精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

精密與超精密加工技術(shù)的起源可以追溯到原始社會。在那個時代，原始人類通過打磨石器制作出具有鋒利邊緣和特定形狀的工具，這被認(rèn)為是最早的手工研磨工藝的雛形。進(jìn)入青銅器時代后，制作光滑表面的銅鏡逐漸成為一種常見的技藝，這一過程其實是研磨和拋光技術(shù)的早期應(yīng)用。然而，真正意義上的精密加工技術(shù)直到近代才逐步成型。 近年來，美國啟動了“微米和納米級技術(shù)”國家關(guān)鍵技術(shù)計劃，以推動在這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。為了確保研究的順利進(jìn)行和資源的優(yōu)化配置，美國國防部專門成立了一個特別委員會，負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)相關(guān)研究工作。目前，美國至少有30多家公司致力于開發(fā)和生產(chǎn)各類超精密加工機(jī)床。其中，國家勞倫斯利佛摩爾實驗室（LLNL）和摩爾（Moore）公司在國際超精密加工技術(shù)領(lǐng)域享有盛譽(yù)。這些設(shè)備不僅在理論研究中取得了突破，還成功應(yīng)用于陶瓷、硬質(zhì)合金、玻璃和塑料等不同材料的零件加工，產(chǎn)品涵蓋了各種復(fù)雜形狀，廣泛服務(wù)于航空、航天、半導(dǎo)體、能源和醫(yī)療器械等高科技行業(yè)。

與此同時，日本也在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成就。當(dāng)前，日本有20多家公司專注于研發(fā)民用產(chǎn)品所需的超精密加工設(shè)備，并成功批量生產(chǎn)了多種類型的商品化超精密加工機(jī)床。得益于這些技術(shù)的發(fā)展，日本的相機(jī)、電視、復(fù)印機(jī)和投影儀等民用光學(xué)產(chǎn)業(yè)得到了快速提升，其飛躍性進(jìn)展與超精密加工技術(shù)的成熟應(yīng)用息息相關(guān)。

在歐洲，英國從上世紀(jì)60年代開始就已投入對超精密加工技術(shù)的研究，并成立了國家納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會，負(fù)責(zé)執(zhí)行國家納米技術(shù)研究計劃。德國和瑞士則憑借其在精密加工設(shè)備制造方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢，在全球范圍內(nèi)享有盛名。自1992年以來，歐洲啟動了一系列聯(lián)合研究與發(fā)展計劃，進(jìn)一步加強(qiáng)了成員國之間的科技合作，加速了精密與超精密加工技術(shù)的進(jìn)步。

在中國，系統(tǒng)性地提出超精密加工技術(shù)的概念始于20世紀(jì)80年代到90年代初期。這一時期，由于航空、航天等軍工行業(yè)的快速發(fā)展，對零部件的加工精度和表面質(zhì)量提出了更高的要求，促使相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入的技術(shù)研究。為了滿足這些需求，軍工行業(yè)投入了大量資金，支持國內(nèi)各研究所和高校開展超精密加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。當(dāng)時，由于超精密加工技術(shù)屬于軍用領(lǐng)域的前沿科技，國外對中國實施了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，尤其是在設(shè)備和工藝方面。因此，國內(nèi)的超精密加工技術(shù)大多是從自主研發(fā)超精密加工設(shè)備開始的。 超精密加工設(shè)備的核心在于高精度的基礎(chǔ)元部件，包括空氣靜壓主軸與導(dǎo)軌、液體靜壓主軸與導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件。正是基于這一需求，各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛選擇超精密元部件及超精密切削加工用的天然金剛石刀具作為突破口，很快便取得了一些重要進(jìn)展。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京航空精密機(jī)械研究所等單位相繼研制出了超精密主軸和導(dǎo)軌等元部件，并在天然金剛石超精密切削刀具的刃磨機(jī)理及工藝研究上取得了顯著成果。同時，這些單位還搭建了一些結(jié)構(gòu)較為簡單的超精密加工設(shè)備，如超精密車床、超精密鏜床等，開始進(jìn)行超精密切削工藝的實驗。 隨著時代的發(fā)展，超精密加工技術(shù)的精度逐步提升，現(xiàn)已邁入納米制造階段。作為這一領(lǐng)域的頂尖技術(shù)，納米級制造對技術(shù)實力和資源條件的要求極為嚴(yán)苛。目前，美國、日本、歐洲多國以及中國都在開展相關(guān)研究項目，重點(diǎn)關(guān)注聚焦電子束曝光、原子力顯微鏡納米加工等先進(jìn)技術(shù)。這些技術(shù)可以實現(xiàn)分子或原子層面的操作，能夠在硅、砷化鎵等電子材料以及石英、陶瓷、金屬和非金屬材料上精確加工出納米級的圖案和結(jié)構(gòu)。這一進(jìn)展為微電子和微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

