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超精密加工的市場(chǎng)需求

精密、超精密加工是個(gè)相對(duì)概念，而且隨著工藝水平的普遍提高，不同年代有著不同的劃分界限，但并無(wú)嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從目前機(jī)械加工的工藝水平來(lái)看，超精密加工一般指加工精度<0.3µm，表面粗糙度Ra值<0.03µm的加工。同時(shí)也包含加工尺寸在微米級(jí)的微細(xì)加工。

圖1a　超精密切削加工機(jī)床示例（圖為SHPERE-200超精密球面鏡機(jī)床）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是許多*的發(fā)展，使的市場(chǎng)需求呈現(xiàn)出如下的特點(diǎn)：

要求的機(jī)電產(chǎn)品元器件越來(lái)越多，不僅有傳統(tǒng)的光學(xué)零件、塊規(guī)等，而且有現(xiàn)代IT中廣泛采用之大規(guī)模集成電路的各種芯片，計(jì)算機(jī)用的磁盤(pán)、光盤(pán)，復(fù)印機(jī)用的磁鼓；核聚變用的激光反射鏡；導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)用的激光反射鏡；導(dǎo)航用的陀螺儀腔體；氣浮和靜電陀螺儀的球狀支承；人造衛(wèi)星姿態(tài)控制用的過(guò)半球體；衛(wèi)星、航天器上各種儀器儀表用的真空無(wú)潤(rùn)滑軸承；定位系統(tǒng)（GPS）和電子對(duì)抗技術(shù)中用的砷化鎵半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路；紅外夜視設(shè)備、大型天文望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡中用的球面和非球面光學(xué)透鏡，以及多種軍、民使用的*產(chǎn)品中的精密零部件等。

相同品名的元器件要求的數(shù)量越來(lái)越大。例如有些品名，以前只是單件或小批生產(chǎn)，用于實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)品上，現(xiàn)在則要求批量乃至大批量規(guī)模生產(chǎn)，用在軍、民使用的*產(chǎn)品上，如大規(guī)模集成電路用的硅片、磁盤(pán)、磁鼓等，年需求量數(shù)以百萬(wàn)、千萬(wàn)件計(jì)。

要求的表面形狀越來(lái)越復(fù)雜，精度要求也越來(lái)越高。其中不僅有平面、圓柱面，還有球面、非球形曲面、拋物面等。其面形精度一般都要求控制在加工尺寸（用mm表示）的10%（用nm表示，實(shí)質(zhì)上是百萬(wàn)分之一）以內(nèi)，也就是說(shuō)，加工Ø100mm直徑的外圓時(shí)，加工圓度要求要控制在100×10%=10nm以內(nèi)。加工的表面粗糙度Ra值則在2nm~10nm之間。

要求的材料也越來(lái)越廣泛；不僅有黑色金屬、有色金屬、還有玻璃、陶瓷和各種半導(dǎo)體材料，如硅、砷化鎵、碲鎘汞晶體等。

要求的零件尺寸在向大型（Ø2m以上）和微型（微米、納米級(jí)）兩極發(fā)展。

總而言之，的市場(chǎng)需求在迅速擴(kuò)大。目前雖無(wú)直接的數(shù)據(jù)說(shuō)明，但有一些數(shù)據(jù)也可以作為佐證的。例如，目前以半導(dǎo)體IC為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)品的世界貿(mào)易額已達(dá)到一萬(wàn)億美元，是世界*大產(chǎn)業(yè)；2003年中國(guó)的電子電訊設(shè)備制造業(yè)的產(chǎn)值達(dá)14917.6億元人民幣。的IC有90%以上都要采用硅片，而大規(guī)模和超大規(guī)模的IC芯片（主要為硅片）都要用來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。美國(guó)為了部署戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和發(fā)展*武器，大大增加國(guó)防開(kāi)支；許多國(guó)家也為了自身的安全和防衛(wèi)而提高對(duì)*研發(fā)的投入和國(guó)防費(fèi)用，所有這些將擴(kuò)大對(duì)的市場(chǎng)需求。

實(shí)現(xiàn)基本條件

為了能實(shí)現(xiàn)并獲得預(yù)期的加工效果，必須具備下述基本條件：

被加工工件的材質(zhì)要密實(shí)；各向的同一性要好（為單晶）；表層硬度和彈性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化學(xué)成份與機(jī)械物理性能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不應(yīng)超過(guò)0.1%。

