超精密加工技术的研究与应用

超精密加工技术的研究与应用

0超精密加工是现代制造科学的重要基础超精加工技术一直采用现代最新科技成果，提高了加工精度，提高了自身。因此，“超精细”的概念随着科学技术的发展而不断更新。目前超精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级,加工表面粗糙度R超精密加工目前包括4个领域:(1)超精密切削加工;(2)超精密磨削加工;(3)超精密抛光加工;(4)超精密特种加工(如电子束、离子束加工)。本文将重点介绍超精密切削、超精密磨削和超精密抛光技术。超精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术,其加工表面粗糙度R超精密磨削是指以利用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮以及高性能磨床实现材料高效率去除、加工精度达到或高于0.1µm,加工表面粗糙度R超精密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用,在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下,为获得光滑或超光滑表面,减少或完全消除加工变质层,从而获得高表面质量的加工方法,加工精度可达到数纳米,加工表面粗糙度R超精密加工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,是现代制造科学的重要发展方向超精密加工应用范围广泛,从软金属到淬火钢、不锈钢、高速钢、硬质合金等难加工材料,到半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料,几乎所有的材料都可利用超精密加工技术进行加工。现代机械工业之所以要致力于提高加工精度,其主要原因在于:可提高产品的性能和质量,提高其稳定性和可靠性;促进产品的小型化;增加零件的互换性,提高装配生产率,并促进自动化装配。随着现代工业技术和高性能科技产品对零件精度和表面完整性的要求越来越高,超精密加工的作用日益重要,它对国防、航空航天、核能等高新技术领域也有着重要的影响,超精密加工综合应用了机械技术发展的新成果以及现代电子、传感技术、光学和计算机等高新技术,是一个国家科学技术水平和综合国力的重要标志,因此受到各工业发达国家的高度重视。最近启动的研究计划包括:2001年美国的国家纳米科技推动方案(Nationalnanotechnologyinitiative,NNI)计划、2002年英国的多学科纳米研究合作计划,2002年日本的纳米科技支撑计划。由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一,当代的超精密加工技术是现代制造技术的前沿,也是明天技术的基础。我国制造业产值居世界第四,约占总产值的5%,但单位产值的能耗和物耗居世界第一,比发达国家高4~10倍。我国目前某些精密机电产品虽已能生产,但大部分超精密加工产品仍然靠加工后经分选获得,因而成品率极低,核心关键零部件仍须进口,如飞机发动机、高档数控机床仍须进口。例如,2003年我国进口机床41.6亿美元,进口精密数控机床平均单价33000美元,出口低精度廉价的简单机床600万台合3.8亿美元,平均单价60美元,单价相差550倍,进出口逆差高达11倍以上。某些大型精密机械和仪器国外还对我国禁运。此外,即使进口了高档精密数控机床,在超精密加工工艺的开发上我国离先进国家相比还有很大差距,这就不能充分发挥进口精密机床的作用。总体来说,我国制造业缺乏核心竞争力,不能满足我国成为世界制造强国的需要。这些都充分说明我国必须大力发展超精密加工技术。1国内外发展现状与比较分析1.1影响超精密加工精度的因素超精密加工发展到今天,已经取得了重大进展,超精密加工已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题,而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。影响超精密加工精度的主要因素包括:超精密机床、超精密加工工具(刀具、磨具、磨料等)、超精密加工工艺、被加工材料、夹具、在线检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)。只有将各个领域的最新技术成就集成起来,才有可能实现超精密加工。1.1.1纳米加工机理的提出超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。其加工机理随着加工单位(加工应力作用的范围)和工件材料的不均质程度(材料缺陷或因加工产生缺陷)不同而异,如图2所示若在硬脆材料(如陶瓷、硅单晶等)表面用金刚石刃头划个刻痕,硬脆材料则发生脆性破坏,在材料表面残留无数微裂纹。图3所示的是由压入所引起的变形破坏范围的模型当加工尺度达到纳米级时,会产生一系列介观物理现象,如:小尺度效应、量子尺寸效应等,此时再用宏观的切削原理来描述加工过程和各种介观现象,解释表面形成机理已力不从心,必须用分子动力学、量子力学、原子物理等近代基础理论来研究这一加工过程,进而建立纳米级加工过程的理论,指导纳米级超精密切削加工实践。