精密超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢

超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)理論和實驗還需進(jìn)一步不斷發(fā)展

所謂超精密加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是指在深入了解并掌握超精密加工過程中各種基本規(guī)律和現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，才能有效地控制這一過程并實現(xiàn)預(yù)期的加工效果。例如，在20世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者使用金剛石車刀在勞倫斯利佛摩爾國家實驗室（LLNL）的DTM3設(shè)備上，成功加工出世界上最薄的連續(xù)切屑，切削厚度達(dá)到了1納米，這被認(rèn)為是當(dāng)時世界超精密切削技術(shù)的巔峰水平，并且至今未有新的突破。然而，關(guān)于超精密切削的極限尺度究竟是多少，材料在如此極端條件下如何被去除，仍然是尚未完全解答的問題。此外，超精密加工工藝系統(tǒng)在力、熱、電、磁、氣等多種物理量和場復(fù)雜耦合作用下的機(jī)理是什么？系統(tǒng)在這種情況下的動態(tài)特性、動態(tài)精度及穩(wěn)定性又如何得到保障？這些問題都需要依賴新的理論研究來提供支持。 隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，分子動力學(xué)仿真技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來，在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國和日本等國率先將該技術(shù)引入到納米級機(jī)械加工過程的研究中。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)一些高校也開始采用分子動力學(xué)仿真技術(shù)來研究納米級切削和磨削過程。這項技術(shù)能夠在原子尺度上模擬瞬時的切削過程，從而在一定程度上揭示了材料微觀去除的機(jī)制。然而，盡管分子動力學(xué)仿真提供了寶貴的理論依據(jù)，這些微觀機(jī)制仍需通過實際實驗進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

被加工材料和工藝方法也在不斷擴(kuò)展

鈦合金是航空領(lǐng)域常用材料之一，但氫作為有害雜質(zhì)會導(dǎo)致氫脆、應(yīng)力腐蝕及延遲斷裂等問題。然而，近年來研究表明，通過有效控制滲氫、相變及除氫過程，可以改善鈦合金的加工性能，提升表面質(zhì)量和加工效率。類似地，盡管黑色金屬通常被認(rèn)為無法用天然金剛石進(jìn)行超精密切削，但各種工藝改進(jìn)，如低溫冷卻車削、超聲振動切削等，仍在探索中。然而這些方法目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。通過離子注入輔助技術(shù)，近年來成功提升了硬脆材料如硅的超精密切削性能。 抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展為超精密加工提供了新方向。超硬材料的精密加工要求嚴(yán)格控制表層損傷和應(yīng)力狀態(tài)。例如，航空發(fā)動機(jī)材料M50NiL的表面硬度超過HRC70，表面處理后的材料性能顯著提升。隨著單晶渦輪葉盤和渦輪葉片在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，以及導(dǎo)彈頭罩材料從紅外材料向藍(lán)寶石甚至金剛石材料的升級，精密加工技術(shù)需要適應(yīng)更復(fù)雜的形狀和更高的耐磨性，提出了更高的設(shè)備、工藝和檢測技術(shù)要求。

超精密加工開始追求高效

超精密加工技術(shù)的發(fā)展初衷是為了確保關(guān)鍵零部件的最終精度，最初并不注重加工效率，而更側(cè)重于精度和表面質(zhì)量。例如，某些光學(xué)元件的加工周期曾以“年”為單位。然而，隨著零件尺寸和需求數(shù)量的不斷增加，超精密加工的效率也開始成為關(guān)注重點(diǎn)。 例如，隨著天文望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷擴(kuò)大，以提高觀測范圍和清晰度，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑幾乎遵循著類似“摩爾定律”的趨勢——每隔若干年，望遠(yuǎn)鏡口徑增大一倍。從1917年威爾遜山天文臺的Hooker望遠(yuǎn)鏡的2.5米口徑，到1948年Hale望遠(yuǎn)鏡的5米，再到1992年建成的Keck望遠(yuǎn)鏡，其口徑達(dá)到了10米。如今，計劃中的OWL望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑將達(dá)到100米，由3048塊六邊形反射鏡組成。按照現(xiàn)有的加工技術(shù)，完成這樣龐大的項目可能需要上百年。同樣，激光核聚變點(diǎn)火裝置（NIF）所需的7000多塊KDP晶體的制造，如果沒有高效的超精密加工技術(shù)，也將難以完成。 因此，超精密加工技術(shù)正面臨新的挑戰(zhàn)，必須開發(fā)更先進(jìn)的設(shè)備和工藝，以滿足高效加工的需求。這一技術(shù)將繼續(xù)朝著更極致的精度和效率方向發(fā)展，以應(yīng)對未來更復(fù)雜的加工任務(wù)。

超精密加工技術(shù)將向極致方向發(fā)展

隨著科技的進(jìn)步，對超精密加工技術(shù)提出了更高的要求，包括對超大零件、微小零件及特征、復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極高精度要求。例如，歐洲南方天文臺正在研制的VLT反射鏡直徑達(dá)8.2米，厚度為200毫米，盡管采用了減重設(shè)計，其重量仍達(dá)到21噸。由法國REOSC公司負(fù)責(zé)加工，使用了銑磨和小磨頭拋光等技術(shù)，整個加工周期為8到9個月，最終達(dá)到了設(shè)計要求。如今，新的超精密加工工藝，如應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光和離子束拋光等，為大鏡的加工提供了重要技術(shù)支持。 微納結(jié)構(gòu)的功能表面也要求極高的加工精度。例如，微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂，其特征尺寸為9微米，尺寸精度要求達(dá)到±1微米，體現(xiàn)了對極小尺寸零件的高精度要求。 美國國家標(biāo)準(zhǔn)計量局開發(fā)的納米三坐標(biāo)測量機(jī)（分子測量機(jī)）展示了在極復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度測量的典型案例。該儀器的測量范圍為50mm×50mm×100μm，精度達(dá)到1納米，對環(huán)境的控制極其嚴(yán)格，如最內(nèi)層殼體的溫度需控制在17±0.01℃，并采用多層隔振與高真空環(huán)境來減少干擾。 自由曲面光學(xué)零件因其卓越的光學(xué)性能，近年來應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。然而，由于其形狀復(fù)雜且有時無法通過方程表示，設(shè)計、制造和檢測等技術(shù)仍有待進(jìn)一步突破，以滿足日益增長的需求。