超精密加工的发展趋势A

2023/02/08 来源:网络转载 点击量：

超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。精密光学、机械、电子系统中所用的先进陶瓷或光学玻璃元件通常需要非常高的形状精度和表面精度(如 0.1 nm 级表面粗糙度)及较小的加工变质层。掌握超精密加工过程中材料去除规律和损伤层特性对提高加工的稳定性与经济性十分重要。对超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光技术进行综述，重点介绍各种典型加工方法及其材料去除机理。从加工精度和加工效率角度对上述几类超精密加工方法进行比较，介绍以实现高效精密加工为目的的半固着磨粒加工技术。对超精密加工的发展趋势进行预测。

       1、前言

       超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术，是现代高科技产业和科学技术的发展基础，是现代制造科学的发展方向。以超精密加工技术为支撑的高性能武器，对第一次海湾战争(1992 年)、科索沃战争(1996 年)、阿富汗战争(1999 年)及第二次海湾战争(2003 年)的进程及结果发挥了决定性的作用。以超精密加工技术为支撑的三代半导体器件，为电子、信息产业的发展奠定了基础。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。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一，当前超精密加工已进入纳米尺度，纳米制造是超精密加工最前沿的课题。世界发达国家均予以高度重视。最近启动的研究计划包括，2001 年美国的 NNI(National nanotechnology initiative)计划、英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002 年日本的纳米技术支撑计划。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)

为目标。

       超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括：超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。

       1983 年在国际生产工程年会上，TANIGUCHI对当时的超精密加工状况进行了描述，并对超精密加工的发展趋势进行了预测。此后的 20 余年内，超精密加工技术蓬勃发展。本文对当前的超精密加工现状进行综述，第 1 节介绍超精密加工的发展及其推动因素。第2节介绍超精密加工材料，着重于先进陶瓷材料。第3节将超精密加工技术分为超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光三类，介绍典型加工技术(广义的超精密加工还包括微细加工技术)。第 4 节对上述几类超精密加工技术从加工精度和加工效率的角度出发进行比较，介绍半固着磨粒加工方法。第 5 节对超精密加工的发展趋势进行预测。

       2、超精密加工的发展

       超精密加工的发展经历了如下三个阶段。

       (1)  20 世纪 50 年代至 80 年代为技术开创期。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(Single point  diamond  turning，SPDT)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Union Carbide 公司、荷兰Philips公司和美国 Lawrence Livermore Laboratories 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。

       (2)  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如 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 Cranfield  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LLL 国家实验室研制出的大型光学金刚石车床(Large optics diamond turning machine，LODTM)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 1.625 m 的立式车床，定位精度可达 28 nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过 1 m、而直线度误差只有±25 nm 的加工。

       (3)  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。

       目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投入巨额经费，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。如美国太空署(NASA)推动的太空开发计划，以制作 1 m 以上反射镜为目标，目的是探测 X 射线等短波(0.1～30 nm)。由于 X 射线能量密度高，必须使反射镜表面粗糙度达到埃级来提高反射率。目前此类反射镜的材料为质量轻且热传导性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，须使用超精密研磨加工等方法。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚，却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人造器官等。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技术方面，具有优势，甚至超过了美国。日本超精密加工最初从铝、铜轮毂的金刚石切削开始，而后集中于计算机硬盘磁片的大批量生产，随后是用于激光打印机等设备的多面镜的快速金刚石切削，之后是非球面透镜等光学元件的超精密切削。1982 年上市的 Eastman  Kodak 数码相机使用的一枚非球面透镜引起了日本产业界的广泛关注，因为 1 枚非球面透镜至少可替代 3 枚球面透镜，光学成像系统因而小型化、轻质化，可广泛应用于照相机、录像机、工业电视、机器人视觉、CD、VCD、DVD、投影仪等光电产品。因而，非球面透镜的精密成形加工成为日本光学产业界的研究热点。

       尽管随时代的变化，超精密加工技术不断更新，加工精度不断提高，各国之间的研究侧重点有所不同，但促进超精密加工发展的因素在本质上是相同的。这些因素可归结如下。

       (1)  对产品高质量的追求。为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，就必须获得粗糙度更低的表面。为使电子元件的功能正常发挥，就要求加工后的表面不能残留加工变质层。按美国微电子技术协会(SIA)提出的技术要求，下一代计算机硬盘的磁头要求表面粗糙度 Ra≤0.2 nm，磁盘要求表面划痕深度 h≤1 nm，表面粗糙度 Ra≤0.1 nm。1983 年 TANIGUCHI 对各时期的加工精度进行了总结并对其发展趋势进行了预测，以此为基础，BYRNE 等描绘了20世纪40年代后加工精度的发展，如图 1 所示。图 2 显示了 2003 年时各种加工方法可获得的加工精度。其中微细加工可实现特征尺寸为 1 µm、表面粗糙度趋于 5 nm 的加工。

       (2)  对产品小型化的追求。伴随着加工精度提高的是工程零部件尺寸的减小。图 3 描述了各时期汽车上 ABS 系统的质量变化。从 1989～2001 年，从 6.2 kg 降低到 1.8 kg。电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。

       (3)  对产品高可靠性的追求。对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定性、延长使用寿命。目前，高速高精密轴承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度要求达到数纳米。加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，所以从提高零件耐腐蚀能力的角度出发，要求加工产生的变质层尽量小。

       (4)  对产品高性能的追求。机构运动精度的提高，有利于减缓力学性能的波动、降低振动和噪声。对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度可减少泄露而降低损失。二战后，航空航天工业要求部分零件在高温环境下工作，因而采用钛合金、陶瓷等难加工材料，为超精密加工提出了新的课题。

       以上四个方面相互关联，共同促进了超精密加工技术的发展。国际知名超精密加工研究单位与企业主要有，美国 LLL 实验室和 Moore 公司、英国 Granfield 和 Tayler 公司、德国Zeiss 公司和 Kugler 公司、日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等。我国从 20 世纪 80 年代初期开始研究超精密加工技术，主要的研究单位有北京机床研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所应用光学重点实验室、大连理工大学和浙江工业大学等。

       2   超精密加工材料

       为满足高精度、高可靠性、高稳定性等品质需求，众多金属及其合金、陶瓷材料、光学玻璃等需要经过超精密加工达到特定的形状、精度和表面完整性。这里特别对先进陶瓷材料进行介绍。

       先进陶瓷材料已经成为高精密机械、航空航天、军事、光电信息发展的基础之一。先进陶瓷根据性能和应用范围不同，大致可分为功能陶瓷和结构陶瓷两类。功能陶瓷主要指利用材料的电、光、磁、化学或生物等方面直接或耦合的效应以实现特定功能的陶瓷，在电子、通信、计算机、激光和航空航天等技术领域有着广泛的应用。结构陶瓷材料具有优良的耐高温抗磨损性能，作为高性能机械结构零件新材料显示出广阔的应用前景。表 1 列出了一些典型先进陶瓷材料及其用途。

       表 2 给出了延性金属材料与脆性先进陶瓷材料的部分物理特性。表 3 给出了几种先进陶瓷材料的物理特性。先进陶瓷材料多为共价⁄离子键化合物，晶体结构对称性低、位错少，因而硬度高、脆性大。氮化硅、碳化硅和蓝宝石的硬度仅次于金刚石和 CBN，是公认的典型硬脆难加工材料。先进陶瓷材料与金属材料物理特性的差异决定了两者材料去除机理的不同。先进陶瓷材料加工过程中易产生裂纹等表面和亚表面损伤，对器件工作性能和工作寿命造成不利影响。