精密超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢

1 ? ? ? 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)基礎(chǔ)理論，是指在了解并掌握超精密加工過程的基本規(guī)律和現(xiàn)象的描述后才能駕馭這一過程，取得預(yù)期結(jié)果。例如上世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者用金剛石車刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續(xù)切屑的照片，當(dāng)時認(rèn)為達(dá)到了1nm的切削厚度，已成為世界最高水平，并至今無人突破（如圖4）。那么超精密切削極限尺度是多少、材料此時是如何去除的，此外超精密加工工藝系統(tǒng)在力、熱、電、磁、氣等多物理量/

場復(fù)雜耦合下的作用機理是什么、此時系統(tǒng)的動態(tài)特性、動態(tài)精度及穩(wěn)定性如何保證等都需要得到新理論的支持。

? ? ? ? ? ? ? ? ?隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，分子動力學(xué)仿真技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始在物理、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，美國、日本等國首先應(yīng)用該技術(shù)研究納米級機械加工過程，國內(nèi)從21世紀(jì)初在一些高校開始應(yīng)用分子動力學(xué)仿真技術(shù)對納米切削及磨削過程進(jìn)行研究，可描述原子尺寸、瞬態(tài)的切削過程，在一定程度上反映了材料的微觀去除機理，但這一切還有待于實驗驗證。

2 ? ? ? 被加工材料和工藝方法也在不斷擴展

鈦合金是航空最常用的材料之一，氫作為有害雜質(zhì)元素對鈦合金的使用性能有極其不利的影響，如會引起鈦合金氫脆、應(yīng)力腐蝕及延遲斷裂等，但是近年來研究表明通過合理有效地控制滲氫、相變及除氫等過程，獲得鈦合金組織結(jié)構(gòu)的變化，從而可以改善其加工性能，提高加工表面質(zhì)量和效率。同樣通常認(rèn)為黑色金屬是無法利用天然金剛石進(jìn)行超精密切削加工的，多年來也一直在進(jìn)行各種工藝研究，如利用低溫流體（液氮或二氧化碳）冷卻切削區(qū)進(jìn)行低溫冷卻車削、采用超聲振動切削黑色金屬、采用金剛石涂層刀具等，采用離子滲氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進(jìn)行處理，但上述方法到目前為止還無法工程化應(yīng)用。近年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能，實現(xiàn)硅等硬脆材料復(fù)雜形狀的高效超精密切削。

抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展為超精密加工技術(shù)提出了新的發(fā)展方向，超硬材料的精密加工工藝要求控制表層及亞表層的損傷及組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)，如航空發(fā)動機軸承材料M50NiL表面處理后硬度超過了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤和單晶渦輪葉片在航空發(fā)動機上的應(yīng)用，要求被加工材料沒有重融層和變質(zhì)層，從而對精密加工工藝提出了新要求。隨著導(dǎo)彈馬赫數(shù)的增加，要求頭罩材料的抗耐磨性提高，已從紅外材料向藍(lán)寶石材料頭罩乃至金剛石材料發(fā)展，形狀也從球形向非球面乃至自由曲面發(fā)展，對超精密加工設(shè)備、工藝及檢測技術(shù)提出了新的要求。

3 ? ? ? 微納結(jié)構(gòu)功能表面的超精密加工技術(shù)

微結(jié)構(gòu)功能表面具有特定的拓?fù)湫螤?，結(jié)構(gòu)尺寸一般為10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微結(jié)構(gòu)具有紋理結(jié)構(gòu)規(guī)則、高深寬比、幾何特性確定等特點，如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結(jié)構(gòu)等，這些表面微結(jié)構(gòu)使得元件具有某些特定的功能，可以傳遞材料的物理、化學(xué)性能等，如粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性，或者具備特定的光學(xué)性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表面加工出微納結(jié)構(gòu)形成功能性表面，不僅可以減小飛行器的風(fēng)阻、摩阻，減小摩擦，還可以避免結(jié)冰層形成，提高空氣動力學(xué)和熱力學(xué)功能，從而達(dá)到增速、增程、降噪等目的，同時表面特定的微結(jié)構(gòu)特征還能起到隱身功能，增強突防能力。

在民用方面最典型的例子是游泳運動員的泳衣表面增加了一些微結(jié)構(gòu)，俗稱鯊魚皮泳衣，結(jié)果使運動員的成績有了大幅度的提高，使國際泳聯(lián)不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結(jié)構(gòu)功能表面在光學(xué)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、聚光光伏產(chǎn)業(yè)、交通標(biāo)志標(biāo)牌、照明等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如LCD 顯示器的背光模組的各種光學(xué)膜片，背光模組關(guān)鍵件—導(dǎo)光板、擴散板、增光膜等，聚光光伏太陽能CPV 系統(tǒng)的菲涅爾透鏡，道路標(biāo)示用微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜片、新一代LED 照明用高效配光結(jié)構(gòu)等。

