现代超精密加工技术
作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数：588 更新时间：2012/5/27 20:37:26 热 ★★★
械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从C N C到C I M S发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。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。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、惯导级陀螺、精密机床、精密仪器、录象机磁头、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，超精密加工技术的发展促进了机械、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。
1．超精密加工技术概述
超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。
超精密加工主要包括超精密切削(车、铣) 超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等) 以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等) 。上述各种方法均能加工出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。
1．1超精密切削加工
超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于 ρ0．01 μm，实际应用一般ρ0，05 μm) 可加工出优于Ra0．01 μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等) 、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等) 以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达到Ba0．005μm，加工φ800mm
的非球面透镜，形状精度可达0．2／μm。超精密加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛(见表1) 并向更高精度等方向发展(见表2) 。
1．2超精密磨削
超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。
目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成3—5nm 的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料) 的加工，是重要而有效的加工技术。
此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。
当前的超精密磨削技术能加工出0．0 1μm圆度， O ．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm 的平面。
1．3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。超精密研磨加工出的球面不球度达0．025ttm ，表面粗糙度达 RaO ．003μm。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5A 。最高精度的超精密研磨可加工出平面度为λ／200的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高精度检测方法也比不可少。
1．4超精密特种加工
1．4．1电子束加工
离子束加工是指在真空中将阴极(电子枪) 不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台 X Y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达 O.25μm的线条图形分辨串。
1．4．2离子束加工
在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离子是带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，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，可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削加工。
1．4．3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，光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。
1．4．4微细电火花加工
电火花加工是指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气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。
1．4．5微细电解加工
导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀，而工件阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，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，而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。
1．4．6复合加工
复合加工是指采用几种不同能量形式、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、超声切削加工等，可比单一加工方法更有效，适用范围更广。
2．纳米技术(Nanotechnology)
2．1概述
随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小型化方面不断提出更新、更高的要求。目前，纳米技术发展十分迅猛，它使人
类在改造自然方面进入一个新的层次。它将开发物质潜在的信息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。
纳米技术是指纳米级(＜10纳米) 的材料、设计、制造、测量和控制技术。随着纳米技术的发展。开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的军民两用前景。美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应用。
2．1．1微型机电系统( microelectron—mechanical systems， MEMS)
10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感器以及各种阀门等。
MEMS 主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天。如用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统。在环境、医学应用中，微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度。在军事主要有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用。
2．1.2专用集成微型仪器( application specific integrated micro-instrument， ASIM)
微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集成在一块普通的基片上。微型机电系统与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微型仪器(ASIM)的出现。