分子动力学仿真不受加工设备、加工条件的限制,可以根据需要改变加工条件、材料特性及刀具几何形状的设定。因此,基于分子动力学的纳米切削机理的研究受到研究人员的广泛重视。美国劳伦斯利弗莫尔(Lawrencelivermore,LL)国家实验室与日本大阪大学合作于1986年在世界上成功实现了切削厚度为1nm的稳定切削试验1.1.2国外超精密加工机床的发展现状超精密加工的发展经历了如下三个阶段。这一时期,美国率先发展了以单点金刚石切削(Singlepointdiamondturning,SPDT)为代表的超精密加工技术,用于航空航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。美国的联合碳化公司、荷兰飞利浦公司和美国LL国家实验室陆续推出各自的超精密金刚石车床,用于铜、铝等软金属的加工,加工形状较只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等,且只有少数大公司与研究单位的试验研究。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司,日本的东芝和日立,以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下,将超精密加工设备的商品化,开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵,主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床,但其加工效率无法和金刚石车床相比。20世纪80年代后期,美国投入了巨额资金和大量人力,由LL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床,实现了大型零件的微英寸超精密加工,该设备也成为超精密加工机床的典型代表。目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先,但其发展重点各有侧重。欧美特别是美国,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NASA推动的太空开发计划,以制作1m以上反射镜为目标,目的是探测X射线等短波(0.1~30.0nm波长)。由于X射线能量密度高,必须使反射镜表面粗糙度达到Å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,对超精密加工技术提出了非常高的要求。日本对超精密加工技术的研究相对欧美起步较晚,但发展很快。日本超精密加工主要侧重于于计算机硬盘磁片、办公设备用多面镜,非球面透镜光学器件的等大批量民用产品的超精密加工。目前,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方面具有优势。目前,超精密机床以及超精密切削、超精密磨削和精密抛光等技术已日趋完善。目前超精密机床已达到了很高的水平。现在美国和日本均各有几十家工厂和研究所生产超精密机床,英国、荷兰、德国等也都有单位在研发超精密机床,也都达到了较高的水平。超精密机床发展过程中,国际上一些典型的、具有代表性的机床技术性能指标如表1所示。目前国际上主要生产超精密机床的厂家主要有:美国摩尔公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司,这几家公司占据了绝大部分的市场份额。日本的东芝机械、不二越公司、丰田工机、发那科公司等。德国先代士劳尔公司、奥普特公司是生产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家。目前美国超精密机床的水平最高,不仅有不少工厂生产中小型超精密机床,而且由于国防和尖端技术的需要,研发了大型超精密机床,其代表是LL国家实验室于1983~1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超精密车床,这两台机床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床。英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一。英国克兰菲尔德公司以其精加工技术闻名于世,曾生产HATC300等超精密车床。1991年克兰菲尔德公司研制成功用于加工X射线天体望远镜用反光镜的2.5m×2.5m大型超精密机床,可用于精密磨削和坐标测量。这是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构。日本超精密加工技术的研究相对美、英来说虽起步较晚,在20世纪70年代中期才开始,但是由于得到各有关方面的重视和协同努力,发展很快,目前在中小型超精密机床生产上,已基本与美国并驾齐驱。多功能和高效专用超精密机床在日本发展较好,促进了日本微电子和家电工业的发展。