選用的工藝方法要與被加工材料相匹配。例如，有色金屬材料（如銅、鋁合金）宜用單點(diǎn)金剛石刀具進(jìn)行車(chē)削或銑削加工；黑色金屬材料（如鋼等）則宜選磨削與研、拋等工藝，否則得不到預(yù)期的加工效果等。

加工環(huán)境要嚴(yán)格恒溫、隔振和凈化。恒溫室（*分隔區(qū)）中的溫度波動(dòng)不得大于±0.1°C；加工區(qū)（第二分隔區(qū)）中則不應(yīng)超過(guò)±0.01°C；環(huán)境的相對(duì)濕度要保持在40%±10%以內(nèi)；大氣壓力（如用激光測(cè)量?jī)x時(shí)）應(yīng)保持1MPa±0.1%；機(jī)床地基的隔振系統(tǒng)固有頻率<2Hz；加工區(qū)的凈化度應(yīng)為每立方英尺中大于0.1µm的微粒含量應(yīng)不多于10顆。

具有能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)（1nm ~10nm）增量進(jìn)給的機(jī)床和分辨力優(yōu)于0.1nm的測(cè)量設(shè)備，如激光干涉儀，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。

的工藝方法

根據(jù)被加工件的材料和形面的不同，常用的工藝方法主要分三大類：切削加工法、磨削加工（含研、拋）法和電物理加工法。

切削加工法

切削加工法主要是采用的天然金剛石作刀具的切削刃，對(duì)有色金屬、玻璃或陶瓷工件進(jìn)行車(chē)削和銑削加工，可以加工端面、球面和拋物面等曲面（圖1b）。

圖1b　超精密切削加工形面示例（圖為各種鏡面切削加工的形面）

超精密車(chē)削加工中，金剛石刀具的刃磨是關(guān)鍵。刀尖的圓弧半徑應(yīng)為被加工表面要求值的五分之一左右，一般γc小于10nm，用鑄鐵研具進(jìn)行研拋時(shí)，可獲得γc=3~5nm。再小的γc值則要用離子束加工來(lái)獲得。實(shí)踐證明，采用這樣的刀具，便于切削速度在很大（V=120~3600m/min）的范圍內(nèi)變化，而不影響被加工表面的粗糙度值。

常選的切削用量是：加工有色金屬時(shí)V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷時(shí)V=15~120m/min；根據(jù)刀尖圓弧末徑γc值的不同，進(jìn)給量可在0.1~10µm/r的范圍內(nèi)選取，切削深度則為t=0.05~0.1µm。

在用霧化酒精或溫度可控的礦物潤(rùn)滑油冷卻的情況下，高質(zhì)量的單晶金剛石刀具的耐用度（用一次刃磨後切刃可以有效地進(jìn)行切削的長(zhǎng)度來(lái)衡量）可達(dá)1500km。

切削加工法所能達(dá)到的zui高水平：面形精度為0.025µm、表面粗糙度為Ra=2~4nm。

磨削加工法

磨削加工法是采用精細(xì)磨粒的砂輪或砂帶進(jìn)行磨削和研、拋的加工。此法多用于硬度較高的黑色金屬材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金屬材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面――平面、圓柱面、球面和非球面。

圓柱形鏡面通常用磨削方法加工，磨削速度選V=25~35m/s，粗磨時(shí)t=0.02~0.07mm，精磨時(shí)t=3~10µm；當(dāng)用油石研、拋時(shí)，V=10~50m/min，材料的去除速度為0.1µm~1µm/min。超精磨削可達(dá)到0.01µm的圓度和Ra 0.002µm的表面粗糙度。
 

圖2　球形鏡面的研、拋加工與測(cè)量示意圖

球形鏡面研、拋時(shí)要求研具保持在被加工表面的法向上，有兩種保證方法（如圖2a所示）：一是通過(guò)研具（1）本身的自定位機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到；二是通過(guò)采用數(shù)控系統(tǒng)使研磨頭（2）傾斜一φ角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