具有亚微米特点的ASIM 会使亚毫米器件降低研制与试验费用、缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对振动的灵敏性和通过冗余提高可靠性。 ASIM 将在航天器和航天．系统技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”。
2．1．3材料工程及功能织物
在材料工程方面，已经能够做到设计与控制一种材料的微观结构，从而获得所要求的宏观性能。因此，对于材料的分子、原子结构，以及在分子尺度上的物理化学性能的测试，以成为当今材料工程中不可缺少的技术。
利用纳米粒子的催化特性、极大的化学活性、极大的表面积、优异的电磁特性、光学特性等可以制造具有奇异功能的产品，如抗紫外线、抗可见光、抗红外线、抗电磁等的功能织物。
此外，纳米技术在微电子工程、生物遗传工程、微机械光学等方面也具有广泛的应用前景。
2．2纳米加工技术
正如制造技术在当今各领域所起的重要作用一样，纳米加工技术在纳米技术的各领域中也起着关键作用。纳米加工技术包含机械加工、化学腐蚀、能量束加工以及 STM 加工等许多方法。关于纳米加工技术目前还没有一个统一的定义，尺寸为纳米级(＜10纳米) 的材料的加工和使用称为纳米加工。
加工表面粗糙度为纳米级的也称为纳米加工。笔者认为所谓纳米加工技术是指零件加工的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度均为纳米级(＜10纳米) 。通过以下加工技术可以实现纳米级加工。
2．2．1超精密机械加工技术
超精密机械加工方法有单点金刚石和CBN 超精密切削、金刚石和CBN 超精密磨削等多点磨料加工，以及研磨、抛光、弹性发射加工等自由磨料加工或机械化学复合加工等。
目前利用单点金刚石超精密切削加工已在实验室得到了3纳米的切屑，利用可延性磨削技术也实现了纳米级磨削，而通过弹性发射加工等工艺则可以实现亚纳米级的去除，得到埃级的表面粗糙度。
2．2．2能量束加工技术
能量束加工可以对被加工对象进行除、添加和表面处理等工艺，主要包括离子束加工、电子束加工和光束加工等，此外电解射流加工、电火花加工、电化学加工、分子束外延、物理和化学气相淀积等也属于能量束加工。
离子束加工溅射去除、沉淀和表面处理，离子束辅助蚀刻亦是用于纳米级加工的研究开发方向。与固体工具切削加工相比，离子束加工的位置和加工速率难以确定，为取得纳米级的加工精度，需要亚纳米级检测系统与加工位置的闭环调节系统。电子束加工是以热能的形式去除穿透层表面的原子，可以进行刻蚀、光刻曝光、焊接、微米和纳米级钻削和铣削加工等。
2．2．3 LIGA技术( Lithographie， Galvanoformung ， Abformung)
LIGA 工艺是由深层同步辐射X 射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术，其最基本和最核心的工艺是深度同步辐射光刻，而电铸和塑铸工艺是LIGA 产品实用化的关按。
用LIGA 技术可以制作各种微器件、微装置，己研制成功或正在研制的LIGA 产品有微传感器、微电机、微机械零件、集成光学和微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械、纳米技术元件及系统等。
LIGA 产品的应用涉及面广泛，如加工技术、测量技术、自动化技术、汽车及交通技术、电力及能源技术、航空及航天技术、纺织技术、精密工程及光学、微电子学、生物医学、环境科学和化学工程等。
2．2．4扫描隧道显微镜( STM)技术
C ．binning 和H ．Robrer 发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以单个原子的分辨率观测物体的表面结构，而且也为以单个原子为单位的纳米级加工提供了理想途径。应用扫描隧道显微镜技术可以进行原于级操作、装配和改型。S T M将非常尖锐的金属针接近试件表面至1nm 左右，施加电压时隧道电流产生，隧道电流每隔0．1nm 变化一个数量级。保持电流一定扫描试件表面，即可分辨出表面结构。一般隧道电流通过探针尖端的一个原子，因而其横向分辨率为原于级。
扫描隧道显微加工技术不仅可以进行单个原于的去除、添加和移动，而且可以进行STM 光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等新的 S T M加工技术。
2．3纳米测控技术
实现纳米级加工离不开纳米级的测量技术，而这二者都离不开控制技术，超高精度的定位技术是实现纳米级控制的关键。
2．3．1纳米测量技术
以表面性貌等为测量对象，纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术。
扫描隧道显微镜可以直接观测原子尺度结构，垂直分辨率达到O ．1nm ，近年来在 S T M的基础上又派生出一系列的扫描探针显微技术，如光子扫描隧道显微镜、原子力显微镜(AFM)、磁力显' 微镜(MFM) 扫描近场光学显微镜(SNOM) 横向力显微镜(LFM)、弹导电子发射显微镜(BEEM) 光于扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等等。
2．3．2纳米定位控制技术
在纳米级测量与加工中，需要纳米级的三维定位与控制。目前用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此，实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米定位用的执行元件相组合方式来实现。实现三维定位与控制，目前普遍采用压电陶瓷致动器件，它在微米级的极小范围内通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外，利用电致材料、静电或磁轴承式结构，以及静电致动的高精度定位控制技术也向纳米级精度发展，也可采用摩擦驱动装置和丝杠定位元件通过特殊的方法也纳米级的定位。
3．非球面曲面超精密加工技术
3．1概述
非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，最常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件具有球面光学零件所无可比拟的良好的成象质量。应用在光学系统中能够很好的矫正多种象差，改善仪器成象质量，提高仪器鉴别能力，增大作用距，它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效的减轻仪器重量，在航空、航天等领域，由于近年来非球面雷达天线、非球面透镜、反射镜的应用，使产品的性能得到了极大提高。卫星中的先进的光学望远系统、高分辨串的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统等，其光学系统中都离不开非球面透镜。惯导器件的关键部件激光陀螺中由于采用了非球面反射镜，不仅大大缩小了体积，更重要的是大大提高了控制精度以及控制稳定性。红外抛物面反射镜是红外探测系统中的关键元件，其加工精度对导弹引爆距离的一致性影响很大。在民用方面激光核聚变可以提供长期的、清洁的、经济的能源，生产廉价的核燃料。其中关键部件之一的激光核聚变反射镜即为一非球面反射镜，采用非球面反射镜替代成组透镜，主要减少了反射次数，减小了功率损失。空间探测用的哈勃宇宙望远镜中直径2．4ln ，重达卯OK8的大型非球面反射镜采用了磨削、抛光加工，形状精度可达O ．01LLm 。
非球面光学零件在民用光电产品上的应用更为广泛，其范围涉及到摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录象机镜头、录象和录音光盘读出头、条形码读出头、光钎通信的光钎接头、医疗仪器等等。
从上述的论述中我们可以看到无论在机载设备、卫星、惯性制导及惯性导航系统、激光制导系统、红外探测系统、激光核聚变等方面都离不开非球面零件，所以尽快提高我国非球面曲面的超精密加工技术成了当务之急，这有利于提高我国的航空、航天、武器系统等国防工业的水平。
这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜的加工问题，前五种方法都运用了数控技术，加工零件精度较高，加工效率高，能批量生产。非球面曲面根据材料的不同采用不同的加工方法。对于铜、铝等软质材料，目前可以利用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工。对于玻璃或塑料等，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生产非球面曲面。对于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通过超精密磨削和超精密研磨、抛光进行加工。此外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。
