s I\-0og  
超精密加工經(jīng)過數(shù)十年的努力，日趨成熟，不論是超精密機(jī)床、金剛石工具，還是超精密加工工藝已形成了一整套完整的超精密制造技術(shù)系統(tǒng)，為推動(dòng)機(jī)械制造向更高層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在向納米級(jí)精度或毫微米精度邁進(jìn)，其前景十分令人鼓舞。但是從另一個(gè)角度來分析，隨著科技的發(fā)展，對(duì)它的要求越來越高，而現(xiàn)實(shí)的情況又受到技術(shù)水平的制約，依然存在許多困難。 &L+.5i  
　　綜述 XC;Icr)  
(K8Ob3zN_  
　　超精密加工技術(shù)是一門綜合性的系統(tǒng)工程，它的發(fā)展綜合地利用了機(jī)床、工具、計(jì)量、環(huán)境技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等的進(jìn)步。日本的津和秀夫教授形象地將超精密加工比作富士山的山頂，所以在某種意義上說，已到達(dá)了精密加工的頂峰。日本的文獻(xiàn)上，經(jīng)常出現(xiàn)向極限靠攏的提法。雖然從技術(shù)的角度來說，有些模糊，但是很形象化。實(shí)際上，加工精度在現(xiàn)有的水平上再提高一步已是相當(dāng)困難。以現(xiàn)在的產(chǎn)品而言，凡是要求高的尺寸，大部分是超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的，這從另一個(gè)側(cè)面反映了超精密的實(shí)際情況，相當(dāng)多的要求，均以技術(shù)條件的形式來表示，或標(biāo)明具體的特殊公差，而今天除了精度以外，對(duì)表面還提出了新的要求——表面完整性。日本谷口紀(jì)男教授往往將超精密加工技術(shù)與微細(xì)加工綜合在一起來加以介紹，客觀上反映了兩種技術(shù)的交叉，也體現(xiàn)了時(shí)代的特征。本文想就超精密加工發(fā)展的趨勢，說明一些個(gè)人的看法。 )=iv3nF?6N  
?ZGsh7<k  
　　超精密加工技術(shù)隨著時(shí)間的推延，精度、難度、復(fù)雜性等都在向更高層次發(fā)展，使加工技術(shù)也隨之需要不斷加以更新，來與之相適應(yīng)。 <"K*O9nst  
})70S8k  
　　以金剛石切削為例，其刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發(fā)展，因?yàn)樗�的大小直接影響到被加工表面的粗糙度，與光學(xué)鏡面的反射率直接有關(guān)，而今反射率要求越來越高，如激光陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%，必然要求金剛石刀具更加鋒利，根據(jù)日本大阪大學(xué)島田尚一博士介紹，為了進(jìn)行切薄試驗(yàn)，目標(biāo)是達(dá)到切屑的厚度1nm，其刃口圓弧半徑趨近2～4nm。直至今日，這個(gè)水平仍為世界最高的。為了達(dá)到這個(gè)高度，促使金剛石研磨機(jī)也改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而采用了空氣軸承作為支承，研磨盤的端面跳動(dòng)能在機(jī)床上自行修正，使其端面跳動(dòng)控制在0.5µm以下，我國航空系統(tǒng)303所研制的刃磨機(jī)就是一例。刃口鋒利了，接著其檢測又成為一個(gè)難題，起先日本橫濱大學(xué)的中山一雄教授用金絲壓痕的方法；后來發(fā)展到采用掃描電子顯微鏡(SEM)，其測量精度可達(dá)到50nm；隨著精度的再提高，日本的刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì)又在SEM上增加了二次電子的發(fā)射裝置，這時(shí)也只能測定到20～40nm；1993年，該小組再提出采用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)來進(jìn)行檢測，但以后就未見報(bào)道。直到1996年，我國的華中理工大學(xué)發(fā)表了用AFM檢測的報(bào)道。1998年，哈工大又再次作了報(bào)道。用AFM成功地檢測了刃口圓弧半徑。檢測技術(shù)的突破，的進(jìn)為微量切削機(jī)理一步探索創(chuàng)造了前提。 vR!g1gI23  
ilK*Xo  