由于金刚石刀具在切削黑色金属如钢材时磨损严重,因此在黑色金属的超精密切削加工中也可以采用高性能陶瓷刀具、TiN、CBN、金刚石涂层的硬质合金刀具以及CBN刀片,但由于其加工表面质量不如天然金刚石好,仅用于表面质量不十分严格的场合。未来的发展趋势是采用金刚石刀具材料表面改性或复合切削技术(如低温切削技术、超声波振动切削技术等)来减小金刚石刀具在切削黑色金属时的磨损。微小结构表面切削加工是超精密切削的一个新的研究方向,目前德国和日本在该领域的研究处于国际领先水平。德国夫琅和费生产技术学院用微小单晶金刚石刀具加工出表面特征结构尺寸小于100µm的金字塔微棱镜阵列和壁厚1.5µm、高200µm的微薄壁结构,采用快速伺服刀架还加工出具有微反光面阵列的集成镜片此外对微小结构加工用特种金刚石刀具的制造技术也是国际上竞相研发的技术,英国的康图公司公司、日本的大阪钻石工业株式会社等著名的金刚石刀具制造厂商都相继开展了该种刀具的设计与制造工艺的研究与开发,但出于商业机密,很少有相关技术的研究报道,我国尚未开展微小金刚石刀具相关技术的研究。对硬脆材料的磨削,要生成微小切削必须采用微细磨粒的砂轮,而要产生自锐性必须使磨粒脱落的可能性增大。树脂结合剂砂轮因结合剂较软使砂轮自锐性显著提高,比金属结合剂砂轮磨削质量好。但是,磨削阻力会引起砂轮面的变形和精度恶化问题。为解决砂轮的高刚性化,采用玻璃质固化的微细金刚石砂轮具有气孔且易排屑,适用于高质量,高精度的磨削。在线电解修整(Electrolyticin-processdressing,ELID)磨削技术是日本物理化学研究所OHMORI等超精密磨削要求机床具有很高的精度和刚度,砂轮轴的高速旋转必须使用价格昂贵的轴承,而某种程度的振动总是不可避免的。磨削过程中需要对砂轮不断地进行修整,以保持磨粒的锐利,防止磨屑堵塞砂轮烧伤工件表面,容屑空间及其保持性成为制作超微细磨粒砂轮的主要难题;另外,磨削过程中,工件与砂轮主要为线接触方式,加工具有单向性,很难保证加工表面的均匀性;非磁导性工件装夹困难。这些问题都限制了磨削加工可获得的表面质量。如果能控制单颗磨粒对工件的法向载荷并使之小于中位—径向裂纹或侧向裂纹产生的临界载荷,此时工件可能仅发生弹性变形,则可实现无亚表面损伤的加工或塑性域加工。然而,由于中位—径向裂纹的临界载荷远小于侧向裂纹的临界载荷,因此,陶瓷材料的塑性加工虽然能获得较高的表面质量,但不可避免地会存在较大的加工变质层(非晶层、位错、塑性变形等),深度大约在几微米到几十微米之间。即使用粒径为0.01µm金刚石磨具ELID加工的单晶硅片,表面粗糙度达到虽然可达到R日本茨城大学的ZHOU等确定量微磨技术是采用高刚度、高精度、高稳定性机床,通过精确控制砂轮的切削深度、磨削速度、进给量,以及砂轮和工件之间的相对振动等参数,减小磨削加工过程的不确定性,减小工件表面的亚表面损伤,达到高精度、高表面质量的高效率加工。最初由美国罗彻斯特大学的光学研究中心提出,分为粗磨、半精磨、精磨等3个阶段进行磨削,其成型表面粗糙度可达到方均根值RMS3nm,优于研磨加工的质量,加工效率为传统研磨效率的数倍。近年来,日本的一些学者根据电泳沉积(Electrophoreticdeposition,EPD)原理,对利用超细磨粒的电泳特性制作砂轮的可行性进行了大量研究,认为这种方法能有效地解决传统砂轮制造所产生的微细磨料易团聚、均匀性差、无气孔、易整块脱落等缺点。日本的池野顺一等利用这种方法制作的二氧化硅磨料砂轮对单晶硅片、蓝宝石基片的磨削试验得到了R日本一些公司已经能够生产粒径为1.3µm、1.0µm或更细粒度的陶瓷结合剂金刚石砂轮(通常是做成丸片在安装在基体上形成磨具),并在硅片、蓝宝石基片超精密磨削领域得到了推广应用,所加工硅片的表面粗糙度R目前,抛光加工中材料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米级,在这种加工尺度内,加工区域氛围的化学作用就成为抛光加工不可忽视的一部分近30多年以来,众多学者采用各种原理或方式开发了一系列的无加工变质层、无表面损伤(不扰乱结晶的原子排列)的超精密抛光方法(表2)。这些超精密抛光方法如加工条件控制恰当,抛光表面粗糙度均可达到亚纳米级。其中应用最为广泛,技术最为成熟的是CMP技术。YASUNAGA等在图7中,机械作用是微量去除作用和摩擦作用,包含电解作用的化学作用是溶去作用和皮膜形成作用。例如,用于不锈钢镜面加工的电解复合抛光。用硝酸钠水溶液,通过电解作用形成非导体化膜,然后用固着磨料和游离磨料的擦划作用进行加工的,更为极端的是,完全不使用磨料的化学抛光法。如进行式机械化学抛光(Progressivemechanicalandchemicalpolishing,P-MAC),其机械作用通过抛光盘的摩擦获得,材料的去除是通过抛光液的化学溶去进行的。P-MAC抛光可在一次加工中自动实现由机械作用向化学作用的转移。最终阶段的抛光液层的腐蚀效果可使加工面完全没有加工变质层。这种方法用于CaAs基片的镜面加工时,使用溴甲醇抛光液可以获得R非接触抛光既可用于功能晶体材料抛光(注重结晶完整性和物理性能),也可用于光学零件的抛光(注重表面粗糙度及形状精度)。