3．2国内外发展状况
非球面曲面的精密、超精密加工要从CNC 超精密机床谈起。 CNC 超精密加工技术在美国、英国、荷兰、日本等国得到了很大发展，主要都是基于航空、航天、军事、能源等方面的应用，英国Cranfield 大学的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚石镜面切削机床可以加工大型X 射线天体望远镜所用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm ，最大长度 600mm 的圆锥镜) 。
该研究所还研制成功了可加工X 射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲面的金刚石切削机床。哈勃望远镜上的大型非球面反射镜超精密加工所用的 OAGM2500六轴 CNC 超精密磨床的研制也正是出自该
实验室，该机床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工，其加工形状精度可达到0．1μm。代表当今最高水平的超精密金刚石车床LODTM 于1984年在美国劳伦斯．利佛莫尔(LLNl)实验室研制成功，它可加工直径达2l00mm ，重达4500Kg 的工件，其加工精度可达 0．25μm，表面粗糙度Rmax0．0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于激光核聚变工程的零件，红外线装置用零件以及大型天体反射镜的加工。荷兰PHILPHS 公司于1978年研制成功了CNC 超精密金刚石车床COLATH ，主要用于非球面塑料透镜的加工，加工精度在0．5μm以下，表面粗糙度Ra O．02μm。此外，对于硬脆材料的非球面形状的加工，超精密研磨、抛光也是一种有效的手段，日本在这方面投入的资金和人员较多，取得了一定成果。运用特种加工技术如离子束抛光、弹性发射加工等，可明显提高加工表面质量。美国 Frankfurt 兵工厂采用氩离子束抛光火控系统用的高精度非球面镜，精度达到O ．02λ。
目前，国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集一体，开发研制出复合超精密加工机床。 Rank Pneumo公司生产的NANOFORM600以及CUPE 研制的NANOCENTRE 都具有以上加工功能，这样使非球面零件的加工更加灵活。
目前国外各种非球面加工工艺正处于比较成熟阶段，从大到几米直径小到几毫米直径，从单件到大批量，从高精度到一般精度的非球面光学零件都能加工。相比之下，我国仍主要采用传统的加工工艺，需依赖有经验的非球面加工技术工人，利用刀口仪和箱密抛光工具，逐点修磨抛光加工出非球面曲面。工艺需要几个月，重复性差，加工成本高，只适用于单件和极小批量的生产，仅能满足研究所和学校的单件试制要求。
国内从八十年代初开始了超精密加工技术的研究，比国外整整落后了二十年。其中开展研究工作较好的单位有北京密云机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。国防科工委于1992年在中国航空精密机械研究所建立了国内第一家超精密加工重点实验室。这些单位为我国超精密加工技术的发展做出了一定的贡献，但对于非球面加工来说，目前国内基本还是一片空白。长春光机所前几年引进了Rank Pneumo公司的MSG —325 CNC超精密车床，主要用来加工一些金属、光学零件，但这台设备目前看来己落后于国际水平，不能满足国防工业的需要，而继续从国外引进先进设备，一是受到许多限制，二是这样只能永远落后于别人，不利于我国国防工业的发展。所以国家必须投入充足的人力、物力，才能使我国的超精密加工技术特别是非球面的超精密加工技术在较短时间内能很快适应航空、航天、武器等国防现代化的需要。
4．精密偶件超精密加工技术
4．1概述
精密偶件技其形状可分为圆柱面偶件、平面偶件、球面偶件和导形柱面偶件。精密偶件在航空航天、精密机械、精密仪器、能源交通等部门的应用十分广泛，就其专业性质来说，液压工业应用最多。根据偶件的材料、精度、使用场合及批量的不同有各种加工方法。对于平面偶件，主要采用超精密磨削、研磨或超精密车削等，对于圆柱面及球面偶件主要采用研磨、磨削、滚压、伤磨、金刚石及CBN 铰削等工艺。
精密偶件制造技术的发展也是精密加工、超精密加工技术时发展过程，60年代美国制成第一台具有0．025μm的进给分辨率、加工圆度到O ．125μm的外圆磨床。
精密偶件的加工逐渐步入了超精密加工范畴，随后各种精密与超精密加工技术的发展使精密偶件的制造技术不断发展。
用超精密加工技术解决精密偶件的加工，己引起了国外的重视，特别是在军事工业中投入了大量人力、物力来解决精密偶件的制造技术问题。目前利用超精密加工技术来解决精密偶件制造中的关键问题，尚处于起步阶段，国内一些单位主要利用高精度磨床进行偶件磨别，也利用超精密技术改装原有精密设备使之提高精度，国内尚无真正的超精密磨床、超精密研磨机等超精密加工设备。目前，三O 三所针对航空、航天、舰艇及武器系统等制造技术的需要，在国防科技超精密加工重点实验室的基础上，研制了一系列的超精密加工设备(包括超精密车、镗、外圆磨、超精密平磨、超精密研磨机、超精密金刚石研磨机) 以及轴向配磨装置等，并进一步进行工艺研究。
4．2研究内容
4．2．1内、外圆柱偶件及平面偶件超精密车削、 镗削及磨削技术研究
该项技术可直接用于工厂生产，如陀螺仪零件、油泵转子、配油盘、平面反射镜等生产，解决有色金属圆柱形偶件及平面偶件的加工。
4．2．2圆柱偶件的外因磨削技术研究
进行超精密外因磨削的装置的研究，并研究超精密磨削中的砂轮修
整、动平衡、尺寸控制、温度控制及超精密磨削工艺。上述技术可直接用于工厂生产，如伺服伺服阀柱塞、惯导零件、振动筒等生产，可用于黑色金属及其它高硬度材料的圆柱形偶件的加工。
4．2．3大批量外因、柱体、球及平面偶件的超精密研磨技术
进行可用于大批量生产用的研磨圆柱体、球及平面的超精密研磨装置及其相应加工工艺的研究，此技术可用于柱塞泵、惯导中超精密轴承精化、平面反射镜等元件的加工，可直接用于生产。
4．2．4内孔的金刚石及CBN 超硬磨料超精密研、珩技术研究
进行超精密外因磨削工艺与ELID 修整工艺的研究，使研珩工具的精度达到超精密水平，从而使加工零件达到更高水平以解决现在圆拄内孔加工的技术难点。研制出一套超精密研、珩工具及加工工艺方法，提供
超精密研、珩工具及夹具，可直接用于生产。
5 结论
超精密加工技术自五十年代发展至今，已有四十年的历史。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及零件的出现、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技术在原有的基础上不断发展，如提高传统超精密加工的精度，并提出新的超精密加工工艺，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。
技术、市场、成本，是制约我国超精密加工技术发展的关键因素
超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
那么，我国超精密加工技术现状如何？与世界发达国家相比有哪些差距？制约我国超精密技术发展的关键因素有哪些？......2009年初春，我们带着对我国尖端制造业的关注走访了北京航空精密机械研究所（303所）的杨辉老师。
超精密加工技术的3个发展阶段
超精密加工技术从问世之初，其目的就是服务于军工、服务于国防，然而随着全球战略格局的变化，超精密加工技术作为基础技术，逐渐向民用方向发展。按照应用领域、发展方向来分，国外超精密加工技术经历了以下3个发展阶段。
（1）技术初创期（1960-1980）：以国防用途或科学研究用途的产品加工为主，大多处于实验阶段。此一时期的标志为美国的Union Carbide公司、荷兰Philips 公司和美国的Lawrence Livermore Laboratories的超精密金刚石车床陆续研制成功。典型用途如激光聚变的软质金属非球面反射镜的加工等。
（2）民用工业应用初期（1980-1990）：超精密加工机商品化，以专用机床形式订做，进入一般民用光学组件商品的制造。代表为美国Moore Special Tool和Pneumo Precision公司，日本的Toshiba 和Hitachi 公司，欧洲的Cranfield University等。典型应用如加工软性金属的金刚石车床，可加工硬质金属和硬材料的超精密金刚石磨削和超精密研磨抛光技术等。
