1 前言 2"G9?)d9 ;D~#|CB 超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。 超精密加工是指亞微米級(jí)(尺寸誤差為0.3～0.03µm，表面粗糙度為Ra0.03～0.005µm)和納米級(jí)(精度誤差為0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm) 精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱(chēng)為超精加工技術(shù)。加之測(cè)量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問(wèn)題，人們把這種技術(shù)總稱(chēng)為超精工程。 超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域： 超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。 超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤(pán)的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1µm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)2～5nm。
R Th= x. mI7lv;oN<5 2 國(guó)外概況 ijOp{ BSMb(EnqX 美國(guó)是最早研制開(kāi)發(fā)超精密加工技術(shù)的國(guó)家。早在1962年，美國(guó)就開(kāi)發(fā)出以單點(diǎn)金剛石車(chē)刀鏡面切削鋁合金和無(wú)氧銅的超精密半球車(chē)床，其主軸回轉(zhuǎn)精度為 0.125µm，加工直徑為Ø100mm的半球，尺寸精度為±0.6µm，粗糙度為Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光學(xué)金剛石車(chē)床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達(dá)0.025µm，表面粗糙度為Ra0.042µm。在該機(jī)床上采用多項(xiàng)新技術(shù)，如多光路激光測(cè)量反饋控制，用靜電電容測(cè)微儀測(cè)量工件變形，32位機(jī)的CNC系統(tǒng)，用摩擦式驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和熱交換器控制溫度等。 美國(guó)利用自己已有的成熟單元技術(shù)，只用兩周的時(shí)間便組裝成了一臺(tái)小型的超精密加工車(chē)床(BODTM型)，用刀尖半徑為5～10nm的單晶金剛石刀具，實(shí)現(xiàn)切削厚度為1nm (納米)的加工。盡管如此，最近美國(guó)政府還是繼續(xù)把微米級(jí)和納米級(jí)的加工技術(shù)作為國(guó)家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說(shuō)明美國(guó)對(duì)這一技術(shù)的重視。 英國(guó)是較早從事超精加工技術(shù)研究的國(guó)家之一。從1979年起，開(kāi)發(fā)用于制造X射線望遠(yuǎn)鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀車(chē)床。要求反射鏡的精度在30mm 范圍內(nèi)的表面凹凸達(dá)到6nm以下，整個(gè)鏡面的形狀精度達(dá)1µm以下。該機(jī)床為保證超精加工，采用了許多新技術(shù)。例如采用封裝合成花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)(總重 48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為0.1µm，空氣軸承支承的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，分辨率為0.015µm的 HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的X軸、Z軸工件尺寸及形狀精度的測(cè)量補(bǔ)償系統(tǒng)，壓電式刀具微進(jìn)給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等。英國(guó)在80年代初就已開(kāi)始實(shí)施納米計(jì)劃，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)。Cranfield理工學(xué)院是世界上第二個(gè)能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度(2kN/µm)氣浮精密軸承和主軸系統(tǒng)的單位。 日本的超精密加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)滯后于美國(guó)20年，但由于得到有關(guān)方面的重視和努力，發(fā)展較快。與美國(guó)不同，日本完全是出于民用工業(yè)的考慮來(lái)發(fā)展超精密加工技術(shù)的，從多棱體反射鏡加工機(jī)床到磁頭微細(xì)加工機(jī)床，磁盤(pán)端面車(chē)床，發(fā)展到非球面加工機(jī)床和短波X射線反射鏡面加工機(jī)床。1986年日本已把納米技術(shù)作為先進(jìn)技術(shù)探索研究計(jì)劃中的六大課題之一。日本推行了一個(gè)從1991年起，為期 10年，投資250億日元的研究開(kāi)發(fā)微型機(jī)械的大型國(guó)家科研計(jì)劃。在這個(gè)計(jì)劃中，F(xiàn)ANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車(chē)床型超精密銑床，在世界上首次用切削方法實(shí)現(xiàn)了自由曲面的微細(xì)加工。這臺(tái)銑床具有無(wú)摩擦伺服系統(tǒng)和用于微細(xì)加工的CAD/CAM 系統(tǒng)，最小數(shù)控分辨率為1nm。在對(duì)直徑為1mm高度差為30µm的復(fù)雜曲面進(jìn)行的微細(xì)銑削加工中，獲得了Ra0.058µm的表面粗糙度。機(jī)床的主要性能：X、Z軸的最小分辨率為1nm，C、B軸的最小分辨率分別為0.0001°和0.00001°，當(dāng)主軸的最大供氣壓力為6×10
6Pa 時(shí)，回轉(zhuǎn)速度為55000r/min。微細(xì)切削用刀具是一種單晶金剛石偽球頭立銑刀。刀尖半徑為0.01mm，半刀尖角為75°，刀尖圓弧中心與軸心線有 0.1mm的偏移量。日本的超精加工機(jī)床生產(chǎn)廠家有十多家，產(chǎn)品大多采用0.01µm高分辨率的CNC系統(tǒng)和激光干涉儀測(cè)量，納米級(jí)光刻已超過(guò)了美國(guó)，居世界領(lǐng)先地位。超精加工機(jī)床的加工精度已達(dá)亞微米級(jí)(0.1µm以下)，粗糙度達(dá)Ra0.01µm，最高水平的機(jī)床已用于制造超大規(guī)模集成電路，刻線寬度可達(dá)0.3µm。 德國(guó)、荷蘭以及中國(guó)臺(tái)灣的超精密加工機(jī)床，也都處于世界先進(jìn)水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精車(chē)床，最大加工直徑Ø200mm，長(zhǎng)度200mm，其加工形狀精度為0.5µm，表面粗糙度Ra0.02µm。而德國(guó)主要研究超精密測(cè)量技術(shù)。 目前世界上超精密加工達(dá)到的最高技術(shù)水平如下：加工精度0.025µm，表面粗糙度Ra0.0045µm，即已進(jìn)入了納米級(jí)加工精度的時(shí)代。在測(cè)量技術(shù)方面，對(duì)小位移的測(cè)量：電容式測(cè)頭分辨率可做到0.5nm(量程為15µm)和0.1nm(量程為5µm)，線性誤差小于0.1%；光電子纖維光學(xué)測(cè)頭的分辨率可到0.5nm(量程為30µm)，線性誤差為5%；掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨率可達(dá)0.01nm(量程20mm時(shí))；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm(量程200µm時(shí))。對(duì)大長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)；氦氖激光(實(shí)驗(yàn)室)的分辨率可做到0.01µm(量程為2mm)；莫爾條紋光學(xué)尺的分辨率可做到10nm(量程1m)，精度為1µm/m。對(duì)角度測(cè)量，莫爾條紋角度光學(xué)尺的分辨率可做到0.005"(360°范圍)，精度0.1"，因此測(cè)量方面基本上滿足了納米級(jí)加工技術(shù)要求。
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