球形鏡面的磨拋加工法是建立在借助激光干涉儀（4）進(jìn)行表面（3）的誤差測(cè)量的基礎(chǔ)上（圖2b）。測(cè)量時(shí)，激光干涉儀沿X和Y坐標(biāo)移動(dòng)，或沿X，Y中之一的方向移動(dòng)和工作臺(tái)（5）轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡面誤差的測(cè)量結(jié)果被記錄在模擬量或數(shù)字量的記憶裝置中，然後進(jìn)行處理。根據(jù)來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)的指令磨頭（研具）被移動(dòng)到標(biāo)有對(duì)給定面形誤差zui大的偏差處并磨除材料。之後表面被重新檢測(cè)和重復(fù)加工工序。就這樣以逐步趨近的方法去達(dá)到所要求的面形精度。

平面形鏡面的加工主要采用磨削和研拋工藝方法來(lái)加工，目前此法所能達(dá)到的zui高平面度<0.2µm/300mm，表面粗糙度Ra<1nm。

電物理加工法

電物理加工的方法有多種，其中獲得zui廣泛應(yīng)用的是電磨料拋光和離子束表面加工。前者的實(shí)質(zhì)是使電解加工過(guò)程中所產(chǎn)生并留下的氧化膜由磨料從被加工表面上去掉以獲得鏡面；後者則是借助離子發(fā)生器射出的離子束對(duì)表面進(jìn)行研、拋。

離子束表面加工法如圖3所示：經(jīng)過(guò)預(yù)磨削加工的工件（2）被放置入真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室（1）中，離子發(fā)生器（8）射出的離子束以高達(dá)30K電子伏的強(qiáng)度作用在被加工的表面上，并以1µm ~5µm/h的速率去除表層材料，從而達(dá)到10nm乃至更高的形狀精度。
 

圖3　離子束表面加工示意圖

在工作過(guò)程中，離子發(fā)生器（8）射出的離子束打在工件上的強(qiáng)度和加工過(guò)程均由計(jì)算機(jī)（6）及程序軟件（5）來(lái)實(shí)現(xiàn)，而根據(jù)激光干涉儀（9）對(duì)被加工表面形狀的檢測(cè)結(jié)果，借助驅(qū)動(dòng)裝置（12）來(lái)調(diào)節(jié)光欄（掩蓋物）（11）改變離子束強(qiáng)度，通過(guò)控制器（7）控制離子發(fā)生器（8），通過(guò)驅(qū)裝置（3）和（4）控制工件位置，并由傳感器（10）來(lái)測(cè)量和控制真空室（1）中的溫度，使之保持恒定。

除上述方法之外，還有其他的超精密復(fù)合加工方法，如電火花成形加工後繼而采用的流體拋光法、電化學(xué)拋光法、超聲化學(xué)拋光法、動(dòng)力懸浮研磨法、磁流體研磨法以及采用ELID技術(shù)的磨削法等。采用ELID技術(shù)進(jìn)行光學(xué)玻璃非球面透鏡加工時(shí)面形精度可達(dá)0.2µm，表面粗糙度則達(dá)Ra=20nm。

機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造

機(jī)床設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵與核心問(wèn)題是保證工藝和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造的基本原則和要求是：消除或減少機(jī)床上的熱源和振源；提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度和幾何精度；減少機(jī)床的變形（含溫度變形和力變形）對(duì)機(jī)床加工精度的影響等。為了實(shí)現(xiàn)這些基本原則和要求，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常采取的一些原則措施有：

首先是盡量不用或少用摩擦發(fā)熱量大的傳動(dòng)裝置（如機(jī)械無(wú)級(jí)調(diào)速器），并把工作過(guò)程中發(fā)熱量大的熱源（如電機(jī)、冷卻潤(rùn)滑油箱等）與機(jī)床本體結(jié)構(gòu)分離或隔熱，以避免熱量落入機(jī)床本體引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形。

表1　可用作機(jī)床重要零部件的材料

選用熱脹系數(shù)α和導(dǎo)熱系數(shù)λ值低的材料作機(jī)床的重要零部件材料。這樣的材料如表1所示。與此同時(shí)也要盡量采用熱物理特性相同或相近的材料來(lái)制造機(jī)床的構(gòu)件和零部件。

零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求熱對(duì)稱，而且應(yīng)考慮采取強(qiáng)迫的風(fēng)冷或液體冷卻并預(yù)留相應(yīng)的冷卻液循環(huán)流動(dòng)通道。當(dāng)冷卻的尺寸范圍在200mm~1500mm時(shí)，風(fēng)的流量應(yīng)為（3~10）m3/s或液體的通量為（1~10）L/s，從而可分別保持溫度波動(dòng)為±0.05°C和±0.02°C。對(duì)個(gè)別強(qiáng)熱源處（如主軸軸承）所產(chǎn)生的熱量，必要時(shí)可采用專門(mén)的熱管帶走。