　　硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法，后來日本足利大學(xué)的宮下政和教授發(fā)表了采用金剛石砂輪，控制切削深度和走刀量，在超精密磨床上，可以進(jìn)行延性方式磨削，即使是玻璃的表面也可以獲得光學(xué)鏡面。這在技術(shù)上是一次很大的突破。接著，又發(fā)展到了直接采用大負(fù)前角度的金剛石車刀在上述的類似條件下，也可以獲得同樣的結(jié)果，但車削的效率則明顯的提高。今天又提出如果將超聲波技術(shù)與金剛石切削結(jié)合，更有利于發(fā)揮出功效。我國吉林工大等也作了這種嘗試，并取得成果。 +a N8l1  
Cy/VH"G=  
　　砂輪采用金屬結(jié)合劑，一般指的是銅，而為了提高砂輪的壽命，日本東京工業(yè)大學(xué)的中川威雄教授采用了鑄鐵結(jié)合劑，使砂輪的壽命明顯提高，這是很大的突破，隨之，引起了各種結(jié)合劑的研究熱潮。后來日本理化學(xué)研究所的大森整就在這個(gè)基礎(chǔ)上，發(fā)展了砂輪的在線電解修整(ELID)技術(shù)，又使超精密加工技術(shù)的途徑得到了拓寬，在鏡面加工方面取得了進(jìn)步。 *k8?$(  
-8FUR~WJ  
　　金剛石技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來，給了科技人員很大的激勵(lì)，從天然金剛石到人造金剛石，從超硬金剛石薄膜到厚膜的形成，逐漸為在超精密制造技術(shù)方面廣泛采用金剛石工具創(chuàng)造了美好的前景。為了金剛石應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，為突破金剛石切削黑色金屬，一直在進(jìn)行大量的實(shí)踐，如深冷切削、富碳大氣中的切削等，都先后取得一些效果，也有在金剛石的成份中摻入硼，使之與黑色金屬的親和力明顯改善。而今金剛石的刃磨已在探索其他的途徑，如熱化學(xué)研磨即為一例。 6|B9kh}  
w< Xwz`O  
　　微量切削的機(jī)理一直是技術(shù)人員所關(guān)切的一個(gè)大問題，但是要直接對(duì)切削點(diǎn)觀察是異常困難的，現(xiàn)在有提議將切削裝置小型化，放置于SEM的鏡頭下進(jìn)行切削并觀察；日本大阪大學(xué)井川直哉教授等開始采用計(jì)算機(jī)仿真，逐步在向揭開微量切削的奧秘迫近。 ^Y+
C!I  
!Tv3WQ@  
　　超精密機(jī)床的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。它是最重要的硬件，它集大量成果于一體，如高精度主軸、微量進(jìn)給裝置、高精度定位系統(tǒng)、氣浮導(dǎo)軌技術(shù)、熱穩(wěn)定性技術(shù)、NC系統(tǒng)等。特別是美國的LLNL實(shí)驗(yàn)室、日本的不二越、東芝機(jī)械等公司、英國的Cranfield、Pneumo Precision等的產(chǎn)品都已商品化，在市場上很有聲望。 3+uL@LXd  
OqciZ@#5n  
　　總之，超精密制造技術(shù)是綜合的、系統(tǒng)的技術(shù)組合，而且隨著時(shí)間的推延，其內(nèi)涵始終在演變，因此必須及時(shí)跟蹤、分析，綜合地將其各方面的進(jìn)步，以新穎的構(gòu)思巧妙地加以重組，來不斷地提高超精密加工技術(shù)水平，適應(yīng)時(shí)代的要求。 1,;zX^  
,e9M%VIu6[  
　　展望與對(duì)策 itirh"[  
Mth:V45G|  
　　時(shí)代對(duì)超精密加工技術(shù)仍在不斷地提出更新的需求，從大到天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡，小到微機(jī)械的微納米尺寸零件。不論體積大小，其最高尺寸精度都趨近于毫微米；形狀也日益復(fù)雜化，各種非球面已是當(dāng)前非常典型的幾何形狀；70年代，始于日本的產(chǎn)品短薄輕小的戰(zhàn)略思想，引發(fā)了儀表的小型化、輕便化，從而導(dǎo)致儀表零件的薄壁、低剛度、易變形的特點(diǎn)，也造成超精密加工的更大難度。 _h#I}uJ~  
4P1}XYD-2  
　　在當(dāng)前必然也會(huì)談到的是微機(jī)械技術(shù)的誕生，為超精密制造技術(shù)引來一種嶄新的態(tài)勢，它的微細(xì)程度使傳統(tǒng)的制造技術(shù)面臨一種新的挑戰(zhàn)。盡管它的誕生時(shí)間只是近期的事。人們已公認(rèn)為它是21世紀(jì)的前沿技術(shù)。它的發(fā)展極為神速，受到全世界的關(guān)注，我國也不例外，僅幾年時(shí)間，許多單位已生產(chǎn)出各種產(chǎn)品，甚至完成了將原子遷移，構(gòu)成圖形或字體等的各種創(chuàng)舉。1996年，上海交通大學(xué)展示了直徑為2mm的微電機(jī)，而今天瑞士TECHSTAR GmbH已經(jīng)將直徑3mm電機(jī)，轉(zhuǎn)速為100,000r/min的產(chǎn)品作為商品銷售，其最小的滾珠軸承外徑只有3mm。微機(jī)械的發(fā)展如此迅速，確實(shí)驚人！ N
