。

微细加工技术〔M〕. 北京：科学出版社，1983。

〔2〕戴一帆，周林，解旭辉，等. 应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现〔J〕. 光学学报，2008，28（6）：1 131-1 135。