精密及超精密加工技术

1. 精密及超精密加工技术 • 精密和超精密加工定义： 加工精度(µm) 粗糙度(µm) 一般加工 1 精密加工 0.1~1 0.2~0.1 超精密加工 <0.1 <0.01 纳米加工 <0.001 <0.005 • 超精密加工有车、铣、磨、抛（光）、研、电物理及电化学等不同的工艺方法，目前应用最为广泛的是车、磨、研、抛工艺。

2. 重要性和必要性 • 超精密加工技术是发展高新技术和产品的关键技术，如球度要求0.2m的人造卫星姿态控制用的120mm的过半球、形状误差要求小于0.1m空对空导弹红外接收器的外球面反射镜、平面度0.05m激光陀螺反射镜、表面粗糙度Ra0.01～0.02m红外反射镜及激光制导反射镜、平面度0.1m计算机磁盘及磁头、平面度0.04m及反射率85～90%的激光印刷机和静电复印机及激光热处理的多棱镜、精密仪器和机床的超精密零件等等。

3. 精密、超精密加工技术是提高机电产品性能、质量、工作寿命和可靠性以及节材节能的重要方法和保证。如提高汽缸和活塞的加工精度，就可以提高汽车发动机的效率和功率，减少油耗；提高滚动轴承的滚动体的滚道的加工精度，就可以提高轴承的转速，减少振动和噪声；提高磁盘加工的平面度从而减少它与磁头间的间隙，就可以大大提高磁盘的存储量；提高半导体器件的刻线精度（减少线宽，增加密度），就可以提高微电子芯片的集成度。精密、超精密加工技术是提高机电产品性能、质量、工作寿命和可靠性以及节材节能的重要方法和保证。如提高汽缸和活塞的加工精度，就可以提高汽车发动机的效率和功率，减少油耗；提高滚动轴承的滚动体的滚道的加工精度，就可以提高轴承的转速，减少振动和噪声；提高磁盘加工的平面度从而减少它与磁头间的间隙，就可以大大提高磁盘的存储量；提高半导体器件的刻线精度（减少线宽，增加密度），就可以提高微电子芯片的集成度。

4. 由此可知，超精密加工技术的高低，不只是一个国家制造技术水平的标志，也是一个国家的国力和国威所在。没有高超的加工技术，就不会有高超性能和质量的机电产品，更没有现代化的国防工业，海湾战争已充分证明了超精密加工技术的重要性。在未来世界的技术竞争中，超精加工技术起着关键的作用。由此可知，超精密加工技术的高低，不只是一个国家制造技术水平的标志，也是一个国家的国力和国威所在。没有高超的加工技术，就不会有高超性能和质量的机电产品，更没有现代化的国防工业，海湾战争已充分证明了超精密加工技术的重要性。在未来世界的技术竞争中，超精加工技术起着关键的作用。

5. (三) 现状及发展趋势 • ⒈国外现状 • 美国是开展超精密加工技术起步最早的国家，迄今仍处于世界领先地位。在第二次世界大战期间就开始研究，到六十年代形成了超精密机床的商品化，如加工激光核聚变炉的反射镜，加工战术导弹及载人飞船等零件的超精密机床。至80年代，超精密机床综合技术趋于成熟。如LLNL实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）受美国国防部委托研制的大型光学零件金刚石车床，可加工1620mm、长508mm、重达1350Kg的工件，该机床采用了多项新技术，使在整个加工空间中的定位精度高达0.028m（均方根值）。