在工件与磨料的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能,使界面真实接触部位处于高温高压状态,处于这种状态的界面是不稳定的,各物质之间很容易互相渗透,化合物很容易产生和分解。这种界面反应一般称为机械化学反应。如果将反应生成物控制在工件表层极小的深度内(一般只有数个Å),因其加工单位很小,就可以在不伤及母材情况下使其脱落,可以获得一般机械加工绝对达不到的超精密表面。这就是一边反应生成易于去除的局部软质生成物,一边进行加工的界面反应抛光方法。可用于抛光加工的界面反应现象有机械化学固相反应和水合反应现象,相应的抛光方法称为机械化学抛光和水合抛光。这些新方法与传统的抛光法相比在加工机理上是完全不同的。由于不必使用弹性抛光盘而使加工的面形精度得以提高。由于利用了化学反应,所形成的加工变质层极小。界面反应抛光将可能成为功能陶瓷元器件基片超精密加工的主要方法。迄今为止,对蓝宝石、水晶、硅等都表明了使用这种新方法的可能性。近年来,出现的新的曲面研磨抛光方法有磁性磨粒加工、磁流变加工、气囊抛光、应力盘抛光等几种。(1)磁性磨粒加工(Magneticabrasivefinishing,MAF)是利用磁性磨粒(由磨粒与铁粉经混合、烧结再粉碎至一定粒度制成)对工件表面进行研磨抛光的加工方法。加工时在工件和磁极间充满磁性磨粒,如图10所示,磁性磨粒在磁场作用下沿磁力线形成“磁刷”,通过工件和磁极的相对运动完成加工。磁性磨粒加工的特点可概括如下:(1)几乎不受工件几何外形限制,可研磨抛光平面、圆柱面、圆管内表面、外圆球面、复杂曲面、缩颈气瓶内表面(内圆球面)等多种形面;(2)对设备精度和刚度要求不高,没有传统精密设备的振动或颤动等问题;(3)磨粒与工件表面之间并非刚性接触,所以即使有少数大磨粒存在或工件表面偶然出现不均匀硬点,也不会因为切削阻力突然改变而划伤工件表面;(4)加工中磁性磨粒的切削刃不断更换,具有自锐功能;(5)加工压力可由激磁电流控制磁场强度决定,整个加工过程可作到全面自动化;(6)可使工件表面产生残留压缩应力,提高工件的抗疲劳强度。但主要问题是,磁性磨粒的制备过程复杂因而成本高昂,使该方法的应用受到一定限制。(2)磁流变抛光(Magnetorheologicalfinishing,MRF)技术是20世纪90年代初由KORDONSKY等磁流变抛光方法,可以认为是以磁流变抛光液在磁场作用下,在抛光区范围内形成具有一定硬度的“小磨头”对工件进行抛光。“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制。磁流变抛光是一种柔性抛光方法,不产生亚表面损伤层、加工效率高、表面粗糙度低、能够实现复杂表面的抛光加工;通过控制磁场分布形状和加工区域的驻留时间,可以实现确定量抛光。1998年,罗彻斯特大学的光学加工中心与QED公司合作推出了第一台磁流变抛光机Q22-X,使MRF技术商业化。目前,QED生产的MRF设备,加工零件尺寸扩大到750mm×1000mm,非球面光学器件加工精度可达到P-Vλ/20,表面粗糙度达到0.5nm以下,具备离轴非球面的加工能力。(3)液体射流抛光(Fluidjetpolishing,FJP)是通过专门设计的喷嘴将含有磨料颗粒的液体射向工件,依靠磨料的高速冲击和冲刷而实现材料去除的一种方法。FJP技术由于对抛光距离不敏感,因此适于对高陡度非球面和大长径比内腔等复杂面形进行确定性抛光。液体射流抛光技术已经实现商品化,英国Zeeko公司推出了液体射流抛光设备FJP600(图12)。FJP600抛光自由曲面时面形精度优于P-V60nm,表面粗糙度能达到RMS1nm;加拿大LightMachinery公司的水射流抛光机床FJP-1150F可加工最大尺寸为150mm×150mm的工件,面形精度可达±3nm,表面粗糙度可达RMS1nm(4)计算机控制光学表面成形技术(Computercontrolledopticalsurfacing,CCOS)是近年来普遍采用的技术之一。其基本思想是利用一个比被加工器件小得多的抛光工具,根据光学表面面形检测的结果,由计算机控制加工参数和加工路径,完成加工。目前,世界上很多大型天文观测反射镜的加工都采用CCOS方法以及应力盘抛光方法。由于计算机控制抛光可以精确地控制研抛过程中的材料去除量,和传统的研抛相比,大大提高了加工效率,缩短了加工周期,并且提高了成品率。例如,美国Arizona州的Steward天文台大镜实验室已经成功应用该技术加工了一系列的大镜,先后完成了1.8mf/1.0VATT主镜、3.5mf/1.5SOR主镜、3.5mf/1.75ARC主镜、6.5mf/1.25MMT主镜和6.5mf/1.25Magellan主镜的加工;2005年完成了LargeBinocular望远镜(LBT)8.4mf/1.14主镜的加工,加工后面形误差仅为RMS20nm。2006年,Tinsley公司仅用三个多月时间就完成了对JWST主镜的一块子镜(材料为铍)的抛光,面形P-V值由最初的250.57µm收敛到22.40µm,RMS值由最初的49.101µm收敛到1.460µm,比预计完成日期提前了41d。美国哈勃空间望远镜φ2.4m的主镜,Perkin-Elmer公司承担了第一块轻型主镜的加工,最终面形达到了RMS12nm。