（3）民用工业应用成熟期（1990至今）：从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通讯等产业的蓬勃发展，超精密加工设备需求急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、Fresnel 镜片、超精密模具、磁盘驱动器读写头、磁盘基板加工、半导体晶圆切割等。在这一时期，超精密加工机床的相关技术例如控制器、激光干涉仪、空气轴承超精密主轴、空气轴承导轨、液体静压导轨、摩擦驱动、直线电机驱动等也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界常见的生产机器设备，许多公司也纷纷推出量产型机床，设备价格大幅度下降。在这一期间，除了生产机型和数量之急剧增加外，机器精度也逐渐接近纳米级水平而加工行程也更加变大，而加工应用也逐渐增广，除了金刚石车床和超精密研磨抛光外，超精密五轴铣削和飞切
技术也被开发出来，并且加以加工非轴对称非球面光学镜片如应用于X-ray 光学系统的Troidal 镜片。
我国的超精密加工技术的起步是在上个世纪70年代，较早开始超精密加工技术研究单位有北京机床所、303所、230厂，以及哈工大、国防科技大学等高校。20世纪90年代可以说是我国超精密加工技术研究的黄金年代，一方面国内参与超精密加工技术研究的单位大大增加，另一方面超精密加工技术的研究范围也大大拓展，如在初期研究的基础上开展了对超精密加工机理、刀具及超精密加工工艺等研究。此一时期超精密加工技术可谓成果累累，机床的种类逐渐增多，研究水准逐渐提高，某些基础研究逐渐达到了国际先进水平，如303所陆续研制成功了各类超精密加工设备等。目前国内超精密加工技术的水平应该属于技术初创期向民用工业应用初期转换时期。
我国超精密加工与国际相比差距很大
在超精密加工技术方面，由于我国基础工业底子薄，工业化程度低，以及超精密加工的技术要求高等因素，目前与国际先进水平还有较大的差距。主要表现在以下几个方面：
（1）对于超精密确定性加工如车削、磨削等，依赖的是设备精度，与国外还存在较大的差距。如非球面超精密加工设备，国内目前只能做到300mm 口径，超精密磨削差距更大。硬脃材料的加工目前国内主要通过磨削还必须进行研磨抛光，国外可以直接磨削达到要求。
（2）研磨抛光：航天卫星上的光学镜片无论从口径尺寸、加工精度、材料等方面都接近于国际先进水平，但是依靠的是人的因素。然而对于一些先进的加工工艺，如磁流变抛光、进动气囊抛光、离子束抛光等由于设备的原因，与国外的差距较大。
（3）纳米级制造技术是超精密加工技术的顶峰，美国、日本和英国正在进行一些纳米技术应用项目的研究，并且已经初步获得了一些进展。
产生这种差距的关键因素
我国的超精密加工技术研究近年来虽然取得了很大的发展，但在国内目前成果转化工作还不理想，如超精密加工设备的国产化问题、金钢石切削工具的刃磨修磨、精密模具制造等等。制约我国超精密加工技术发展的因素，主要有以下几个：
（1）技术因素：国内技术成熟度还不够。对超精密加工设备的研制，基本上属于样机阶段，在工程化程度、可靠性、外观等方面还有许多工作要做，让客户接受有一定的难度。与国外引进设备相比，国产超精密加工设备价格昂贵，工艺不成熟、不稳定。
（2）市场因素：超精密加工技术前些年主要应用于军工行业的高精度零件加工，属于单件小批量生产。近年来随着民用行业如数码、办公自动化等产品中的光学镜头模具大规模应用，促进了超精密加工技术的工程化应用。但是，由于目前我国尚未掌握主流数码设备的核心部件技术，这些核心元器件大量依赖进口，从而进一步影响国内的超精密加工市场。
（3）成本与投入因素：超精密加工技术是属于高投入的高技术，无论从环境建设、设备配置、以及后期
运行成本等方面都需要大量资金投入。目前在预先研究这一块投入的资金、精力较多，而对于工程化这一块投入不够。
单从技术因素上来说，实现超精密加工需要很多条件，如加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。
（1）加工机理：近年来出现了一些非传统加工或者是复合加工工艺，都是在加工机理上有所创新的，新的加工机理出现，标志着一种技术突破，往往是新技术的生长点。
（2）加工材料：适用于超精密加工的被加工材料在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严格要求，如应该质地均匀、成分准确、性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷，应控制其杂质含量或不含杂质等。
（3）加工设备及其元部件：高精度、高刚度、高稳定性和保持性、高自动化。超精密加工设备与其基础元部件及其集成技术密切相关，一方面，只有优良的基础元部件才能有优良的加工设备；另一方面，优良的基础元部件可以快速响应市场需求，缩短精密加工和超精密加工设备的开发周期。
（4）加工工具：加工工具主要是指刀具、磨具、刃麿、修整装置。超硬金刚石刀具的设计、刃磨等，黑色金属超精密切削的刀具选择，微粉金刚石砂轮的在线修整等，研磨抛光的磨料选择。
（5）检测与误差补偿：精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段，不仅要检测零件的精度和表面粗糙度，而且要检测加工设备及基础元部件的精度。
（6）工作环境：精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大，因此，工作环境是保证加工质量的必要条件，工作环境主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求。
（7）工艺过程设计。
（8）人的技艺：目前我国的精密加工和超精密加工的加工质量和水平在一定程度上靠技术人员的操作技艺来保证，加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者决定了工件的加工精度，不仅要有高超的技艺，而且要有宽广的知识面，懂得机械、电子、物理、化学、计算机技术，才能胜任这一工作。
超精密加工技术研究为中国制造业保驾护航
一个国家的基础制造业是工业、国防、民生的最基本的保障，而超精密加工技术的研究，则是基础制造业能够腾飞的强大助力。改革开放以来，我国的重大经济政策，由原来的" 艰苦奋斗，自力更生" 调整为" 以市场换技术" ，以引进、学习国际先进技术为主要目的。然而，由于国际、国内形势的变迁，这一政策目前面临着严峻的考验。
首先，在关乎国际民生的大问题上，国际巨头仍然对中国实行技术封锁。从大飞机的核心技术，到应用于民生的计算机芯片、手机芯片，甚至最基础的液晶面板技术，在失去了大部分市场的同时，我国并没有掌握核心技术。作为制造业的基础，数控机床市场面临着的同样是这种壁垒：我们造不出来的机床，国外根本不会出口给我们；给我们的大都是落后一代、二代甚至濒临淘汰的产品。更不用说是高、精、尖项目的超精密
机床了。
其次，引进的制造设备被严格限定使用范围，例如不得应用于军工、国防领域等。
第三，自主创新被国外各巨头联手打压。举个简单的例子，在303所研究出非球面超精密复合加工设备之前，此类产品是对我国禁售的；在303所研制成功后，国外立即对中国开放此类产品，并且比国内价格更低、性能更优，以此手段来挤压国内非球面加工设备的生存空间。
从这个意义上来说，立足于自主创新的超精密加工技术研究，为我国的基础制造业作出的贡献，远非单纯的经济效益所能比拟，在军工及国防领域更是如此。基础制造业、基础技术的研究，应当作为一项科技发展的基本政策，经费应由国家财政统一调配，让科研人员、科研单位更多、更深入地面向课题与项目研究，而不是考虑如何增加效益。发达国家的基础制造业就是这样走过来的，美国也好、日本也好，其强大的制造业背后都有国家意志的影子。
在将要结束采访时，杨老师仍然显得意犹未尽：我国目前已是一个" 制造大国" ，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个" 制造强国" ，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器。在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高；国内巨大的市场需求尚待开发！
现代超精密加工技术
作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数：588 更新时间：2012/5/27 20:37:26 热 ★★★