6. 英国也是较早从事精密、超精密加工技术研究的国家之一，Cranfield理工学院是迄今仅有的也能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度（大于2000N/m）精密气浮主轴系统的单位，而且80年代初受SERC的委托还研制出了加工X射线天体望远镜筒的大型数控金刚石车床，最近又推出了OAGM2500和Nanocenter250超精密加工设备，分辨率高达11.25nm，也属世界领先水平。英国也是较早从事精密、超精密加工技术研究的国家之一，Cranfield理工学院是迄今仅有的也能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度（大于2000N/m）精密气浮主轴系统的单位，而且80年代初受SERC的委托还研制出了加工X射线天体望远镜筒的大型数控金刚石车床，最近又推出了OAGM2500和Nanocenter250超精密加工设备，分辨率高达11.25nm，也属世界领先水平。 • 日本起步较晚，但发展较快，研究成果也很快发挥了作用。它发展超精密机床不是走美国“先军后民”的道路，而是从民用工业的需要去发展，如为了发展计算机、录像机、复印机等产品而研究加工磁盘、光盘、磁鼓、多面棱镜等超精密机床。由于民用工业向精密化发展，生产超精密机床的企业、公司逐年增加，并投入大量人力、物力去开发，有计划地引进先进技术并深入解剖。因此在发展速度上迅速追上美国，而且在技术上可以与美国相抗衡。 • 　　除美国、英国、日本外，荷兰、德国等也投入很大力量进行精密、超精密加工的研究。

7. ⒉国内现状 • 　　我国超精密加工的研究起步并不晚，但是发展较慢，直到80年代才取得一定进展。如沈阳第一机床厂生产的S1-235型金刚石车床（主轴回转精度0.15m、加工精度0.3m/60）；1984年上海理工大学（原上海机械学院）先后研制出主轴回转精度0.01m的精密轴系，应用于上海仪表机床厂的HY-026型超精密车床（加工工件圆度0.1m)、高精度数控车床（加工工件圆度0.5m）；北京机床研究所的超精密车床、铣床以及最高分辨率0.02m的CNC数控超精密车床；中国航空精密机械研究所的模块化超精车床（全部花岗石材料制造，加工精度小于0.1m）等。总的看来，有色金属的金刚石车削、铣削以及黑色金属的磨削已初步达到了超精密水平，但在效率、可靠性、特别是规格（大小尺寸）和技术配套方面与国外比、与生产实际要求比，还有相当的差距。对硬、脆的非金属和半导体材料表面的超精密加工技术的研究则刚刚起步，在这方面我们与国外的差距更大。

8. ⒊发展趋势 • 目前精密、超精密加工向着纳米级精度发展。超精密机床设备趋向于多功能模块化及用非金属材料制造，当今机床的加工精度已达到0.025m、表面粗糙度Ra0.0045m，即已进入纳米级加工时代。除传统的加工方法外，非传统加工方法将越来越占有重要地位，其中最有前途的是高能束加工，如激光束、电子束、离子束等，还有向着去除、附着原子级、分子级加工等方向发展。

9. 二、关键技术 • 由于精密、超精密加工技术是一门多学科综合制造技术，要追赶世界先进水平，需要从加工工艺、加工设备、测量与控制、环境条件保障等四个方面来进行研究。 (一) 超精密加工工艺 　　⒈超精密切削加工由于有色金属材料硬度很低，不能磨削而采用超精密切削加工。切削这类材料的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有色金属亲和力小，不会和工件材料产生粘附，切削时不产生刀痕，表成光洁，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利，据日本大板大学岛田尚一博士介绍，他们刃磨金刚石刀具的刀尖圆弧半径达0.002～0.004m，我国目前约达到0.05m。

10. ⒉超精密磨削由于金刚石是碳的同素异形体，在高温点时和铁族元素（黑色金属材料）的亲合作用大，易构成碳化物，刃口极易损坏，因此不能用来切削黑色金属，只能用磨削方法。⒉超精密磨削由于金刚石是碳的同素异形体，在高温点时和铁族元素（黑色金属材料）的亲合作用大，易构成碳化物，刃口极易损坏，因此不能用来切削黑色金属，只能用磨削方法。 • 　　超精密磨削是在一般精密磨削基础上发展起来的。表面光泽如镜的磨削方法，是靠在砂轮工作表面上修理出来的大量等高的磨粒微刃进行精密加工而成的。这些等高的微刃能从工件表面切除极微薄的、尚具有一些微量缺陷以及微量形状和尺寸误差的余量。又由于这些等高微刃是大量的，如果磨削用量得当，微刃在工件表面上磨削痕迹多次重复，本来就很微小的“残留面积”便更进一步缩小，留下的只是大量的极微细的划痕，故可使表面粗糙度达到极微小的程度。此外，还由于在无火花磨削阶段，微刃与被加工表面之间，仍有明显的磨擦、滑挤、抛光和熨光等作用，故使加工表面格外光洁，当前超精密磨削技术已能加工出0.01m圆度、0.1m尺寸精度和0.005m表面粗糙度的圆柱形零件。

