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超精密加工技术研究现状及发展趋势 周侃 摘要：超精密加工技术的发展，直接影响到尖端技术和国防工业的发展。超精密加工是多种技术综合的一种加工技术，是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。世界各国都极为重视，突入了很大的力量进行研究，故今年来发展迅速。根据当前国内外超精密加工技术的发展状况,对超精密切削 、磨削 、研磨以及超精密特种加工及复合加工技术进行综述,简单地对超精密加工的介绍。1 引言超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动 ，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。 其精度从微米到亚微米，乃至纳米，其应用范围日趋广泛，在高技术领域和军用工业以及民用工业中都有广泛应用，尤其是电气自动化领域，如超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、精密机床、精密仪器、录像机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术。它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节；而且，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。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。 超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.30.03m，表面粗糙度为Ra0.030.005m)和纳米级(精度误差为0.03m，表面粗糙度小于 Ra0.005m)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，线宽可达0.1m。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达25nm。 2 工作原理近年来，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3 超精密加工技术超精密加工主要包括超精密切削(密磨削 、超精密研磨(机械研磨 、抛 、非接触式浮动研磨 、密特种加工(电子束 、离子束 、工以及电加工等。3.2超精密磨削.超精密切削以SPDT技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小(约20 nm)。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工。随后，加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料等1。超精密切削技术也由单点金刚石切削拓展至多点金刚石铣削。 由于金刚石刀具在切削钢材时会产生严重的磨损现象，因此有些研究尝试使用单晶CBN、超细晶粒硬金属、陶瓷刀具来改善此问题，但研究成果仍未达到可商业化的阶段。未来的发展趋势是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗。此外，MEMS组件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸约可达50100 m，但如果加工几何特征在亚微米甚至纳米级，刀具直径必须再缩小。其发展趋势是利用纳米材料如纳米碳管来制作超小刀径的车刀或铣刀。综合而言，刀具材料与微细刀具制作问题将是超精密加工未来的一个重要研究课题。3.3超精密研磨.超精密研磨包括机械研磨 、化学机械研磨 、浮动研磨 、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法 。研磨金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外 ,还采用了离子刻蚀和热化学方法 。在研磨中 ,研磨盘原来均用高磷刻蚀和热化学方法 。在研磨中 ,研磨盘原来均用高磷铸铁 ,后来采用高速钢研磨盘 。例如 :日本东海大学安永畅男教授等提出采用高速回转的高速钢盘与被加工的金刚石在接触和摆动中 ,通过物理化学作用 , 不用磨料 ,高速研磨金刚石车刀 ,完全突破了传统的研磨途径 2 。超精密研磨可解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等 3 。其加工出的球面不球度达0. 025 ttm ,表面粗糙度R a0. 003m。最近Kim. D. J 等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮采用电解加工过程修整法实现磨具修整 4 。这种过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度 , 使磨具保持高速研磨能力。采用EL ID 方法超精密研磨硬质合金和光学玻璃 , 表面粗糙度R a分别达到10. 7 nm , 16. 7nm3.4超精密特种加工.超精密特种加工主要包括以下几种:1)激光束加工:由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面,光能在瞬时被转化为热能.依据能量密度的高低可实现打孔、精密切割、加工激光防伪标志等.2)电子束加工:指在真空中将阴极不断发射出来的负电子向下极加速,并聚集成极细的能量密度极高的电子束流.高速运动的电子束撞击到工件表面,动能转化为热能,使材料熔化、汽化,并在真空中被抽走.它能聚焦成极小的点,并在高速下进行精确定位,控制电子束的强弱和偏转方向,配合工作台的数控位移,可实现打孔、成形切割、刻蚀、光刻曝光等工艺.3) 离子束加工是指在真空将离子源产生的带正电荷且质量比电子大数千万倍的离子加(加速以后可以获得更大的动能 ) ,然后聚焦使之撞击工件表面 。它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的 。离子束加工可用于表面刻蚀 、超净清洗 ,实现原子 、分子级的切削加工 。根据所利用的物理效应和达到的目的 ,可分为离子束溅射去除加工 、离子束溅射镀膜加工 、离子束注入加工和离子束曝光等几种 5 4)微细电火花加工:在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和汽化去除金属的.只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密进给就可以实现极微细的金属材料的去除,可加工微细轴、孔、窄缝平面及曲面.5)精细电解加工:导电的电解液中水电解为氢离子和氢氧根离子,工作极为阳极,其表面的金属原子成为正离子溶入电解液被逐层电解下来,随后,即与电解液中的氢氧根离子反应形成金属氢氧化物沉淀,而工具阴极并不损耗.只要精细地控制电流密度和电解部位,就可实现纳米级精度的电解加工,而且表面不会产生加工应力,常用于镜面抛光、镜面减薄以及一些需要无应力加工的场合.6)复合加工:指采用几种不同形式的能量、几种不同的工艺方法,互相取长补短、复合作用的加工技术.例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花等,比单一加工方法更有效,适用范围更广。4 我国发展现状我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025m的精密轴承、JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。航空航天工业部三三所研制的非球面曲面超精密加工机床2003年交付验收，车削加工样件的面形精度PV0.228m，表面粗糙度Ra0.0078m，这意味着表面粗糙度仅有不到8 nm。5 超精密加工发展趋势 (1) 高精度、高效率。高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说，固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度，而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如CMP、EEM等虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但以牺牲加工效率为保证。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。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的目标。半固着磨粒加工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6、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。 (2) 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。在这样的背景下，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(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。(3) 大型化、微型化。为加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜)，需要建立大型超精密加工设备。为加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等)，需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备)。 (4) 在线检测。尽管现在超精密加工方法多种多样，但都尚未发展成熟。例如，虽然CMP等加工方法已成功应用于工业生产，但其加工机理尚未明确。主要原因之一是超精密加工检测技术还不完善，特别是在线检测技术。从实际生产角度讲，开发加工精度在线测量技术是保证产品质量和提高生产率的重要手段。 (5) 智能化。超精密加工中的工艺过程控制策略与控制方法也是目前的研究热点之一。以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性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到加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。目前，即使是台湾的部分半导体工厂，生产过程中关键的操作依然由工人在现场手工完成。 (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加工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成为当务之急发达国家以及我国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制，为此，各国研究人员对CMP加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时，提高了自身的生命力。参考文献：1 张彩芬 现代精密和超精密加工技术及发展J.科技咨询导报。2006（20）2吴敏镜.超精密加工的技术基础和创新 J .超精密加工技术,2006 ( 5) : 7 - 10.3袁巨龙,王志伟,文东辉,等.超精密加工现状综述 J .机械工程报,2007, 43 ( 1) : 35 - 48.4Kim D J. A study on the development of in - p rocess dressing lapA dv M anuf Techno