超精密加工技术…•发展及对策超精密加工技术，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0.3〜0.03 um, 表面粗糙度为Ra0.03-0.005 u m）和纳米级（精度误差为0.03 u m,表面粗糙度小 于Ra0.005um）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：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.lumo如用扫描隧道电子显微镜（STM）加工，线宽可 达2〜5nm国外概况美国是最早研制开发超精密加工技术的国家早在1962年，美国就开发出 以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密半球车床，其主轴同转精度 为0.125 um，加工直径为6 100mm的半球，尺寸精度为0.6 Um,粗糙度为 Ra0.025 u mo 1984年又研制成功大型光学金刚石车床，可加工重1350kg, <1） 1625mm的大型零件，工件的圆度和平面度达0.025 u m,表面粗糙度为Ra0.042 unio在该机床上采用多项新技术，如多光路激光测量反馈控制，用静电电容测 微仪测量工件变形，32位机的CNC系统，用摩擦式驱动进给和热交换器控制温 度等。
美国利用自己己有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的 超精密加工车床（BODTM型），用刀尖半径为5〜10nm的单晶金刚石刀具，实现 切削厚度为Inm （纳米）的加工尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级和纳 米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视英国是较早从事超精加工技术研究的国家之一从1979年起，开发用于制 造X射线望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀车床要求反射镜的精度 在30mm范围内的表面凹凸达到6nm以下，整个镜面的形状精度达1 um以下 该机床为保证超精加工，采用了许多新技术例如采用封装合成花岗岩作为机床 基础（总重48t）,永久磁铁型DC力矩马达驭动的X轴和Z轴，径向和轴向的回 转精度为0.1 P m,空气轴承支承的旋转工作台，分辨率为0.015 u m的HP5501 型激光干涉仪，由HP9826型计算机等构成的X轴、Z轴工件尺寸及形状精度的 测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16位CNC控制系统等英国在80年 代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会Cranfield理工学院是 世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度（2kN/u m）气浮精密轴 承和主轴系统的单位。
日本的超精密加工技术的研究开发滞后于美国20年，但由于得到有关方面 的重视和努力，发展较快与美国不同，日本完全是出于民用工业的考虑来发展 超精密加工技术的，从多棱体反射镜加工机床到磁头微细加工机床，磁盘端面车 床，发展到非球面加工机床和短波X射线反射镜面加工机床1986年口本己把 纳米技术作为先进技术探索研究计划中的六大课题之一日本推行了一•个从 1991年起，为期10年，投资250亿日元的研究开发微型机械的大型国家科研计 划在这个计划中，FANUC公司和电气通信大学合作研制的车床型超精密铁床, 在世界上首次用切削方法实现了自由曲面的微细加工这台铳床具有无摩擦伺服 系统和用于微细加工的CAD/CAM系统，最小数控分辨率为lnmo在对直径为 1mm高度差为30 um的复杂曲面进行的微细饨削加工中，获得了 RaO.O58 u m 的表面粗糙度机床的主要性能：X、Z轴的最小分辨率为Inm, C、B轴的最 小分辨率分别为0.0001和0.00001 ,当主轴的最大供气压力为6X 106Pa时, 回转速度为55000r/min微细切削用刀具是一种单晶金刚石伪球头立铁刀刀尖 半径为0.01mm,半刀尖角为75。
刀尖圆弧中心与轴心线有0.1mm的偏移量 日本的超精加工机床生产厂家有十多家,产品大多采用0.01 um高分辨率的CNC 系统和激光干涉仪测量，纳米级光刻已超过了美国，居世界领先地位超精加工 机床的加工精度已达亚微米级（0.1 uni以下），粗糙度达RaO.Olum,最高水平的 机床已用于制造超大规模集成电路，刻线宽度可达0.3 P mo德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床，也都处于世界先进水平如菲 利普公司曾研制出Colath超精车床，最大加工直径6200mm,长度200mm，其 加工形状精度为0.5um,表面粗糙度Ra0.02um血德国主要研究超精密测量 技术目前世界上超精密加工达到的最高技术水平如下：加工精度0.025 u m,表 面粗糙度Ra0.0045um,即已进入了纳米级加工精度的时代在测量技术方面， 对小位移的测量：电容式测头分辨率可做到0.5nm（量程为15 u m）和O.lnm（量程 为5um）,线性误差小于0.1%；光电子纤维光学测头的分辨率可到0.5nm（量程 为30um）,线性误差为5%；扫描隧道显微镜（STM）的分辨率可达O.Olnm（量程 20mm时）；X射线干涉仪的分辨率还做到0.003nm（量程200Um时）。
