超精密加工技术认识及发展前景

超精密加工技术认识及发展前景

超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。是指亚微米级和纳米级精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。

超精密加工主要包括三个领域：

超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工；超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工；超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。

近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

对精密和超精密加工所用的加工设备有下列要求。

(1)高精度。包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；

(2)高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。

(3)高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。设备应有良好的耐磨性、抗振性等。

(4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。

加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运

动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。

航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能影响很大。该轴承为真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度要求为Ry0.01μm，即1nm，其圆度和圆柱度均要求纳米级精度。被送入太空的哈勃望远镜(HST)，可摄取亿万千米远的星球的图像，为了加工该望远镜中直径为2.4m、重达900kg的大型反光镜，专门研制了一台形状精度为0.01μm的加工光学玻璃的六轴CNC研磨抛光机。据英国Rolls-Royce公司报道，若将飞机发动机转子叶片的加工度，由60μm提高到12μm、表面粗糙度由Ra0.5μm减少到0.2μm，发动机的加速效率将从89%提高到94%；齿轮的齿形和齿距误差若能从目前的3～6μm，降低到1μm，则其单位重量所能传递的扭距可提高近1倍。当前，微型卫星、微型飞机、超大规模集成电路的发展十分迅猛，涉及微细加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等已形成微型机械制造。这些技术都在精密和超精密加工范畴内，与计算机工业、国防工业的发展直接相关。

超精密加工应用广泛，也是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，很长一段时期内，其会在现代各种技术以及理论的指导下得到更好更快的发展，其主要发展前景主要表现在以下几个方面：

1、高精度、高效率。随着科学技术的不断进步，对精度、效率、质量的要求越来越高，高精度和高效率成为超精密加工新的主题。

2、大型化、微型化。由于航天航空技术的发展，大型光电子器件要求大型超精密加工设备，同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展，超精密加工技术也向微型化发展，如微型传感器，微型驱动元件和动力装置等都需要微型超精密加工设备。

3、智能化。以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖一直是制造领域追求的目标，加工设备的智能化程度直接关系加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现的更为明显。

4、工艺整合化。当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件，这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声，另一方面，使用一台设备完成多种加工的趋势越来越明显。

5、在线加工检测一体化。由于超精密加工的精度很高，必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率，同时由于加工机械本身的精度有时很难满足要求，采用在线检测、工况监控和误差补偿的方法可以提高精度，保证加工质量的要求。

6、绿色化。磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造，磨料在加工中的消耗，加工中造成的能源及材料的消耗，以及加工中大量使用的价格液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国，大幅提高磨削加工的绿色化程度已经成为当务之急，发达国家以及我国台湾地区均对半导体生产厂家的废液废气排量以及标准实施严格管制，为此我们也需要在这方面下大功夫，绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时也提高了自身的生命力。

总之，精密和超精密加工是现代机械制造业最主要的发展方向之一，在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术，我国的制造业发展已经进入高速发展阶段，中国民营企业已经具备足够的经济实力来使企业迈向现代化，先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入，相信我国的制造业会更快速、更健康发展。