2'aC} I  
$57b.+2n  
　　面臨即將到來的21世紀(jì)，我國從事超精密加工的廣大科技人員如何努力才能縮短與國外的差距，作為這條戰(zhàn)線的一名工作者，確是日有所思，下面提出一些個(gè)人的具體想法。 :EQ{7Op`  
-j]k^  
　　跟蹤世界先進(jìn)科技的發(fā)展，大量掌握和利用信息 MA:5'n  
P$k*!j_W  
　　超精密加工技術(shù)是發(fā)展科技的重要手段，所以受到世界各國的廣泛重視，因此也就不斷地獲得新的成果，但是因?yàn)樗�的要求都處在精度的極限，傳統(tǒng)的、單一的技術(shù)往往很難突破，必須綜合地利用當(dāng)前取得的各種成果，通過綜合、分析，加以整合、重組，才能進(jìn)一步滿足更高的要求。因此當(dāng)務(wù)之急是如何及時(shí)地取得各種有關(guān)的信息。自從進(jìn)入信息時(shí)代，獲得信息的手段也隨之而得到發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，加速了信息傳遞。因此為信息的及時(shí)獲得創(chuàng)造了前提，同時(shí)已成為競爭的重要手段。前面已提到的金剛石切削刃口圓弧半徑的測量，一直是超精密加工技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)難題，自從1982年，STM和AFM的發(fā)明，應(yīng)當(dāng)說為其測量創(chuàng)造了前提，但是當(dāng)時(shí)并未受到應(yīng)有的重視，直到1993年才從《Precision Engineering》看到美國學(xué)者J.Drescher提出這種設(shè)想，但并未實(shí)現(xiàn)。到了1996年和1998年，才看到我國的華中理工大學(xué)和哈工大在這方面相繼作出了的有關(guān)的報(bào)道。表明這些信息的傳遞，有利于加速技術(shù)的發(fā)展。但為什么實(shí)踐如此滯后。也許可以說，信息雖然是有了，但并沒有很快得到應(yīng)用，當(dāng)時(shí)它的出現(xiàn)并非直接為超精密加工領(lǐng)域應(yīng)用的。不過今天看來這項(xiàng)研究，所以能獲得進(jìn)展，也是因?yàn)閼?yīng)用了這個(gè)信息。這充分說明信息只是一種素材，有了信息還得進(jìn)一步經(jīng)過加工，才能成為真正的手段。 D@68_sn  
,I5SAd|dX  
　　超精密加工技術(shù)一直是制造技術(shù)的前沿技術(shù)，每前進(jìn)一步，都需付出很大的代價(jià)，而且對(duì)其要求也是隨著時(shí)間的推延而不斷提高，這就必須廣泛的收集信息，雖然工藝信息往往是被視作Know-How而加以保密，所以更增加了它的收集難度，但是信息的渠道是多方面的，另外，得到的信息，大部分仍然需要經(jīng)過大量篩選，擇其有用的為我所用。而信息的收集必須先行，并且需要及時(shí)。 lTq"j?#E]m  
300w\9fn&  
　　比如，當(dāng)前硬脆材料的加工已是當(dāng)務(wù)之急，歷來采用磨削的途徑，但是在技術(shù)上存在比較難克服的問題，往往滿足不了光學(xué)等方面的要求，有的還將附加采用難度不小的拋光。為了突破這個(gè)難題，世界各國都開始摸索新的途徑，后來出現(xiàn)在超精密機(jī)床上加工硬脆材料，控制極小切深和走刀量，首先從磨削突破了硬脆材料延性方式的技術(shù)，緊接著也很快采用大負(fù)前角的金剛石車刀獲得成功。當(dāng)然在掌握上，仍然存在難度。近期又有建議在金剛石的切削上如果復(fù)合振動(dòng)切削，便能更易實(shí)現(xiàn)硬脆材料延性方式的切削。這表明技術(shù)是在不斷推陳出新的。必須時(shí)時(shí)跟蹤，這樣才有可能縮短研制的周期，突破難題。 J@$~q}iG  
f4Y)GO<R]  
　　整合、重組思想的運(yùn)用  HrsG^x  
r#4/~a5i~  