11. 超精密磨削的加工对象主要是淬硬的金属材料和半导体难加工材料、陶瓷、玻璃等，磨削工具采用金刚石砂轮，关键技术是砂轮的修整。对于密实形无气孔的金刚石砂轮，如金属结合剂金刚石砂轮，一般在整形后还必须修锐；有气孔型陶瓷结合剂金刚石砂轮在整形后即可使用。金刚石砂轮的修整方法很多，常用的有单点金刚石笔、烧结体多点金刚石笔、专用砂轮修整器等。日本物理化学研究所大森整博士研究出用电解在线修整（ELTD）铸铁纤维结合剂（CIFB）金刚石砂轮，获得了良好的效果。超精密磨削的加工对象主要是淬硬的金属材料和半导体难加工材料、陶瓷、玻璃等，磨削工具采用金刚石砂轮，关键技术是砂轮的修整。对于密实形无气孔的金刚石砂轮，如金属结合剂金刚石砂轮，一般在整形后还必须修锐；有气孔型陶瓷结合剂金刚石砂轮在整形后即可使用。金刚石砂轮的修整方法很多，常用的有单点金刚石笔、烧结体多点金刚石笔、专用砂轮修整器等。日本物理化学研究所大森整博士研究出用电解在线修整（ELTD）铸铁纤维结合剂（CIFB）金刚石砂轮，获得了良好的效果。 • 　　低温磨削是最近出现的新技术，日本千叶大学报道了在77K（液氮温度）低温条件下，对玻璃进行磨削，能抑制材料裂纹的发生。

12. ⒊超精密研磨超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等方法。⒊超精密研磨超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等方法。 • 　　机械研磨是一种古老而又十分简便的精密加工方法，在一定条件下可达到Ra0.1～0.3m精度和Ra0.03m表面粗糙度，而超精密研磨可提高到0.1m以内的精度和Ra0.03m的表面粗糙度，其基本原理是在工件和研具之间放入0.1m以内的磨料，研磨运动轨迹呈周期性且不重复，为对工件产生一定的研磨能力，在工件上有加载装置，并保证工件在恒温的研磨液体中进行研磨。研磨可降低工件表面粗糙度，提高尺寸和形状精度，但不能提高相互位置精度。

13. 如果在研磨液中加有粘性较好的油酸，它会附着在工件表面上，使工件表面很快地产生一层氧化膜，工件表面凸起处的氧化膜在研磨开始时与研具的接触面小，单位面积压力大，首先被磨粒刮去，新的金属表面又很快被氧化，新的氧化膜又很容易地被刮掉。如此的不断研磨下去，凸峰就逐渐被磨平，这就是化学机械研磨法。为使工件表面光洁，起到抛光研磨作用，采用浮动抛光或称非接触抛光法，即减轻对工件的研磨压力，抛光研磨料在无机械压力作用下“游动”而“打光”工件。如果在研磨液中加有粘性较好的油酸，它会附着在工件表面上，使工件表面很快地产生一层氧化膜，工件表面凸起处的氧化膜在研磨开始时与研具的接触面小，单位面积压力大，首先被磨粒刮去，新的金属表面又很快被氧化，新的氧化膜又很容易地被刮掉。如此的不断研磨下去，凸峰就逐渐被磨平，这就是化学机械研磨法。为使工件表面光洁，起到抛光研磨作用，采用浮动抛光或称非接触抛光法，即减轻对工件的研磨压力，抛光研磨料在无机械压力作用下“游动”而“打光”工件。 • 　　弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM），是一种利用加速了的微小粒子，弹射工件表面的原子晶格，使表面上最上层的原子晶格受最大的剪切力，从而移去这层不平的原子。从最基本原理来说，是一种喷射加工，和电子束和离子束去除加工是一样的。加工后的精度可达±0.1m。