法国REOSC空间光学制造中心使用CCOS技术成功地加工了8m的VLT大镜,面形精度达到了RMS8.8nm,远远优于要求的35nm指标。计算机控制抛光已经成为了超精密抛光技术的主流,具体的计算机控制抛光包括CCOS、SLP、MRF、IBF、BTP和FJP等,国外如美国亚利桑那大学光学中心、罗彻斯特大学光学制造中心、Itek公司、Tinsley公司、LL国家实验室、EastmanKodak公司、QED公司、英国的伦敦大学、Zeeko公司、法国空间光学制造中心、俄罗斯Vavilov国家光学研究所、德国Zeiss公司和日本的Canon公司等都大量使用计算机控制抛光技术。(5)气囊式抛光。图13是由伦敦大学光学科学实验室和英国Zeeko公司于2000年联合提出的它使用的抛光工具是特制的柔性气囊,气囊的外形为球冠,外面粘贴专用的抛光模,如聚氨酯抛光垫、抛光布等。将其装于旋转的工作部件上,形成封闭的腔体,腔内充入低压气体,并可控制气体的压力。抛光头本身旋转形成抛光运动。工件可以旋转,并可作x、y、z向的数控联动运动。在工件为回转体表面时,工件旋转并作x、z向的数控联动运动;在工件为自由曲面时,工件不旋转而作x、y、z向的数控联动运动。为使抛光头气囊表面抛光模磨损均匀,在抛光时,抛光头作一定的摆动(但气囊球面的中心位置不变)。气囊式抛光方法适合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的抛光(质量控制)和修整(面形控制)。可以加工非球面(包括离轴非球面)、自由光学曲面等。能够抛光光学玻璃、镀镍铝、不锈钢、石墨纤维等多种材料。Zeeko公司生产的IRP系列多轴抛光设备,加工工件口径从200~2000mm,面形精度达P-V80nm,表面粗糙度达R(6)应力盘抛光(Stressed-lappolishing,SLP)。CCOS的整个加工过程是一个闭环控制过程,对局部误差的修正非常有效,但容易产生局部的中高频残差(加工后的面形可以看成是要求面形与低、中、高频残差的叠加),对最终光学系统的质量产生影响。为此出现了应力盘抛光方法,该方法采用大尺寸弹性盘为工具基盘,在周边可变应力的作用下,盘的面形可以实时地变形成所需要的面形,与非球面工件的局部面形相吻合,进行研磨抛光加工。应力盘抛光技术具有优先去除表面最高点或部位的特点,具有平滑中高频差的趋势,可以很好地控制中高频差的出现、有效地提高加工效率应力盘面形控制的一种实现方式如图15所示,应力盘周围上装有12个驱动器和连杆装置,12个驱动器分为4组,每三个构成一组成等边三角形分布,每个驱动器装有着力点和测力传感器,4组等边三角形合力可以产生需要的弯矩和扭矩。在12个变力矩的作用下,应力盘能够产生需要的变形。1.2非球面检测加工我国1965年研制出镜面外圆磨床,加工圆度优于0.3µm,表面粗糙度R哈尔滨工业大学是国内最早从事超精密加工技术研究的单位之一,于1996年研制出了亚微米级的超精密机床,并在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作,2006年研制成的大平面超精密铣床,已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工。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,研制的NAM-800型纳米数控车床是新一代纳米级加工机床,控制系统分辨率为5nm、定位精度为±0.2µm/400mm、重复定位精度为±0.1µm/100mm。北京航空精密机械研究所在超精密切削加工及其装备方面形成了自己的特色,研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统。CCOS技术方面比较有代表性的装备是长春光机所先后研制的数控非球面加工中心FSGJ-I、FSGJ-II、FSGJ-III和国防科技大学于2002年研制的集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床AOCMT。中国科学院长春光机所利用FSGJ-II将一块600mm×300mm的SiC离轴非球面反射镜加工到面形精度RMS13nm;国防科技大学使用AOCMT将φ500mmf/3抛物面反射镜面形精度加工到了RMS9.4nm。国内有多家单位对MRF进行了研究,例如国防科技大学于2006年研制了可加工1m口径的MRF设备KDMRF-1000,最近利用该设备加工了一块φ200mmf/1.6的光学玻璃抛物面镜,获得了RMS0.009λ的精度;哈尔滨工业大学孙希威等此外,苏州大学和国防科技大学分别进行了FJP、MJP的研究,苏州大学利用FJP装置将一块φ90mm的非球面镜面形精度加工到了P-V0.36λ,表面粗糙度达到R传统的超精密磨粒加工方法分为固着磨粒加工(如磨削)和游离磨粒加工(如抛光)两种。固着磨粒加工的效率高,但存在亚表面损伤,游离磨粒加工的表面质量高,但加工效率低。并且为了防止硬质大颗粒对加工表面造成的划痕等表面损伤必须对加工环境的洁净度及磨料的尺寸一致性加以严格控制,代价十分高昂。