超精密加工领域国内外发展态势分析

超精密加工领域国内外发展态势分析Contents研究思路1报告框架2报告主要内容3结语4定位：对国内外精密加工领域国内外发展情况进行全面调研，了解（1）国内外技术的整体进展情况；（2）关键技术内容；（3）总体发展态势（学术研究走势、技术分布国家与机构、全球市场布局）；（4）技术发展脉络（热点、前沿等）。方法：文献调研和情报分析工具结合关键词：机械制造；机械加工、精密加工、发展、综述、评论；machinemanufacture、PrecisionMachining；Ultraprecisionmachining一、研究思路二、报告大致框架1、超精密加工领域概况；1.1超精密加工的主要研究领域；1.2超精密加工的主要加工方法；1.3超精密加工的设备要求；2、超精密加工的国内外研究进展

2.1主要应用领域；2.2国外主要发展状况

2.3国内主要发展状况3、超精密加工技术发展总体态势分析3.1专利申请量的年度变化趋势3.2主要技术分布国家与机构情况3.3近3年的热点研究领域3.4近3年新兴的技术趋势3.5近3年可能逐渐衰退的技术领域3.6核心技术领域解读一、超精密加工领域概况

超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度发展。①精密加工精度为1—0．1μm，表面粗糙度值为：Ra0．3—0．03μm；②超精密加工精度为0．1—0．01μm，表面粗糙度值为Ra0．03—0．005μm，又称亚微米加工；（1微米=0.001mm）③纳米加工精度高于0．03μm，表面粗糙度值小于Ra0.005μm。超精密加工技术的技术指标1、超精密加工主要研究领域

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。主要研究领域有：（1）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。（2）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。（3）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0.1μm。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。2、超精密加工的主要加工方法超精密加工主要有两种方式。一种方式是比较成熟的基于半导体制造工艺、光刻技术、MEMS和LIGA技术的微小零件制造技术，这些加工方法普遍存在加工材料单一、加工设备昂贵等问题，且只能加工结构简单的二维或准三维微机械零件，元法进行复杂的三维微机械零件的加工；另一种方式是利用常规机床进行三维微小型零件加工，但这种加工方式存在场地占用大、原材料浪费严重、能源消耗大、制造成本高、生产效率低、灵活性差等缺点，同时由于被加工零件特征尺寸非常小，使得加工工艺非常复杂，甚至难以实现。3、超精密加工对设备的要求

(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。二、超精密加工的国内外应用及发展情况随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学以及生物工程技术的发展，对精密/超精密三维微小零件(特征尺寸在微米级到毫米级)的需求日益迫切。超精密加工的制造产品广泛应用于国防、医疗、航空航天、电子等军事民用领域，如国防领域:弹药引信、微型传感器、微制导系统、光学元件等;航空航天领域:微卫星零部件、微激光陀螺、微推进系统等;电子领域:电子封装、微马达、微型夹持与微装配系统等。例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。1、超精密加工应用领域超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。Renishaw、Heidenhain及SONY等公司发展了分辨率均可以达到1nm的测量元件；美国HP公司、英国Taylor、美国zygo等公司的测量仪器均可以满足纳米测量的需求。与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜(HST)、飞机发动机转子叶片等；与集成电路(IC)有关的硅片加工(要求硅片的加工表面粗糙度Ra一般小于2nm，最高要求达0．1nm)；光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米和纳米级。导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等，其表面粗糙度均要求达到纳米级。另外，光学非球曲面零件面形制造精度要求已达λ/(30—50)，表面粗糙度要求≤0．5nm。2、超精密制造技术的发展状况：国外美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.03˚～0.05˚/h，其命中精度的圆概率误差为500m，而MX战略导弹(可装载l0个核弹头)制导系统陀螺仪精度比民兵Ⅲ型导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有50～l50m。美国UnionCarbide公司1980年研制出首台超精密车床。在美国能源部支持下，LLNL实验室和Y—12工厂合作，与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床(DTM—3型)。该机床可加工最大直径￠2100mm，多路激光干涉测量系统分辨率为2．5nm。1984年，LLNL实验室成功地研制出LODTM大型金刚石车床。该机床可加工的最大直径为￠1625mmx500mm，重量1360kg。采用的双频激光测量系统分辨率为0．7nm，其主轴静态精度为：径向跳动≤25nm，轴向窜动≤51nm。LLL实验室这两台机床是目前公认的国际上水平最高的超精密机床。2、超精密制造技术的发展状况：国外

90年代以后，超精密铣磨和抛光技术在几个发达国家竞相发展，个别实验室可以达到很高的水平，特别是其中包含的纳米制造技术，受到很大的关注。开发超精密铣磨和纳米抛光制造技术较好的公司及机构有：美国M00RE公司、英国的TAYL0R、德国的ZEISS、LOH、SCHNEIDER、日本的NACHI、TOSHIBA、荷兰的PHILIP等。日本TOYOTA公司生产的专用超精密车床用于加工非球曲面的钢磨具，可用于车削、铣削、磨削并带有精密测量装置。该机床加工模具形状精度为0.05um，表面粗糙度为0.025um。结构上机床采用盒式结构，不受外界影响，并机床处于恒温状态。3、超精密制造技术的发展状况：国内

