超精密加工技术正向高精度高效率发展

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1、 第 1 页 共 2 页 机电商报/2007 年/1 月/1 日/第 A11 版 机床工具 超精密加工技术正向高精度、高效率发展超精密加工技术正向高精度、高效率发展 袁巨龙 （作者系浙江工业大学超精密加工研究中心主任） 超精密加工是指在不改变工件材料物理特性的情况下，对工件的加工达到一定的尺寸精度、 形状精度、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)。 超精密加工的精度经历了几个时代性：从工业革命时期的 11mm，光电时代的 10nm，直至当 代的 1nm。目前对工件的超精密加工，要求工件的加工精度0.1m，表面粗糙度 Ra10nm。 超精密加工的精

2、度发展越来越快，其中促进超精密加工发展的因素主要包括：对产品高精度 的追求，对产品小型化的追求，对产品高可靠性的追求，对产品高性能的追求。 超精密加工发展与应用 超精密加工主要分为 3 个阶段。 第一阶段为技术开创期，主要是指 19601980 年。特点是应航天、军事技术要求而生，以 国防用途或科学研究用途为主。加工工件是激光核聚变的软质金属非球面反射镜。代表是美国率 先发展的金刚石刀具超精密切削(SPDT，Single PointDiamond Turning)技术。 第二阶段为民间工业应用初期，主要是指 19801990 年。特点是开始民间工业光学组件商 品的制造。加工工件是软性金属，硬质

3、金属和硬脆性材料。代表是美国 LLL 国家实验室研制出的 大型光学金刚石车床(Large Optics Diamond TurningMachine，LODTM)。 第三阶段为民间工业应用成熟期，是指 19902000 年代。特点是技术逐渐成熟，量产产品 广泛用于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通讯等产业。加工工件是非球面光学镜片、Fresnel 镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板加工、半导体晶片等。代表为超精密加工机床形 成系列，除了金刚石车床和超精密研磨外，五轴铣削和 fly cut-ting 技术也被开发出来。 超精密切削 超精密切削的切削材料有铜、铝及其合金、非电解镀镍层、塑

4、料以及陶瓷等硬脆材料；其加 工对象有感光鼓、磁盘、多面镜、球面和非球面的激光发射镜等。 关于超精密切削加工的分类，最常用镜面铣削和金刚石车削。镜面铣削加工材料包括塑性材 料如铜、铝、镍等，也可加工脆性材料如硅、锗、CaF2 和 ZnS 等；应用范围主要是光学元器件 的加工。金刚石车削加工材料包括有色金属材料(如无氧铜、铝合金等)；应用范围包括各种光学 系统中的反射镜、有机玻璃、各种塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷、复 合材料等。 超精密切削加工刀具包括以下几类：金刚石刀具，单晶 CBN 刀具、超细晶粒硬金属刀具、 陶瓷刀具等；切削参数特征为原子、分子尺度，表面粗糙度在 22

5、0nm。 超精密切削加工机床有以下几类： 美国 LLNL 实验室的 LODTM 超精密机床。是至今为止精度最高的大型超精密机床；德国 Aachen 工业大学的三轴和五轴精密铣床；日本东京电通大学五轴铣床；英国 Cranfield 大学高刚 性超精密加工机床；日本 Toshiba 公司所开发的五轴超精密加工机床。 超精密切削当前研究热点是：材料包括黑色金属、玻璃、锗、硅及各种功能晶体材料；形状 是复杂曲面(陀螺仪表外壳、卫星天线)；刀具包括金刚石刀具的刃磨、检测，多刀金刚石铣刀， 金刚石刀具镀膜。 超精密磨削 第 2 页 共 2 页 超精密磨削的发展现状如下：其加工精度达到镜面级表面粗糙度，精确

6、的几何形状和尺寸； 加工对象包括玻璃、陶瓷、黑色金属等硬脆材料；目标是形成 35nm 的平滑表面，可作为终加 工工序。 以下是超精密磨削当前研究热点： 性能优异的磨具制品：新型陶瓷刚玉磨料、微晶烧结刚玉砂轮、金刚石或 CBN 磨料、超微 细微粉磨料。 塑性磨削机理与实现：以塑性材料的去除方式加工脆性材料，防止微裂纹的产生。 镜面磨削理论与方法：以尽可能小的磨粒粒度，使磨粒砂轮表面保持锋利的棱角，实现镜面 加工(ELID)。 确定量微磨新方法：采用高刚度、高精度、高稳定性机床，精确控制切削深度、磨削速度、 进给量以及砂轮和工件之间的相对振动等参数，实现高精度、高表面质量和高效率的加工。 超精密研

7、磨抛光 研磨、抛光是最古老的加工工艺，也一直都是超精密加工最主要的加工手段。研磨抛光技术 完成了三代半导体材料的超精密加工，支撑了光电信息产业的发展，也实现了自身的革命。电、 磁场辅助加工的引入改变了研磨、抛光的加工方式，化学作用的引入改变了加工材料一定比被加 工材料更硬的规律。 当前研究热点主要是机理研究，包括超光滑表面(表面粗糙度小于 1nm nms)加工和超精密确 定量研磨、抛光。 超光滑表面(表面粗糙度小于 1nm nms)加工用于强激光、短波光学领域，减小镜片散射、提 高抗破坏阈值，磁记录头等；主要方法有 EEM、PCVM、CMP 等。超精密确定量研磨、抛光用 于高精度、超光滑光学零

8、件、大规模集成电路等；主要方法有应力盘抛光、气囊抛光、粒子束抛 光、磁流变抛光。 当前任务与发展趋势 超精密加工面临主要任务是超精密复杂面形制造技术的理论与方法，微纳加工表面亚表 面理论与方法，超精密加工装备的关键技术开发。 其中超精密复杂面形制造技术的理论与方法包括高精度定位，测量原理和方法，纳米级超精 密加工机床。 微纳加工表面亚表面理论与方法包括被加工材料特性，纳米加工表层形成机理，表面完 整性。 超精密加工装备的关键技术开发包括机床的结构研究，机床轴系与驱动研究，机床高精度定 位，超精密加工的检测、误差建模与补偿。 超精密加工发展趋势是高精度、高效率，加工工艺过程智能化、大型化、微型化，加工检测 一体化、绿色化。