械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从C N C到C I M S发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。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。如激光核聚变系统、超大规模集成电路、高密度磁盘、精密雷达、导弹火控系统、惯导级陀螺、精密机床、精密仪器、录象机磁头、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，超精密加工技术的发展促进了机械、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。
1．超精密加工技术概述
超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及是否容易变形等因素而定。
超精密加工主要包括超精密切削(车、铣) 超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等) 以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等) 。上述各种方法均能加工出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件的要求而选择的。
1．1超精密切削加工
超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于 ρ0．01 μm，实际应用一般ρ0，05 μm) 可加工出优于Ra0．01 μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件(如空气轴承、气浮导轨等) 、高精度的定位检测元件(如光栅、激光检测系统等) 以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达到Ba0．005μm，加工φ800mm
的非球面透镜，形状精度可达0．2／μm。超精密加工技术在航空航天、光学及民用等领域的应用十分广泛(见表1) 并向更高精度等方向发展(见表2) 。
1．2超精密磨削
超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必须有高精度、高刚度以及高阻尼特征的基准部件，消除各种动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。
目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目标是范成3—5nm 的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡轮用的陶瓷材料) 的加工，是重要而有效的加工技术。
此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很好地解决这个问题。
当前的超精密磨削技术能加工出0．0 1μm圆度， O ．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圆柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm 的平面。
1．3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。超精密研磨加工出的球面不球度达0．025ttm ，表面粗糙度达 RaO ．003μm。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，粗糙度可达5A 。最高精度的超精密研磨可加工出平面度为λ／200的零件。超精密研磨的的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高精度检测方法也比不可少。
1．4超精密特种加工
1．4．1电子束加工
离子束加工是指在真空中将阴极(电子枪) 不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台 X Y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。集成电路制造中广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达 O.25μm的线条图形分辨串。
1．4．2离子束加工
在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离子是带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，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，可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削加工。
1．4．3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，光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。
1．4．4微细电火花加工
电火花加工是指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气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。
1．4．5微细电解加工
导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀，而工件阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，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，而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。
1．4．6复合加工
复合加工是指采用几种不同能量形式、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、超声切削加工等，可比单一加工方法更有效，适用范围更广。
2．纳米技术(Nanotechnology)
2．1概述
随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小型化方面不断提出更新、更高的要求。目前，纳米技术发展十分迅猛，它使人
类在改造自然方面进入一个新的层次。它将开发物质潜在的信息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。
纳米技术是指纳米级(＜10纳米) 的材料、设计、制造、测量和控制技术。随着纳米技术的发展。开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的军民两用前景。美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应用。
2．1．1微型机电系统( microelectron—mechanical systems， MEMS)
10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感器以及各种阀门等。
MEMS 主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天。如用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统。在环境、医学应用中，微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度。在军事主要有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用。
2．1.2专用集成微型仪器( application specific integrated micro-instrument， ASIM)
微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集成在一块普通的基片上。微型机电系统与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微型仪器(ASIM)的出现。