国内有许多单位在从事研究和生产超精密加工设备和仪器，如：北京机床研究所、清华大学、长沙国防科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、303所等单位。北京机床研究所生产的超精密机床特点是：主轴性能好，精度可以达到20-50nm，刚度可以达到350N/μm；溜板直线性≤0．1μm/200mm；加工件表面粗糙度值小，车铣表面最好可以小于1nm；运动系统分辨率高，可以达到纳米级；商品化程度高。机床类型包括：JCS—027超精密车床、NAM—800超精密车床、SQUARE300超精密铣床和SPHERE200超精密球面加工机床等。3、超精密制造技术的发展状况：国内哈尔滨工业大学研制的超精密机床型号为HCM：主轴精度≤50nm，径向刚度220N/μm，轴向刚度160N/μm，导轨Z向(主轴)直线度≤0．2μm/100mm，X向(刀架)直线度≤0．2μm/100mm，X、Z向垂直度≤1“，加工工件精度形面精度(圆度)≤0．1μm。三、超精密加工技术发展总体态势分析在科学技术迅猛发展和经济全球化的时代背景下，专利对科学研究的作用和影响日益显著，通过专利技术分析，能够找出该技术领域涉及的主要国家、机构和发明人，了解技术布局及研发热点，从而为研究人员全面了解该领域技术的全球发展态势提供借鉴和参考。本研究的分析数据主要来源于汤森路透的德温特世界专利创新索引（DII）数据库，利用主题词TS=(PrecisionMachin*)or(Ultraprecisionmachin*)进行检索，检索截止日期为2015年8月21日，1949年—2014年间，共检索到DII数据库收录的中子探测器专利数据共940条。采用的分析工具为TDA（ThomsonDataAnalyzer）和智慧芽专利分析系统。三、超精密加工技术发展总体态势分析通过专利申请数量的年度变化情况，可以把握该行业的总体技术发展趋势。如图所示，显示了超精密加工各年申请优先权的专利数量变化。1.专利申请量的年度变化趋势三、超精密加工技术发展总体态势分析2.主要技术分布国家与机构情况专利申请的优先权国家分布情况基本可以反映这个国家在该项技术的研发实力和技术发展水平，进而再对具体的申请机构进行统计，可以了解掌握该领域核心技术的机构，从而为进一步跟踪、掌握最新技术发展动态提供方向。三、超精密加工技术发展总体态势分析2.主要技术分布国家与机构情况序号记录数量组织名称时间区间近三年记录比率核心技术主题词144HARBININSTTECHNOLOGY(HAIT-C)2007-201418%of44工程元件或部件，主要用于弹簧、减振器；传递运动的机械装置；236TOSHIBAMACHINECOLTD(TOSI-C)1984-20120%of36机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置；车削；镗削加工工艺

313CANONKK(CANO-C)1986-20110%of13传递运动的机械装置；除传动装置、联轴器、离合器或制动器元件以外的转动工程元件；413UNIVJILIN(UYJI-C)2011-201469%of13应用固体移动静电荷载体的静电发电机或电动机,电致伸缩或磁致伸缩的电动机512UNIVZHEJIANGTECHNOLOGY(UYZT-C)2007-201433%of12机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置611KOYOSEIKOCOLTD(KOYS-C)2005-20080%of11机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置710FANUCLTD(FUFA-C)2003-20110%of10机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置810UNIVHUNAN(UYHU-C)2007-201450%of10用于磨削或抛光的机床、装置或工艺99HONHAIPRECISIONINDCOLTD(HONH-C)2005-20120%of9塑料的成型或连接；塑性状态物质的一般成型109MITSUBISHIMATERIALSCORP(MITV-C)1986-20100%of9磨削、抛光或刃磨用的工具目前开展超精密加工研发的主要机构以中国、日本的公司和科研机构为主，其中中国的哈尔滨工业大学、日本的松下和佳能公司排在前3位，申请专利数量占TOP10机构总量的63.6%。从这些全球排名前10的超精密加工的研发机构来看，它们的核心技术领域主要针对的是传递运动的机械装置；除传动装置、联轴器、离合器或制动器元件以外的转动工程元件；机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置，是全球的主流研发方向。三、超精密加工技术发展总体态势分析3全球技术布局

颜色越深表示专利优先权国家在该国/地区申请的专利越多，其国家对该技术领域的保护就越重视。可以看到，专利申请者首先重视的是中国和日本市场，其次是美国和欧洲市场。这说明在全球范围内，超精密加工的市场应用前景在上述国家更为广阔，技术重视程度也更高。

总体上而言，中国比较重视：用于磨削或抛光的机床、装置或工艺；机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置；日本比较重视：机床的零件、部件或附件，如仿形装置或控制装置和联轴器、离合器或制动器元件以外的转动工程元件；前苏联只重视：车削；镗削。三、超精密加工技术发展总体态势分析3.近3年的热点研究领域总体上而言，近3年的研究热点分布在控制装置机床、工程元件加工、印刷工艺、半导体器件的加工工艺方面。其中2011年仿形装置或控制装置机床以及用于磨削或抛光的机床、装置或工艺是主要研究热点，占申请数量的56.8