为适应当前大批量生产各种超精密产品的超精密高效加工要求,浙江工业大学超精密加工研究中心和湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心袁巨龙等(1)开发了具有塑性变形且较低结合强度性能的结合剂,既保证了磨具上各磨粒加工时所承担的压力均匀,又可使磨具自锐性好,可防止“堵塞”而引起的加工效率降低、表面质量变差的不利现象。(2)即使有硬质大颗粒不慎进入加工区域,由于半固着磨具的塑性特性,硬质大颗粒会陷入到磨具中并与其他磨粒等高(称为半固着磨具的“陷阱”效应),不会损伤被加工表面。(3)采用能与被加工材料进行固相反应的软质微细磨粒,在干式或湿式(加净水)条件下均能实现超精密抛光加工。(4)SFAM磨具不需要烧结,可以方便地制成平面、球面、非球面等形状的磨具,适合多种面形工件的超精密加工。(5)在普通净化环境条件下就可实现超精密无损伤加工。(6)由于SFAM磨具具有类似砂轮的刚性,形状精度保持性好,所以加工形状精度比游离磨粒高。(7)由于SFAM磨具的磨粒分布密度比传统抛光液大得多,所以加工时材料的去除率比传统抛光大,加工效率高。(8)抛光前道工序也可采用SFAM技术,由于加工表面质量均匀,无大的表面损伤,所以可以大幅度缩短最终抛光的时间。目前已制成Al长期以来,我国先进电子制造主要技术几乎全部依赖进口,核心技术更受到国外封锁,极大地制约了我国电子技术的自主发展。清华大学摩擦学国家重点实验室雒建斌、路新春、潘国顺等针对超精表面抛光、改性和测试技术及其产业化开展了深入研究,取得了重要进展。该成果的主要创新和突破如下:在计算机硬盘基片表面超精密化学机械抛光(CMP)方面,提出了超精密表面纳米粒子的行为机制,发现了化学与机械作用均衡规律,探索出硬盘基片超精密表面新型CMP技术及先进的抛光工艺,使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0.1nm;在计算机磁头表面亚纳米级抛光方面,首次将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光,解决了纳米颗粒分散、分级、改性,抛光工艺制定等技术难点,开发出纳米金刚石抛光液及抛光工艺,使磁头表面粗糙度由原工艺的0.48nm降到0.20nm以下,并去除了划痕、黑点等缺陷。该项技术达到了国际先进水平,并成功用于全球较大的计算机磁头生产商——香港新科实业有限公司、南科集团等著名电子制造企业,产生了显著的经济效益和社会效益,对促进我国电子制造技术领域的科技进步具有重要的推动作用。精密球作为圆度仪、陀螺、轴承和精密测量中的重要器件,需求量巨大,广泛应用于精密机械、航空航天、军事国防、石油化工等领域。我国的高精度球体基本依赖进口。国内外目前在高精度球批量制造中普遍存在加工效率低、加工精度低、批一致性不高等难题。浙江工业大学超精密加工研究中心和湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心袁巨龙、吕冰海、赵文宏等从理论上原创性地提出了能实现球体超精密加工的偏心式研磨方法和双自转式研磨方法,从成球原理上保证了精密球体加工的高精度、批直径变动量和批一致性。研制成功基于偏心研磨方式的固着磨料研磨盘精密球体高效研磨机Olymball-E600(图18)和基于双自转研磨方式的超精密球体研磨机Olymball-D600(图19),开发了精密球体研磨机嵌入式速度控制系统,实现了研磨盘转速按给定的速度变化曲线运转,以及研磨盘转数的精确控制;开发了压力精密控制系统,实现了加工压力的精确过程控制;提出了一种在不同工艺参数条件下,可定量评价球面研磨轨迹均匀性的评价方法。开发了工艺参数的智能专家控制系统,有效地排除了人工操作的不稳定性,保证了批量生产的质量稳定性和可靠性。研制的偏心式的固着磨料研磨盘精密球体高效研磨机Olymball-E600与双自转式超精密球体研磨机Olymball-D600配合使用,批量加工出的钢、陶瓷和硬质合金球体的加工精度和加工效率与传统研磨技术相比大幅提高(氮化硅和硬质合金球体的加工效率提高了20倍以上,球形误差0.05µm,球直径变动量0.05µm,球批直径变动量0.08µm,表面粗糙度R我国目前超精密加工装备的研发大部分还只是在研究型机床阶段,超精密加工工艺等技术的研究国内各个单位各有特点,研究力量比较分散,基本是各自为政的课题研究,还不能形成产品系列和产业化气候。总体技术水平还比较落后,不足以满足我国超精密加工行业的需要。但是,超精密加工的研究已产生了巨大的经济效益和社会效益。例如,随着国内多家单位相继研制成功非球面超精密加工设备,虽然性能指标以及可靠性等方面还有很大差距,而且还没有形成商品,但多家国外公司纷纷对我国解除了禁运,价格大幅度下降,从当初每台的一千多万元人民币已经降到目前的三百多万元人民币。2超精密加工技术的发展趋势随着超精密加工技术在民品中的广泛应用,加工的高精度、高质量、高效率、低成本以及批量加工的一致性显得越来越重要。今后,超精密切削和磨削将追随着超精密抛光的高精度、高质量,同时,超精密抛光在追随切削和磨削高效率的同时,向切削磨削加工难以达到的更高精度和质量发展。