在未來零部件設(shè)計與制造將會增加一項功能表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，通過在零件表面設(shè)計和加工不同形狀的微結(jié)構(gòu)，從而提高零部件力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、升學(xué)等功能，這將是微納制造的重要應(yīng)用領(lǐng)域，2006年成立的國際納米制造學(xué)會經(jīng)專家討論并認(rèn)同，納米制造中的核心技術(shù)將從目前以MEMS技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向超精密加工技術(shù)。

4 ? ? ? 超精密加工開始追求高效

超精密加工技術(shù)從發(fā)展之初是為了保證一些關(guān)鍵零部件的最終精度，所以當(dāng)初并不是以加工效率為目標(biāo)，更多關(guān)注的是精度和表面質(zhì)量，例如一些光學(xué)元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進(jìn)一步加工增大和數(shù)量的增多，目前對超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察天體范圍和清晰度，需不斷加大天文望遠(yuǎn)鏡的口徑，這就同樣存在天文版的摩爾定律，即每隔若干年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑增大一倍，如建于1917年位于美國威爾遜山天文臺的Hooker望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.5m，是當(dāng)年全世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡；到1948年被Hale望遠(yuǎn)鏡取代，其口徑達(dá)到了5m；1992年新建成的Keck望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)到了10m，目前仍在發(fā)揮著巨大的作用。目前正在計劃制造的巨大天文望遠(yuǎn)鏡OWL主鏡口徑達(dá)到100m，由3048塊六邊形球面反射鏡組成，次鏡由216塊六邊形平面反射鏡組成，總重約1~1.5萬t，按照目前現(xiàn)有的加工工藝，可能需要上百年的時間才能完成。此外，激光核聚變點火裝置（NIF）需要7000多塊400mm見方的KDP晶體，如果沒有高效超精密加工工藝，加工時間也無法想象。為此需要不斷開發(fā)新的超精密加工設(shè)備和超精密加工工藝來滿足高效超精密加工的需求。

5 ? ? ? 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)已經(jīng)提出了新的要求，如要求極大零件的極高精度、極小零件及特征的極高精度、極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度、極復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極高精度等。

歐洲南方天文臺正在研制的超大天文望遠(yuǎn)鏡VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃，經(jīng)過減重后重量仍然達(dá)到了21t。法國REOSC公司負(fù)責(zé)加工，采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝，加工周期為8~9個月，最終滿足了設(shè)計要求，目前許多新的超精密加工工藝如應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現(xiàn)為大鏡加工提供了技術(shù)支撐。前面提到的微納結(jié)構(gòu)功能表面結(jié)構(gòu)尺寸小到幾個微米，如微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺寸精度卻要求±1μm。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)計量局研制的納米三坐標(biāo)測量機（分子測量機）是實現(xiàn)如何在極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度測量的典型例子，該儀器測量范圍50mm×50mm×100μm，精度達(dá)到了1nm，對環(huán)境要求及其嚴(yán)格，最內(nèi)層殼溫度控制17±0.01℃，次層殼采用主動隔振，高真空層工作環(huán)境保持1.0×10-5Pa，最外層殼用于噪聲隔離，最后將整體結(jié)構(gòu)安裝在空氣彈簧上進(jìn)行被動隔振。自由曲面光學(xué)曲面精度要求高、形狀復(fù)雜，有的甚至無法用方程表示（如賦值曲面），但由于其具有卓越的光學(xué)性能近年來應(yīng)用范圍不斷擴大，但自由曲面光學(xué)零件的設(shè)計、制造及檢測等技術(shù)還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

6 ? ? ? 超精密加工技術(shù)將向超精密制造技術(shù)發(fā)展

超精密加工技術(shù)以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個工序中，但目前一些領(lǐng)域中某些零部件整個制造過程或整個產(chǎn)品的研制過程都要用到超精密技術(shù)，包括超精密加工加工、超精密裝配調(diào)試以及超精密檢測等，最典型的例子就是美國的美國國家點火裝置（NIF）。

為了解決人類的能源危機，各國都在研究新的能源技術(shù)，其中利用氘、氚的聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大能源可供利用，而且不產(chǎn)生任何放射性污染，這就是美國國家點火工程。我國也開始了這方面的研究，被稱為神光工程。NIF整個系統(tǒng)約有2個足球場大小，共有192束強激光進(jìn)入直徑10m的靶室，最終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數(shù)量極多（7000多片），精度和表面粗糙度極高（否則強激光會燒毀鏡片），傳輸路徑調(diào)試安裝精度要求極高，工作環(huán)境控制要求極高。對于直徑為2mm的靶丸，壁厚僅為160μm，其中充氣小孔的直徑為5μm，帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困難在于其深徑比大、變截面，可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝，或采用原子力顯微鏡進(jìn)行超精密加工。系統(tǒng)各路激光的空間幾何位置對稱性誤差要求小于1%、激光到達(dá)表面時間一致性誤差小于30fs、激光能量強度一致性誤差小于1%等。如此復(fù)雜高精度的系統(tǒng)無論從組成的零部件加工及裝配調(diào)試過程時刻都體現(xiàn)了超精密制造技術(shù)。場復(fù)雜耦合下的作用機理是什么、此時系統(tǒng)的動態(tài)特性、動態(tài)精度及穩(wěn)定性如何保證等都需要得到新理論的支持。