对大长度 尺寸的测量，外差式激光干涉仪的分辨率同做到1.25nm（量程土2.6m）；氮氟激光 （实验室）的分辨率可做到0.01 u m（量程为2mm）；莫尔条纹光学尺的分辨率可做 到10nm（量程Im）,精度为1 u m/m对角度测量，莫尔条纹角度光学尺的分辨 率可做到0.0057360范围），精度0.1”，因此测量方面基本上满足了纳米级加工 技术要求用STM进行微细加工扫描隧道显微镜（STM）在纳米级尺度上对各种表面进行刻蚀与修饰，实现纳 米加工，这是其应用的一个重要领域用STM进行表面加工的方法主要有两类：第-•类是在金属、半导体或绝缘 体表面上直接写入点、线或规定的图形符号具体方法通常是在STM的恒流模 式工作状态下，在针尖上加一定的电压脉冲，或突然缩短针尖与样品间的距离， 使针尖下样品表面形成坑、丘等结构变化第二类方法是通过STM的电子束引起化学反应，在针尖下的表面微区淀积 金属材料第一台STM是G - Bining等于1981年研制成功的现在装置的结构、防震、稳 定性和分辨率等方面都日趋完善在原理上，STM与通常的电子束一•样，在固 体器件制造中可用来进行平面制版加工其优点是能显示表面的结构形貌，具有 原子尺度的分辨率；所涉及的电子能量低100eV）,对材料的损伤少；可以在真 空、大气、甚至液体中工作；结构远比需聚焦、偏转的离子、电子束装置简单， 如直接用于平面结构的制版加工，使现有的VLSI微细工艺水平提高到一•个新的 量级，对科学技术发展将产生巨大影响。
假定写入点的直径为Inm,点中心间距 为2nni,数据存贮器的记忆密度可达1013bits/cm2,可以存下300页的书100万 本；对于3.5英寸大小的软盘，存入500万本书是可能的这几乎是我国省级图 书馆的全部藏书我国对超精密加工技术的研究我国对超精密加工技术的研究起步不晚基本做法与日本有类似之处，先从 电子工业开始，用于加工磁盘、磁鼓、磁头1965年前后研制出镜面外圆磨床, 加工圆度优于0.3 P m,表面粗糙度RaO.Ol Mm以下1968年研制成功单晶金刚 石刀镜面车床，可使黄铜件的表面粗糙度达Ra0.025 H m以下70年代后期制成 了 ST 186高精度磁盘车床SI-235型超精密车床，主轴回转精度值优于0.2 u m, 还有超精球面车床进入80年代，研制了回转精度达0.025 um的精密轴系， 单晶金刚石刀切削的超精车床和超精铢床，最高分辨率为0.01 u m的CNC数控 超精密车床等产品，W加工球面和抛物面体、菲涅尔镜等零件加工形状精度这 0.1 um,表面粗糙度达Ra0.025 u m以下最近哈尔滨工业大学研制成功HCM-1 亚微米超精密加工机床，其技术性能如表所示。
还研制成CSPM-930型STM、 AFM等一批扫描隧道显微镜和原子力显微镜但与美日相比，还有不小差距， 特别是在大型光学和非金属材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自动化技 术方面差距尤为明显加强我国超精加工技术开发的建议把发展我国超精密加工技术作为一个科技战略任务来抓，在发展我国超精密 加工技术时，应半得到国防工业部门及有关研究单位的大力关心和支持十五” 期间，在生产线上实现亚微米级、纳米级加工精度，在大型超精加工商品化机床 上实现超精加工的自动化再用10年左右的时间，大体达到美国目前的水平单晶金刚石刀具镜面切削作为实现超精密加工的主要方向必须抓好以下6个方面的研究工作：提高主轴回转精度，如开发高精度（回 转误差小于0.02 P m甚至8nm）,高刚度（大于2kN/u m）的新型轴承和主轴系提高直线运动精度，结构上采用空气静压（直线度可达0.1〜0.2U m/250mm） 和液体静压导轨，并利用均化作用提高运动精度如尽快开发高分辨率（如设定 值WO.Olum至纳米级的定位分辨率）和跟踪误差为零的数控伺服系统，以实现 微量进给的驱动系统大力开展检测技术的研究，主要抓以下三个方面：①提高检测精度：由 于加工精度向紫外线、X射线波长区域移动，所以要不断提高检测精度。
② 检测变被动测量为主动测量这是实现超精加工动化的重要手段③发展动态 测量：检测技术中，主要开发纳米精度的长度测量技术和具有A级或亚A级 （0.0Inm）分辨率的表面形貌测量技术；环境温度引起的热漂移及其它误差的 检测和自动补偿技术；扫描探针显微镜（SPM）的多功能化检测环境保障技术的开发研究：主要研究加工设备和地基的低频（低于25Z）隔振 技术；保证土0.01〜0.005C的恒温技术；加工环境的高度清洁和净化（洁净度为 20000〜3000级以下）技术等材料的超精加工性研究加工理论和工艺方法研究：如借助于“隧道”和“原子力”等扫描探针显微 镜（SPM）技术进行分子外延结晶或分子剥除加工技术；可延性磨削；能束加工； 纳米级微切削过程的分子动力学分析方法等超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一，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我国的制造业发展己进入了高速发展阶段，中国民营企 业已具备足够的经济实力来使企业迈向现代化，先进设备的引进和大量专业人才 的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高随着国家决策的科学化、民主化 进程不断深入，相信我国的制造业会更快速、更健康地发展。