14. (二) 超精密加工设备 • ⒈主轴回转系统主轴回转系统包括主轴支承及驱动，它不仅要求很高的主轴回转精度、轴系刚度，而且还能保持原精度的长期稳定。超精密主轴回转大都采用气体或液体静压支承。气体静压支承引起机床主轴回转系统的热变形小，轴系刚度虽低，但是很适用于微量切削。液体静压支承刚度大，但必须克服液体温升及压力波动的影响。对主轴驱动，目前仍采用电动机直接带动或电动机、带轮、联轴节、主轴传动，无论采用何种驱动方式，电动机必须经过动平衡，电机轴采用静压支承更理想，皮带必须无缝且厚度一致。

15. 主轴支承结构有多种型式，但大都采用球面支承结构，如图4-1所示。因为球面轴承具有自动定心、装配方便、加工精度高（上海理工大学生产的半球轴承的圆度达0.02～0.05m）等特点。其中图4－1a为德国慕尼黑工业大学的气体静压高速精密车床，主轴转速40,000r/min，图4－1b为美国专利，当主轴200r/min时，其振摆0.031m、500r/min时为0.038m，径向和轴向刚度分别为25.4N/m和83.1N/m。主轴支承结构有多种型式，但大都采用球面支承结构，如图4-1所示。因为球面轴承具有自动定心、装配方便、加工精度高（上海理工大学生产的半球轴承的圆度达0.02～0.05m）等特点。其中图4－1a为德国慕尼黑工业大学的气体静压高速精密车床，主轴转速40,000r/min，图4－1b为美国专利，当主轴200r/min时，其振摆0.031m、500r/min时为0.038m，径向和轴向刚度分别为25.4N/m和83.1N/m。

16. ⒉直线运动导轨导轨结构型式根据各工厂的工艺条件而定。但一般都采用静压导轨，如美国Pneumo Precision公司的MSG-235型超精密车床，采用空气静压导轨，直线度为0.08m/300mm。美国Moore公司加工双V型导轨有成熟的实践经验，导轨的直线度为0.1m/100mm。我国上海仪表厂已达到同等精度。

17. ⒊微量进给超精密机床一般都是微量切削，日本大阪大学设立了一个切薄课题，切削厚度约1nm的极限程度。在超精密机床上进行微量切削，要使用刀尖圆弧半径极小的金刚石刀具，并保证刀具的超微量进给，这方面的报导不少，比较多的是采用压电陶瓷和平行弹簧，微量进给可达1nm。⒊微量进给超精密机床一般都是微量切削，日本大阪大学设立了一个切薄课题，切削厚度约1nm的极限程度。在超精密机床上进行微量切削，要使用刀尖圆弧半径极小的金刚石刀具，并保证刀具的超微量进给，这方面的报导不少，比较多的是采用压电陶瓷和平行弹簧，微量进给可达1nm。

18. ⒋机床结构材料　超精密机床的结构材料对机床精度的影响很大，铸铁和钢在过去曾是机床的主要结构材料，今后相当长的时间内，作为普通机床的材料，尤其是床身和底座仍将发挥很大作用。但是很难满足超精密机床的要求。为此国外早就用天然花岗岩材料制造，它有很多优点，如性能稳定、线膨胀系数小，约是铸铁的2/3，美国Pneumo Precision公司的MSG-235型超精密车床，其重达7t，尺寸为2m×1.2m×0.6m的底座，就是花岗石制造的。我国航天航空总公司下属的303所也制造了二台全花岗石车床。瑞士Stuter公司用树脂与花岗石粉混合而成的人造花岗石（商品名Granitan），以铸造成形，可减小大量加工量，该公司已将此材料用于S系列磨床床身。美国柯达克公司研制成功的OAGM2500型CNC磨床，用于加工探索太空用的大型光学透镜，机床总重130t，其床身底座是用Granitan材料制造的。