機(jī)床不僅要考慮安裝和工作在恒溫室里，而且在*精度要求的情況下，還應(yīng)考慮控制機(jī)床工作在溫度
±0.01°C的油淋浴的恒溫箱中，因此，機(jī)床的工作過(guò)程必須是*自動(dòng)或遙控的，不能有人在現(xiàn)場(chǎng)，以免人的活動(dòng)和體溫對(duì)環(huán)境條件產(chǎn)生影響。

為了避免振動(dòng)影響加工精度，除了機(jī)床必須安裝在由空氣支承、彈簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件也要嚴(yán)格進(jìn)行動(dòng)平衡，殘馀不平衡量應(yīng)小于0.5~1g.mm。與此同時(shí)，為了消除和減少機(jī)床本身內(nèi)部振源，要盡量采用運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的傳動(dòng)系統(tǒng)，如非接觸的氣動(dòng)和液體傳動(dòng)，禁止或避免采用帶有沖擊力的傳動(dòng)，如有間隙的換向機(jī)構(gòu)等。

通過(guò)振源振動(dòng)頻率的調(diào)整（如改變轉(zhuǎn)速）或通過(guò)對(duì)機(jī)床工藝系統(tǒng)的質(zhì)量（m）和彈簧剛度（k）等動(dòng)力參數(shù)的選擇使振源的振動(dòng)頻率與機(jī)床工藝系統(tǒng)的固有頻率相互遠(yuǎn)離，避開(kāi)共振區(qū)，減少振動(dòng)對(duì)機(jī)床工作的影響。

選用具有高內(nèi)阻尼系數(shù)的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的雙層壁鑄鐵件作為機(jī)床的結(jié)構(gòu)件，以保證高度衰減內(nèi)部產(chǎn)生和外部傳來(lái)的振動(dòng)，因?yàn)檎駝?dòng)衰減的效果正比于阻尼系數(shù)（即衰減指數(shù)）。正常情況下，鑄鐵的衰減指數(shù)為0.006~0.008，而天然大理石和人造大理石的衰減指數(shù)則分別為0.02~0.04和0.06~0.08；不清砂的雙層壁鑄件可以大大增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼，因而可大大提高衰減振動(dòng)的效果。

主軸部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是回轉(zhuǎn)精度和剛度，為此優(yōu)先采用帶有溫控的低噪音主軸電機(jī)并通過(guò)扭矩或各種電磁的和薄膜的聯(lián)軸節(jié)與主軸聯(lián)接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主軸軸承則采用具有自定位功能的球面氣浮或液體靜承結(jié)構(gòu)。用此結(jié)構(gòu)的主軸精度（徑向和軸向跳動(dòng)）可達(dá)0.01µm。當(dāng)工作壓力為0.3MPa~0.6MPa時(shí)，氣浮軸承的平均剛度為200N~400N/µm，液體靜承則為600N~1000N/µm。但為了主軸跳動(dòng)不超過(guò)0.05µm，供油壓力的波動(dòng)值不應(yīng)大于0.01MPa，油溫波動(dòng)也不應(yīng)大于0.05°C。

進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)主要要求是：保證能有效進(jìn)行誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膿Q向精度；可實(shí)現(xiàn)zui小5nm的脈沖位移；采用修正系統(tǒng)後具有2nm的高定位精度。為此，可供選擇的進(jìn)給傳動(dòng)方式有以下幾種：

－滾珠絲杠副。特點(diǎn)是剛度大，可實(shí)現(xiàn)的增量位移為100nm（即0.1µm）。

－摩擦傳動(dòng)。傳動(dòng)剛度為50N~100N/µm，拉力達(dá)100N，可實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)增量為5nm。缺點(diǎn)是壽命低，不夠靈敏。

－條（帶）傳動(dòng)。僅適合在小型機(jī)床上用。

－壓電和磁致伸縮傳動(dòng)。移動(dòng)量可小于5nm，但總的行程量很小，只有100~200µm，故多數(shù)情況下它是與其它傳動(dòng)方式（如滾珠絲杠副）組合使用。

－自定位靜壓絲杠副。特點(diǎn)是由于齒形角?。ㄖ挥?0°），故剛度大（達(dá)100N~1000N/µm）和可實(shí)現(xiàn)微小的增量位移。缺點(diǎn)是保證油溫和油壓穩(wěn)定的系統(tǒng)較復(fù)雜。