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,但加工效率不高。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高,但无法获得如CMP、EEM的加工精度和表面质量。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追求的目标。CMG、SFAM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、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。超精密加工技术总的发展趋势是:(1)大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备;(2)复合化、无损伤加工工艺;(3)超精密、高效率、低成本批量加工;(4)在生产车间大量应用的高精度低成本专用检测装置。超精密加工技术未来的发展趋势及预测如表3所示。3超精密磨削设备在国内、外我国在超精密机床与国际先进水平相比在完备性、可靠性与精度保持性还有较大的差距,总体上与国外相比差距还有15年以上,国内超精密专用加工与检测设备与国外相比有更大的差距,这严重阻碍了我国高新技术的发展和国防现代化的步伐。具体主要表现在以下几个方面。(1)机床的总体性能:对于一些复杂形状的零件加工,需要两轴以上的超精密机床才能完成,例如Precitech公司和Moore公司已商品化生产五轴超精密切削机床,而国内的金刚石切削机床目前只做到了两轴。(2)综合精度指标及稳定性:国内研制的超精密切削加工设备无论从主轴还是导轨的单项技术指标与国外商品相比已经接近,但是从设备的总体技术指标来看还有一定的差距。Precitech公司的Nanoform200加工工件的精度P-V0.15µm/φ75mm,表面粗糙度R(3)控制系统方面,与国外成熟先进的控制系统等存在着较大的差距。摩尔公司的自行开发的DeltaTau运动控制系统,Precitech公司自行开发的UPx™ControlSystem等,都已经在本公司生产的机床上得到了很好的应用。国内研制的超精密机床中的控制系统有的是自行开发的,也有的是直接采用引进的通用型数控系统,无论是从控制系统的性能还是软件等方面都存在着较大的差距。(4)超精密加工设备的可靠性:国外超精密加工设备的商品化已经二十多年,产品的成熟度和可靠性非常高。而国内目前大多数研究单位只是进行了一轮样机的研制,还有很多基础技术不成熟,设备可靠性差。(5)外观造型设计、人性化设计:这方面国产设备与国际先进设备相比差距较大。(6)机床附属功能:国外超精密加工设备上都有一些配带有必须的附件和功能可使普通操作者就能够方便地实现零件的加工,如刀具测量和刀具调整系统、工件误差在位测量补偿系统等。而国内研制的这些超精密加工设备大多只能依靠操作者的经验和技能实现基本的加工功能。国外商品化机床都配有精度补偿软件。我国因超精密加工工艺研究和有关应用基础研究还不够,尚无相应精度补偿软件。(7)基础元部件:国外超精密基础元部件都有专业的生产厂商,如Loadpoint专业生产超精密主轴、超精密导轨等,已经形成系列化、标准化。驱动电机、编码器、光栅等元部件国内还无法解决,只能依赖于进口,但又受到种种限制。(8)机床的集成技术:从高精度零件的加工,主轴导轨等部件的装配,乃至到整台设备的装配及系统调试,都存在着较大的差距。此外,在超精密切削刀具制造技术、特殊材料及微小结构的超精密切削工艺新技术方面,也与国际先进水平相比有较大的差距。目前国内尚不具备制造高精度圆弧刃金刚石刀具的能力,在微小结构表面超精密加工方法与工艺、微小结构加工用特种金刚石刀具的设计与制造等方面还缺乏深入系统的理论与试验研究。国外的超精密磨削技术已经相当成熟,已成功地应用于光学非球曲面、大尺寸硅片平整化或背面减薄、光电晶体基片的加工。经过多年的研究,国内外学者在硬脆材料的材料去除机理、磨削加工损伤、磨削过程控制、磨削过程砂轮和加工工艺参数选择和优化、砂轮修整技术的发展等方面取得了许多研究成果,但是国内真正做出超精密磨削装备的很少。在非球面的超精密磨削方面,国内从20世纪80年代才开始该方面的研究,比国外整整落后了20年,哈尔滨工业大学、国防科技大学、中国科学院长春光机所等单位都取得了阶段性的成果,但与国际先进水平相比,无论在磨削精度、稳定性、效率上都有较大差距。在硅片及光电晶体基片超精密磨削方面,国内虽然开始生产直径200mm硅片,但主要是采用传统的研磨抛光加工工艺,我国尚不掌握300mm的硅片以及光电晶体基片的超精密磨削技术及装备。当前我国还缺乏具有自主知识产权的高端砂轮制造技术,我国目前绝大部分超精密磨削用砂轮需要进口。虽然硬脆材料的超精密加工技术已成为国内外的热点研究课题,然而国外发达国家对其核心理论和关键技术极少公开报道,先进的超精密磨削技术和装备被发达国家垄断,我国超精密磨削技术的理论基础研究相对薄弱,自主创新能力不足,缺乏航空、航天、军工、微电子、光电子、能源、汽车等领域急需的高端超精密磨削技术装备研发能力。还没有摆脱高端装备长期依赖进口、或重大专用设备因遭受外国禁运而受制于人的局面。