　　超精密加工技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它集機(jī)床、工具、計(jì)量、數(shù)控、材料、環(huán)境控制等成果于一體，針對(duì)不同的加工對(duì)象，不同的設(shè)計(jì)要求，綜合地加以利用。這里想以當(dāng)前的超精密機(jī)床為例，可以發(fā)現(xiàn)大部分這類機(jī)床也是反映出這些特點(diǎn)，它是根據(jù)自己所需的產(chǎn)品來設(shè)計(jì)、制造的。從這類機(jī)床的主軸、直到床身，幾乎均被認(rèn)為到了精度的極限，因此每種型號(hào)特色都比較明顯。而商品化的也有一些，但從已發(fā)表的文獻(xiàn)中來看，只是少數(shù)。前者如美國的LLNL國家實(shí)驗(yàn)室的大型光學(xué)金剛石車床LODTM等。后者如Pneumo Precision公司的SMG325超精密機(jī)床。即使是大量生產(chǎn)磁盤的車床其需要量也是很有限的，以日本東芝機(jī)械公司為例，據(jù)其公司的介紹，每年在日本的補(bǔ)充量也僅三十多臺(tái)，或者更少。這是超精密機(jī)床的特點(diǎn)。 UWKgf? _  
rq8 d}wj  
　　超精密機(jī)床的特點(diǎn)擴(kuò)大到整個(gè)超精密加工技術(shù)來看，有類似的情況，超精密加工技術(shù)也都是在其有關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)支撐的條件下，逐步發(fā)展起來的，同時(shí)又往往取各項(xiàng)技術(shù)的嶄新成果來加以充實(shí)、提高。例如金剛石車刀的刃口圓弧半徑達(dá)到2～4nm，就可切削下小于1nm厚度的切屑，這為更高精度的加工創(chuàng)造了前提；摩擦驅(qū)動(dòng)的出現(xiàn)，完全解決了滾珠絲桿的發(fā)熱、振動(dòng)、振擺和噪音等的不足，使獲得更佳的質(zhì)量具有可能性；冷卻液的溫度能控制到20±0.0005℃，在噴淋下切削可以保證高精度；靜壓軸承的高精度為主軸的高精度回轉(zhuǎn)提供了條件；雙頻激光干涉儀達(dá)到了當(dāng)前的最高定位精度；喻為零膨脹系數(shù)的微晶玻璃為超精密機(jī)床向更高層次的發(fā)展提供了可能。這許多嶄新的技術(shù)成就為整個(gè)超精密加工技術(shù)向縱深發(fā)展創(chuàng)造了依據(jù)。今日的超精密加工技術(shù)就是以這許多先進(jìn)技術(shù)作為支撐的。但是如何運(yùn)用好這些技術(shù)，還有待更高超的整合和重組的技巧。這是超精密加工技術(shù)方面的重要課題。 C[ mTVxd  
PgK7CG7G  
　　創(chuàng)新是推動(dòng)超精密加工技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力 _7;:*'>a4  
jmkOu
5@  
　　超精密加工技術(shù)每前進(jìn)一步，都離不開創(chuàng)新，這是由超精密加工技術(shù)所處的位置決定的，因?yàn)檫@門技術(shù)始終處在發(fā)展的前沿。面對(duì)飛速發(fā)展的需求就決定了它必須創(chuàng)新。 '-RacNY  
RhHm[aN  
　　美國的LLNL國家實(shí)驗(yàn)室是最典型的一個(gè)科研單位。在超精密加工技術(shù)方面作出的貢獻(xiàn)一直為世人所公認(rèn)。以摩擦驅(qū)動(dòng)為例，它替代滾珠絲桿被應(yīng)用在LODTM型的超精密機(jī)床上，是一個(gè)創(chuàng)舉，其優(yōu)點(diǎn)已在前面介紹過，Jim B.Bryan教授因而被喻為“摩擦驅(qū)動(dòng)之父”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，還研制了一臺(tái)BODTM小型的超精密機(jī)床，它完全是用市場購買的部件組裝而成的，我們稱為模塊方式的結(jié)構(gòu)。這體現(xiàn)了超精密機(jī)床的單件或小批量的特點(diǎn)。這種方式不僅研制周期短，成本低，而且可以組合成各種機(jī)床，甚至可以形成小的批量生產(chǎn)。我國航空系統(tǒng)303所的實(shí)踐也充分表明這一點(diǎn)。 7LVG0A2>7  
BXYH&2]Q  
　　日本認(rèn)為綜合利用也是一種創(chuàng)新。最近日本松下電器公司將AFM儀器裝到高精度三坐標(biāo)測量機(jī)上，使其量程最大可達(dá)400mm，最高精度為10nm，可傾斜最大60°角的任意三維形狀，成為世界上最高精度的UA3P型三坐標(biāo)測量機(jī)。他們拓寬了原有測量機(jī)的功能，更重要的是向超精密加工前進(jìn)了一大步。現(xiàn)在有人開始正在將平行機(jī)構(gòu)應(yīng)用在三坐標(biāo)測量機(jī)上，可以預(yù)見一種新功能的測量機(jī)將會(huì)依靠創(chuàng)新而誕生。 HVHv,:bPo  
(VjU