19. 花岗石的最大缺点是吸湿性大，吸水率为0.13%，甚至高达0.5%～0.7%，遇到液体会发生微量变形（干燥后复原），用此材料时需防止液体的“侵入”。在这种情况下，日本又开发了精密陶瓷材料，其中Invar和Zerodur陶瓷材料的线膨胀系数分别为0.6×10-6/k和0.05×10-8/k，即约为铸铁的1/20～1/240，而且可以铸造成型。日本古川勇二教授曾制造了两台全陶瓷车床。由于陶瓷材料具有的优越性，日本机械制造人员正在深入研究它的加工问题，如能突破加工技术难关，陶瓷材料在今后将是超精密机床的热门材料。花岗石的最大缺点是吸湿性大，吸水率为0.13%，甚至高达0.5%～0.7%，遇到液体会发生微量变形（干燥后复原），用此材料时需防止液体的“侵入”。在这种情况下，日本又开发了精密陶瓷材料，其中Invar和Zerodur陶瓷材料的线膨胀系数分别为0.6×10-6/k和0.05×10-8/k，即约为铸铁的1/20～1/240，而且可以铸造成型。日本古川勇二教授曾制造了两台全陶瓷车床。由于陶瓷材料具有的优越性，日本机械制造人员正在深入研究它的加工问题，如能突破加工技术难关，陶瓷材料在今后将是超精密机床的热门材料。

20. （三）超精密测量 • 　　由于工件的加工精度很高，将工件从机床上取下来拿到计量室测量，不仅麻烦而且由于环境温度的变化会产生误差，因此，国外超精密机床都有在线测量装置，即在加工过程中测量工件精度。这里有二个问题需要解决好：

21. ⒈尺寸定位精度尺寸定位精度一般均采用光栅、双频激光干涉仪控制。光栅过去能达到的分辨率为0.1m、0.05m，现在日本的三丰、东京精密、Canon、Sony等公司为0.01m，英国Renishaw公司则高达0.001m，为目前能达到的最高水平。英国Crnfield、美国Zygo公司的双频激光仪的分辨率为1.2nm，超过了美国HP系统产品精度。⒈尺寸定位精度尺寸定位精度一般均采用光栅、双频激光干涉仪控制。光栅过去能达到的分辨率为0.1m、0.05m，现在日本的三丰、东京精密、Canon、Sony等公司为0.01m，英国Renishaw公司则高达0.001m，为目前能达到的最高水平。英国Crnfield、美国Zygo公司的双频激光仪的分辨率为1.2nm，超过了美国HP系统产品精度。

22. ⒉传感器　传感器目前有接触式和非接触式两类，要求其分辨率必须小于0.01m，接触式的对有色金属的测量表面易产生印痕，非接触式的对旋转中的工件进行测量较为理想，它有电容、电涡流、激光及光导纤维等形式。激光传感器精度最高，但对环境要求亦高。电容传感器对外界环境也有一定要求，北京机床研究所研制的电容传感器的分辨率可达2nm。⒉传感器　传感器目前有接触式和非接触式两类，要求其分辨率必须小于0.01m，接触式的对有色金属的测量表面易产生印痕，非接触式的对旋转中的工件进行测量较为理想，它有电容、电涡流、激光及光导纤维等形式。激光传感器精度最高，但对环境要求亦高。电容传感器对外界环境也有一定要求，北京机床研究所研制的电容传感器的分辨率可达2nm。 • 　　实现在线测量除了上面两个问题外，还要考虑测量装置的精度问题，比如传感器测头中心与工件轴线不共面，两传感器测头不同轴、测量中心线与工件中心线不垂直等项，所有误差的总和限制在±0.05m以内是非常困难的，故目前国内成功的实例很少。