具有亚微米特点的ASIM 会使亚毫米器件降低研制与试验费用、缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对振动的灵敏性和通过冗余提高可靠性。 ASIM 将在航天器和航天．系统技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”。
2．1．3材料工程及功能织物
在材料工程方面，已经能够做到设计与控制一种材料的微观结构，从而获得所要求的宏观性能。因此，对于材料的分子、原子结构，以及在分子尺度上的物理化学性能的测试，以成为当今材料工程中不可缺少的技术。
利用纳米粒子的催化特性、极大的化学活性、极大的表面积、优异的电磁特性、光学特性等可以制造具有奇异功能的产品，如抗紫外线、抗可见光、抗红外线、抗电磁等的功能织物。
此外，纳米技术在微电子工程、生物遗传工程、微机械光学等方面也具有广泛的应用前景。
2．2纳米加工技术
正如制造技术在当今各领域所起的重要作用一样，纳米加工技术在纳米技术的各领域中也起着关键作用。纳米加工技术包含机械加工、化学腐蚀、能量束加工以及 STM 加工等许多方法。关于纳米加工技术目前还没有一个统一的定义，尺寸为纳米级(＜10纳米) 的材料的加工和使用称为纳米加工。
加工表面粗糙度为纳米级的也称为纳米加工。笔者认为所谓纳米加工技术是指零件加工的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度均为纳米级(＜10纳米) 。通过以下加工技术可以实现纳米级加工。
2．2．1超精密机械加工技术
超精密机械加工方法有单点金刚石和CBN 超精密切削、金刚石和CBN 超精密磨削等多点磨料加工，以及研磨、抛光、弹性发射加工等自由磨料加工或机械化学复合加工等。
目前利用单点金刚石超精密切削加工已在实验室得到了3纳米的切屑，利用可延性磨削技术也实现了纳米级磨削，而通过弹性发射加工等工艺则可以实现亚纳米级的去除，得到埃级的表面粗糙度。
2．2．2能量束加工技术
能量束加工可以对被加工对象进行除、添加和表面处理等工艺，主要包括离子束加工、电子束加工和光束加工等，此外电解射流加工、电火花加工、电化学加工、分子束外延、物理和化学气相淀积等也属于能量束加工。
离子束加工溅射去除、沉淀和表面处理，离子束辅助蚀刻亦是用于纳米级加工的研究开发方向。与固体工具切削加工相比，离子束加工的位置和加工速率难以确定，为取得纳米级的加工精度，需要亚纳米级检测系统与加工位置的闭环调节系统。电子束加工是以热能的形式去除穿透层表面的原子，可以进行刻蚀、光刻曝光、焊接、微米和纳米级钻削和铣削加工等。
2．2．3 LIGA技术( Lithographie， Galvanoformung ， Abformung)
LIGA 工艺是由深层同步辐射X 射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术，其最基本和最核心的工艺是深度同步辐射光刻，而电铸和塑铸工艺是LIGA 产品实用化的关按。
用LIGA 技术可以制作各种微器件、微装置，己研制成功或正在研制的LIGA 产品有微传感器、微电机、微机械零件、集成光学和微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械、纳米技术元件及系统等。
LIGA 产品的应用涉及面广泛，如加工技术、测量技术、自动化技术、汽车及交通技术、电力及能源技术、航空及航天技术、纺织技术、精密工程及光学、微电子学、生物医学、环境科学和化学工程等。
2．2．4扫描隧道显微镜( STM)技术
C ．binning 和H ．Robrer 发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以单个原子的分辨率观测物体的表面结构，而且也为以单个原子为单位的纳米级加工提供了理想途径。应用扫描隧道显微镜技术可以进行原于级操作、装配和改型。S T M将非常尖锐的金属针接近试件表面至1nm 左右，施加电压时隧道电流产生，隧道电流每隔0．1nm 变化一个数量级。保持电流一定扫描试件表面，即可分辨出表面结构。一般隧道电流通过探针尖端的一个原子，因而其横向分辨率为原于级。
扫描隧道显微加工技术不仅可以进行单个原于的去除、添加和移动，而且可以进行STM 光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等新的 S T M加工技术。
2．3纳米测控技术
实现纳米级加工离不开纳米级的测量技术，而这二者都离不开控制技术，超高精度的定位技术是实现纳米级控制的关键。
2．3．1纳米测量技术
以表面性貌等为测量对象，纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术。
扫描隧道显微镜可以直接观测原子尺度结构，垂直分辨率达到O ．1nm ，近年来在 S T M的基础上又派生出一系列的扫描探针显微技术，如光子扫描隧道显微镜、原子力显微镜(AFM)、磁力显' 微镜(MFM) 扫描近场光学显微镜(SNOM) 横向力显微镜(LFM)、弹导电子发射显微镜(BEEM) 光于扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等等。
2．3．2纳米定位控制技术
在纳米级测量与加工中，需要纳米级的三维定位与控制。目前用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此，实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米定位用的执行元件相组合方式来实现。实现三维定位与控制，目前普遍采用压电陶瓷致动器件，它在微米级的极小范围内通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外，利用电致材料、静电或磁轴承式结构，以及静电致动的高精度定位控制技术也向纳米级精度发展，也可采用摩擦驱动装置和丝杠定位元件通过特殊的方法也纳米级的定位。
3．非球面曲面超精密加工技术
3．1概述
非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，最常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件具有球面光学零件所无可比拟的良好的成象质量。应用在光学系统中能够很好的矫正多种象差，改善仪器成象质量，提高仪器鉴别能力，增大作用距，它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效的减轻仪器重量，在航空、航天等领域，由于近年来非球面雷达天线、非球面透镜、反射镜的应用，使产品的性能得到了极大提高。卫星中的先进的光学望远系统、高分辨串的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统等，其光学系统中都离不开非球面透镜。惯导器件的关键部件激光陀螺中由于采用了非球面反射镜，不仅大大缩小了体积，更重要的是大大提高了控制精度以及控制稳定性。红外抛物面反射镜是红外探测系统中的关键元件，其加工精度对导弹引爆距离的一致性影响很大。在民用方面激光核聚变可以提供长期的、清洁的、经济的能源，生产廉价的核燃料。其中关键部件之一的激光核聚变反射镜即为一非球面反射镜，采用非球面反射镜替代成组透镜，主要减少了反射次数，减小了功率损失。空间探测用的哈勃宇宙望远镜中直径2．4ln ，重达卯OK8的大型非球面反射镜采用了磨削、抛光加工，形状精度可达O ．01LLm 。
非球面光学零件在民用光电产品上的应用更为广泛，其范围涉及到摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录象机镜头、录象和录音光盘读出头、条形码读出头、光钎通信的光钎接头、医疗仪器等等。
从上述的论述中我们可以看到无论在机载设备、卫星、惯性制导及惯性导航系统、激光制导系统、红外探测系统、激光核聚变等方面都离不开非球面零件，所以尽快提高我国非球面曲面的超精密加工技术成了当务之急，这有利于提高我国的航空、航天、武器系统等国防工业的水平。