虽然国内的超精密抛光技术取得了一些成绩,但是与国外相比差距还很大。国内主要以大学的研究为主,真正的商品化应用实例还不多。而国外的超精密抛光技术产业化比较好,多数为大学与公司合作的形式,能够迅速将技术转化为生产力。可见,当前我国超精密加工机床存在的突出问题是:自主开发能力薄弱,专业化的配套体系尚未形成,功能部件发展滞后,产品自动化水平低,可靠性、精度保持性差。4《中国高新技术超精密加工技术专项》对我国超精密加工技术的启示我国已把“高档数控机床与基础制造装备”列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的16个国家科技重大专项之一。该专项的目标是:到2020年,我国将形成高档数控机床与基础制造装备主要产品的自主开发能力,总体技术水平进入国际先进行列,部分产品国际领先;建立起完整的功能部件研发和配套能力;形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系;培养和建立一支高素质的研究开发队伍;航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%左右立足国内。该专项的实施,对于提升我国超精密机床和基础制造装备产业的自主创新能力和核心竞争力具有重要意义。根据我国目前的实际情况,参考国外的发展趋势,我国应该在超精密加工技术开展以下几个方面的基础研究:(1)超精密切削、磨削、抛光基本理论和工艺;(2)超精密机床的关键技术、精度、动特性和热稳定性;(3)超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿;(4)超精密加工的材料。可以相信,在国家科技重大专项的支持下,近期内如果在生产中稳定微米级加工,扩大应用亚微米加工技术,并开始纳米级加工技术和装备的研发,则在10~15年内有希望达到美国等先进国家目前的水平。可先在某些单项技术上取得突破,逐步使我国的超精密加工技术达到国际先进水平。建议本领域在以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系下,在如下重大关键技术及装备上优先进行突破:(1)高效超精密无损伤加工技术与装备;(2)超精密加工机床精度稳定性;(3)超精密机床关键功能部件(主轴、导轨、微进给系统、直接驱动系统);(4)高效超精密加工工具(无加工损伤、无污染)的设计与制造;(5)大尺寸零件(平面、球面、非球面)超精密加工技术与装备;(6)系列高档专用数控精密机床开发(大透镜、风力发电机轴承、高速铁路列车轴承、高精度机床轴承、超精密切磨抛成套装备);(7)超精密切、磨、抛加工工艺专家数据库的建立;(8)超精密抛光过程智能化控制技术;(9)超精密抛光在线、在位检测技术;(10)超精密测量技术与装备(大尺寸、球面、非球面快速非接触测量)。(1)微量进给系统超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件。对于切削和磨削来说,要实现超精密加工就是要实现材料的超微量去除,除了要有极锋利的刀具或微细磨具之外,机床的动态刚度和精度以及微量进给系统非常重要。超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程,其发展综合利用了基础理论(包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能器件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术、运动控制技术和可重构技术、环境技术等。因此,技术高度集成已成为超精密机床的主要特点。(1)这是20世纪50年代至80年代的一个里程碑(2)20世纪80年代至90年代，他进入了大众工业的早期应用阶段(3)超精密加工设备在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下,超精密加工技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。随着超精密加工设备的相关技术,例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟,超精密加工设备成为工业界常见的生产设备。此外,设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工工件的尺寸范围也变得更大,应用越来越广泛。随着数控技术的发展,还出现了超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。(2)超精密切削刀具采用微量切削可以获得光滑而加工变质层较少的表面。最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径,切削刃钝圆半径越小,则最小切削厚度越小。因此,具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造是实现超精密切削的关键技术之一。超精密切削用刀具材料目前均采用天然单晶金刚石