23. （四）优良的环境条件 • ⒈机床的隔振对于超精密机床，振动对工件尺寸精度和表面粗糙度的影响很大。一般来讲，高频振动的振幅要求减小到0.2m以下、低频振动的振幅应小于0.1m，据测量我国沿海大地脉动频率一般为4Hz，机床隔振应主要针对4Hz的大地脉动，要满足这一要求，必须增加底座重量，如上述MSG－235型超精密机床重达7t的花岗石底座即为一例，同时，超精密机床还必须采用三级减振措施。

24. ⑴将机床放置在整块花岗石底座上，花岗石对振动的阻尼值是铸铁的4～5倍，可极大地衰减机床的切削振动。⑴将机床放置在整块花岗石底座上，花岗石对振动的阻尼值是铸铁的4～5倍，可极大地衰减机床的切削振动。 • 　　⑵将机床与底座放置在隔振器上，如美国Barry公司的Serve－Levl隔振系统的3个AL55－6空气弹簧隔振器，垂直方向固有频率为0.5Hz、水平方向为0.3Hz，隔振效率达99%以上，隔振系统还具有自动调节动能，保证机床移动部件位置改变时，机床与底座始终保持原定的水平位置，不影响加工和测量。 • 　　⑶将机床、底座和气动隔振系统放在独立的水泥基础上。 • 　　机床传动系统的振动也必须控制到最低限度，齿轮传动是不宜采用的。电动机与机床之间要分离传动，主轴由无级调整的直流或交流电动机通过减振的皮带轮和弹性联轴节或磁力联轴节带动。

25. ⒉温度控制温升会使超精密机床尺寸发生变化，因为100mm长度或直径的工件，每温升1℃将伸长或缩短约1m的加工精度，必须控制冷却液温度变化在(0.1～0.01)℃的水平。美国加利福尼亚大学利用二次温控技术，使切削液在（20±0.006）℃的前提下，喷淋在整个机床上，包括切削区域，使切削部位温度保持在（20±0.01）℃之内，近来该大学进一步将上述温度控制到（20±0.0005）℃，可以认为是当今的最高水平。另外，采用液体支承的主轴和导轨，油液的循环流动使油温不断升高，因此，必须设有温度控制装置，使油液保持在一定温度，上海理工大学研制的高精度恒温油箱，能控制油液输出温度为（20±0.05）℃、压力波动为0.01MPa的国内先进水平。⒉温度控制温升会使超精密机床尺寸发生变化，因为100mm长度或直径的工件，每温升1℃将伸长或缩短约1m的加工精度，必须控制冷却液温度变化在(0.1～0.01)℃的水平。美国加利福尼亚大学利用二次温控技术，使切削液在（20±0.006）℃的前提下，喷淋在整个机床上，包括切削区域，使切削部位温度保持在（20±0.01）℃之内，近来该大学进一步将上述温度控制到（20±0.0005）℃，可以认为是当今的最高水平。另外，采用液体支承的主轴和导轨，油液的循环流动使油温不断升高，因此，必须设有温度控制装置，使油液保持在一定温度，上海理工大学研制的高精度恒温油箱，能控制油液输出温度为（20±0.05）℃、压力波动为0.01MPa的国内先进水平。

26. ⒊洁净的环境对超精密加工，空气的洁净相当重要，它在某种程度上标志一个国家技术产业的水平。对于超精密加工车间，一立方英尺空气中，直径大于0.3m的尘埃数应少于100个（百级）。现在又提出10级的要求，且尘埃直径小到0.3m。除采用离子吸尘和空气过滤外，墙壁涂料和地面都应该采用不易粘附尘埃的材料。⒊洁净的环境对超精密加工，空气的洁净相当重要，它在某种程度上标志一个国家技术产业的水平。对于超精密加工车间，一立方英尺空气中，直径大于0.3m的尘埃数应少于100个（百级）。现在又提出10级的要求，且尘埃直径小到0.3m。除采用离子吸尘和空气过滤外，墙壁涂料和地面都应该采用不易粘附尘埃的材料。