这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜的加工问题，前五种方法都运用了数控技术，加工零件精度较高，加工效率高，能批量生产。非球面曲面根据材料的不同采用不同的加工方法。对于铜、铝等软质材料，目前可以利用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工。对于玻璃或塑料等，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生产非球面曲面。对于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通过超精密磨削和超精密研磨、抛光进行加工。此外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。
3．2国内外发展状况
非球面曲面的精密、超精密加工要从CNC 超精密机床谈起。 CNC 超精密加工技术在美国、英国、荷兰、日本等国得到了很大发展，主要都是基于航空、航天、军事、能源等方面的应用，英国Cranfield 大学的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚石镜面切削机床可以加工大型X 射线天体望远镜所用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm ，最大长度 600mm 的圆锥镜) 。
该研究所还研制成功了可加工X 射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲面的金刚石切削机床。哈勃望远镜上的大型非球面反射镜超精密加工所用的 OAGM2500六轴 CNC 超精密磨床的研制也正是出自该
实验室，该机床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工，其加工形状精度可达到0．1μm。代表当今最高水平的超精密金刚石车床LODTM 于1984年在美国劳伦斯．利佛莫尔(LLNl)实验室研制成功，它可加工直径达2l00mm ，重达4500Kg 的工件，其加工精度可达 0．25μm，表面粗糙度Rmax0．0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于激光核聚变工程的零件，红外线装置用零件以及大型天体反射镜的加工。荷兰PHILPHS 公司于1978年研制成功了CNC 超精密金刚石车床COLATH ，主要用于非球面塑料透镜的加工，加工精度在0．5μm以下，表面粗糙度Ra O．02μm。此外，对于硬脆材料的非球面形状的加工，超精密研磨、抛光也是一种有效的手段，日本在这方面投入的资金和人员较多，取得了一定成果。运用特种加工技术如离子束抛光、弹性发射加工等，可明显提高加工表面质量。美国 Frankfurt 兵工厂采用氩离子束抛光火控系统用的高精度非球面镜，精度达到O ．02λ。
目前，国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集一体，开发研制出复合超精密加工机床。 Rank Pneumo公司生产的NANOFORM600以及CUPE 研制的NANOCENTRE 都具有以上加工功能，这样使非球面零件的加工更加灵活。
目前国外各种非球面加工工艺正处于比较成熟阶段，从大到几米直径小到几毫米直径，从单件到大批量，从高精度到一般精度的非球面光学零件都能加工。相比之下，我国仍主要采用传统的加工工艺，需依赖有经验的非球面加工技术工人，利用刀口仪和箱密抛光工具，逐点修磨抛光加工出非球面曲面。工艺需要几个月，重复性差，加工成本高，只适用于单件和极小批量的生产，仅能满足研究所和学校的单件试制要求。
国内从八十年代初开始了超精密加工技术的研究，比国外整整落后了二十年。其中开展研究工作较好的单位有北京密云机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。国防科工委于1992年在中国航空精密机械研究所建立了国内第一家超精密加工重点实验室。这些单位为我国超精密加工技术的发展做出了一定的贡献，但对于非球面加工来说，目前国内基本还是一片空白。长春光机所前几年引进了Rank Pneumo公司的MSG —325 CNC超精密车床，主要用来加工一些金属、光学零件，但这台设备目前看来己落后于国际水平，不能满足国防工业的需要，而继续从国外引进先进设备，一是受到许多限制，二是这样只能永远落后于别人，不利于我国国防工业的发展。所以国家必须投入充足的人力、物力，才能使我国的超精密加工技术特别是非球面的超精密加工技术在较短时间内能很快适应航空、航天、武器等国防现代化的需要。
4．精密偶件超精密加工技术
4．1概述
精密偶件技其形状可分为圆柱面偶件、平面偶件、球面偶件和导形柱面偶件。精密偶件在航空航天、精密机械、精密仪器、能源交通等部门的应用十分广泛，就其专业性质来说，液压工业应用最多。根据偶件的材料、精度、使用场合及批量的不同有各种加工方法。对于平面偶件，主要采用超精密磨削、研磨或超精密车削等，对于圆柱面及球面偶件主要采用研磨、磨削、滚压、伤磨、金刚石及CBN 铰削等工艺。
精密偶件制造技术的发展也是精密加工、超精密加工技术时发展过程，60年代美国制成第一台具有0．025μm的进给分辨率、加工圆度到O ．125μm的外圆磨床。
精密偶件的加工逐渐步入了超精密加工范畴，随后各种精密与超精密加工技术的发展使精密偶件的制造技术不断发展。
用超精密加工技术解决精密偶件的加工，己引起了国外的重视，特别是在军事工业中投入了大量人力、物力来解决精密偶件的制造技术问题。目前利用超精密加工技术来解决精密偶件制造中的关键问题，尚处于起步阶段，国内一些单位主要利用高精度磨床进行偶件磨别，也利用超精密技术改装原有精密设备使之提高精度，国内尚无真正的超精密磨床、超精密研磨机等超精密加工设备。目前，三O 三所针对航空、航天、舰艇及武器系统等制造技术的需要，在国防科技超精密加工重点实验室的基础上，研制了一系列的超精密加工设备(包括超精密车、镗、外圆磨、超精密平磨、超精密研磨机、超精密金刚石研磨机) 以及轴向配磨装置等，并进一步进行工艺研究。
4．2研究内容
4．2．1内、外圆柱偶件及平面偶件超精密车削、 镗削及磨削技术研究
该项技术可直接用于工厂生产，如陀螺仪零件、油泵转子、配油盘、平面反射镜等生产，解决有色金属圆柱形偶件及平面偶件的加工。
4．2．2圆柱偶件的外因磨削技术研究
进行超精密外因磨削的装置的研究，并研究超精密磨削中的砂轮修
整、动平衡、尺寸控制、温度控制及超精密磨削工艺。上述技术可直接用于工厂生产，如伺服伺服阀柱塞、惯导零件、振动筒等生产，可用于黑色金属及其它高硬度材料的圆柱形偶件的加工。
4．2．3大批量外因、柱体、球及平面偶件的超精密研磨技术
进行可用于大批量生产用的研磨圆柱体、球及平面的超精密研磨装置及其相应加工工艺的研究，此技术可用于柱塞泵、惯导中超精密轴承精化、平面反射镜等元件的加工，可直接用于生产。
4．2．4内孔的金刚石及CBN 超硬磨料超精密研、珩技术研究
进行超精密外因磨削工艺与ELID 修整工艺的研究，使研珩工具的精度达到超精密水平，从而使加工零件达到更高水平以解决现在圆拄内孔加工的技术难点。研制出一套超精密研、珩工具及加工工艺方法，提供
超精密研、珩工具及夹具，可直接用于生产。
5 结论
超精密加工技术自五十年代发展至今，已有四十年的历史。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及零件的出现、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技术在原有的基础上不断发展，如提高传统超精密加工的精度，并提出新的超精密加工工艺，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。
技术、市场、成本，是制约我国超精密加工技术发展的关键因素
超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
那么，我国超精密加工技术现状如何？与世界发达国家相比有哪些差距？制约我国超精密技术发展的关键因素有哪些？......2009年初春，我们带着对我国尖端制造业的关注走访了北京航空精密机械研究所（303所）的杨辉老师。
超精密加工技术的3个发展阶段
超精密加工技术从问世之初，其目的就是服务于军工、服务于国防，然而随着全球战略格局的变化，超精密加工技术作为基础技术，逐渐向民用方向发展。按照应用领域、发展方向来分，国外超精密加工技术经历了以下3个发展阶段。
（1）技术初创期（1960-1980）：以国防用途或科学研究用途的产品加工为主，大多处于实验阶段。此一时期的标志为美国的Union Carbide公司、荷兰Philips 公司和美国的Lawrence Livermore Laboratories的超精密金刚石车床陆续研制成功。典型用途如激光聚变的软质金属非球面反射镜的加工等。