－增量式液壓傳動(dòng)。剛度可達(dá)600N/µm，位移增量80nm，但供油系統(tǒng)復(fù)雜。

－電磁絲杠副傳動(dòng)。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的絲杠與帶有線圈的螺母相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)微小的增量位移，但剛度過(guò)低，只有10N/µm。

導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。導(dǎo)軌是機(jī)床上保證實(shí)現(xiàn)精密微量進(jìn)給的重要要素之一，雖有多種形式可供選擇，但采用得的是液體靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌。前者的剛度可達(dá)6KN~8KN/µm，并能保證位移精度0.02µm~0.04µm/400mm行程；後者的剛度為1KN~2KN/µm，當(dāng)氣膜厚度為4µm~8µm時(shí)，也能保證與液體靜壓導(dǎo)軌一樣的位移精度。液體靜壓和氣浮導(dǎo)軌的直線性均可高達(dá)0.02µm/100mm。

在總體布局設(shè)計(jì)上，機(jī)床的結(jié)構(gòu)應(yīng)分成承載部分和計(jì)量部分。此時(shí)，機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的精度在很大程度上取決于測(cè)量系統(tǒng)的有效性。因此，一般采用像激光干涉儀這樣的高精度、高分辨率的儀器作測(cè)量裝置，并將其單獨(dú)安裝在氣浮支承的計(jì)量支架上，而且不僅安裝測(cè)量裝置時(shí)要遵守阿貝原理，在更廣義理解上，也要遵守阿貝原理。阿貝原理要求，測(cè)量軸要接近于刀尖，以便消除按杠桿原理放大誤差的可能性。從這一立場(chǎng)出發(fā)，導(dǎo)軌和測(cè)量裝置應(yīng)位于同一水平面上，在機(jī)床的承載系統(tǒng)中要避開(kāi)采用懸伸和剛度不恒定的構(gòu)件。

在機(jī)床整體和各部件所完成的功能分配方面，在多數(shù)情況下，一臺(tái)機(jī)床只實(shí)現(xiàn)一種加工方法，每個(gè)部件也只完成一個(gè)固定的功能運(yùn)動(dòng)。這樣做的目的是簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)和更易于根據(jù)精度指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而無(wú)需采取妥協(xié)（折衷）的辦法。――這一點(diǎn)是與目前一般機(jī)床的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)――復(fù)合化，擴(kuò)大工藝可能性――是不一樣的，或者說(shuō)是正好相反的。

為了保證的目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，機(jī)床設(shè)計(jì)必須考慮采用主動(dòng)控制的隔振系統(tǒng)和在線的誤差自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。這是因?yàn)楹茈y保證所要求的零件制造精度，同時(shí)也很難*消除振動(dòng)和熱因素帶來(lái)的負(fù)面影響。

結(jié)束語(yǔ)

是為適應(yīng)現(xiàn)代*發(fā)展的要求而發(fā)展起來(lái)的*制造技術(shù)，它的成功實(shí)現(xiàn)，不僅取決于機(jī)床、刀具和工藝方法，也還取決于測(cè)量和控制技術(shù)，即含機(jī)、光、電、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。它是多種學(xué)科新技術(shù)成果的綜合應(yīng)用，但也對(duì)許多*的發(fā)展與進(jìn)步起著推動(dòng)的作用。因此已成為發(fā)展現(xiàn)代*，特別是發(fā)展現(xiàn)代武器裝備的基礎(chǔ)技術(shù)，也是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志之一。與美俄相比，中國(guó)在這方面還有不少差距，如非軸對(duì)稱的光學(xué)曲面加工工藝的可靠性和可操作性等方面。為使中國(guó)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和提高，除繼續(xù)加強(qiáng)工藝和裝備的研究外，還必須加強(qiáng)測(cè)量和控制，特別是對(duì)非軸對(duì)稱的非球曲面等復(fù)雜曲面的測(cè)量與控制（如五軸超精密CNC系統(tǒng)）的研究；加強(qiáng)工藝可靠性和可操作性的研究等。而且開(kāi)發(fā)研究工作需要跨學(xué)科，跨部門(mén)來(lái)協(xié)同組織進(jìn)行，以便集中力量（包括人、財(cái)、物）解決問(wèn)題。