（2）民用工业应用初期（1980-1990）：超精密加工机商品化，以专用机床形式订做，进入一般民用光学组件商品的制造。代表为美国Moore Special Tool和Pneumo Precision公司，日本的Toshiba 和Hitachi 公司，欧洲的Cranfield University等。典型应用如加工软性金属的金刚石车床，可加工硬质金属和硬材料的超精密金刚石磨削和超精密研磨抛光技术等。
（3）民用工业应用成熟期（1990至今）：从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通讯等产业的蓬勃发展，超精密加工设备需求急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、Fresnel 镜片、超精密模具、磁盘驱动器读写头、磁盘基板加工、半导体晶圆切割等。在这一时期，超精密加工机床的相关技术例如控制器、激光干涉仪、空气轴承超精密主轴、空气轴承导轨、液体静压导轨、摩擦驱动、直线电机驱动等也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界常见的生产机器设备，许多公司也纷纷推出量产型机床，设备价格大幅度下降。在这一期间，除了生产机型和数量之急剧增加外，机器精度也逐渐接近纳米级水平而加工行程也更加变大，而加工应用也逐渐增广，除了金刚石车床和超精密研磨抛光外，超精密五轴铣削和飞切
技术也被开发出来，并且加以加工非轴对称非球面光学镜片如应用于X-ray 光学系统的Troidal 镜片。
我国的超精密加工技术的起步是在上个世纪70年代，较早开始超精密加工技术研究单位有北京机床所、303所、230厂，以及哈工大、国防科技大学等高校。20世纪90年代可以说是我国超精密加工技术研究的黄金年代，一方面国内参与超精密加工技术研究的单位大大增加，另一方面超精密加工技术的研究范围也大大拓展，如在初期研究的基础上开展了对超精密加工机理、刀具及超精密加工工艺等研究。此一时期超精密加工技术可谓成果累累，机床的种类逐渐增多，研究水准逐渐提高，某些基础研究逐渐达到了国际先进水平，如303所陆续研制成功了各类超精密加工设备等。目前国内超精密加工技术的水平应该属于技术初创期向民用工业应用初期转换时期。
我国超精密加工与国际相比差距很大
在超精密加工技术方面，由于我国基础工业底子薄，工业化程度低，以及超精密加工的技术要求高等因素，目前与国际先进水平还有较大的差距。主要表现在以下几个方面：
（1）对于超精密确定性加工如车削、磨削等，依赖的是设备精度，与国外还存在较大的差距。如非球面超精密加工设备，国内目前只能做到300mm 口径，超精密磨削差距更大。硬脃材料的加工目前国内主要通过磨削还必须进行研磨抛光，国外可以直接磨削达到要求。
（2）研磨抛光：航天卫星上的光学镜片无论从口径尺寸、加工精度、材料等方面都接近于国际先进水平，但是依靠的是人的因素。然而对于一些先进的加工工艺，如磁流变抛光、进动气囊抛光、离子束抛光等由于设备的原因，与国外的差距较大。
（3）纳米级制造技术是超精密加工技术的顶峰，美国、日本和英国正在进行一些纳米技术应用项目的研究，并且已经初步获得了一些进展。
产生这种差距的关键因素
我国的超精密加工技术研究近年来虽然取得了很大的发展，但在国内目前成果转化工作还不理想，如超精密加工设备的国产化问题、金钢石切削工具的刃磨修磨、精密模具制造等等。制约我国超精密加工技术发展的因素，主要有以下几个：
（1）技术因素：国内技术成熟度还不够。对超精密加工设备的研制，基本上属于样机阶段，在工程化程度、可靠性、外观等方面还有许多工作要做，让客户接受有一定的难度。与国外引进设备相比，国产超精密加工设备价格昂贵，工艺不成熟、不稳定。
（2）市场因素：超精密加工技术前些年主要应用于军工行业的高精度零件加工，属于单件小批量生产。近年来随着民用行业如数码、办公自动化等产品中的光学镜头模具大规模应用，促进了超精密加工技术的工程化应用。但是，由于目前我国尚未掌握主流数码设备的核心部件技术，这些核心元器件大量依赖进口，从而进一步影响国内的超精密加工市场。
（3）成本与投入因素：超精密加工技术是属于高投入的高技术，无论从环境建设、设备配置、以及后期
运行成本等方面都需要大量资金投入。目前在预先研究这一块投入的资金、精力较多，而对于工程化这一块投入不够。
单从技术因素上来说，实现超精密加工需要很多条件，如加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。
（1）加工机理：近年来出现了一些非传统加工或者是复合加工工艺，都是在加工机理上有所创新的，新的加工机理出现，标志着一种技术突破，往往是新技术的生长点。
（2）加工材料：适用于超精密加工的被加工材料在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严格要求，如应该质地均匀、成分准确、性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷，应控制其杂质含量或不含杂质等。
（3）加工设备及其元部件：高精度、高刚度、高稳定性和保持性、高自动化。超精密加工设备与其基础元部件及其集成技术密切相关，一方面，只有优良的基础元部件才能有优良的加工设备；另一方面，优良的基础元部件可以快速响应市场需求，缩短精密加工和超精密加工设备的开发周期。
（4）加工工具：加工工具主要是指刀具、磨具、刃麿、修整装置。超硬金刚石刀具的设计、刃磨等，黑色金属超精密切削的刀具选择，微粉金刚石砂轮的在线修整等，研磨抛光的磨料选择。
（5）检测与误差补偿：精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段，不仅要检测零件的精度和表面粗糙度，而且要检测加工设备及基础元部件的精度。
（6）工作环境：精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大，因此，工作环境是保证加工质量的必要条件，工作环境主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求。
（7）工艺过程设计。
（8）人的技艺：目前我国的精密加工和超精密加工的加工质量和水平在一定程度上靠技术人员的操作技艺来保证，加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者决定了工件的加工精度，不仅要有高超的技艺，而且要有宽广的知识面，懂得机械、电子、物理、化学、计算机技术，才能胜任这一工作。
超精密加工技术研究为中国制造业保驾护航
一个国家的基础制造业是工业、国防、民生的最基本的保障，而超精密加工技术的研究，则是基础制造业能够腾飞的强大助力。改革开放以来，我国的重大经济政策，由原来的" 艰苦奋斗，自力更生" 调整为" 以市场换技术" ，以引进、学习国际先进技术为主要目的。然而，由于国际、国内形势的变迁，这一政策目前面临着严峻的考验。
首先，在关乎国际民生的大问题上，国际巨头仍然对中国实行技术封锁。从大飞机的核心技术，到应用于民生的计算机芯片、手机芯片，甚至最基础的液晶面板技术，在失去了大部分市场的同时，我国并没有掌握核心技术。作为制造业的基础，数控机床市场面临着的同样是这种壁垒：我们造不出来的机床，国外根本不会出口给我们；给我们的大都是落后一代、二代甚至濒临淘汰的产品。更不用说是高、精、尖项目的超精密
机床了。
其次，引进的制造设备被严格限定使用范围，例如不得应用于军工、国防领域等。
第三，自主创新被国外各巨头联手打压。举个简单的例子，在303所研究出非球面超精密复合加工设备之前，此类产品是对我国禁售的；在303所研制成功后，国外立即对中国开放此类产品，并且比国内价格更低、性能更优，以此手段来挤压国内非球面加工设备的生存空间。
从这个意义上来说，立足于自主创新的超精密加工技术研究，为我国的基础制造业作出的贡献，远非单纯的经济效益所能比拟，在军工及国防领域更是如此。基础制造业、基础技术的研究，应当作为一项科技发展的基本政策，经费应由国家财政统一调配，让科研人员、科研单位更多、更深入地面向课题与项目研究，而不是考虑如何增加效益。发达国家的基础制造业就是这样走过来的，美国也好、日本也好，其强大的制造业背后都有国家意志的影子。
在将要结束采访时，杨老师仍然显得意犹未尽：我国目前已是一个" 制造大国" ，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个" 制造强国" ，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器。在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高；国内巨大的市场需求尚待开发！