超精密加工技术导论

什么是超精密加工技术?

一般按照加工精度，加工可分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3 ~ 0.03µm，表面粗糙度为Ra0.03 ~ 0.005µm)和纳米级(精度误差为0.03µm，表面粗糙度小于Ra0.005µm)的精密加工。实现这些加工的工艺方法和技术措施称为超精加工技术。再加上测量技术、环保和材料等问题，这种技术一般被称为超精密工程。超精密加工主要包括三个领域:金刚石工具的超精密加工，可以加工各种镜面;成功解决了激光聚变系统和天文望远镜大型抛物面镜的加工问题;高密度硬盘涂层表面加工、大规模集成电路基板加工等超精密磨削加工;采用电子束和离子束刻蚀方法加工大型集成电路晶圆等超精密特殊加工，线宽可达0.1µm。经扫描隧道电子显微镜(STM)处理，线宽可达2-5nm。

a.超精密切割

超精密切削始于SPDT技术，该技术以气轴承主轴、气动滑块、高刚性、高精度刀具、反馈控制和环境温度控制为支撑，实现纳米级表面粗糙度。金刚石刀具多用于铣削，广泛应用于铜平面及非球面光学元件、有机玻璃、塑料制品(如照相机用塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料的加工。未来的发展趋势是利用涂层技术来改善金刚石刀具在加工淬硬钢时的磨损。此外，MEMS元件等微小部件的加工需要微小的工具。目前，微型工具的尺寸可达50 ~ 100 μm左右。但是，如果加工几何特征在亚微米级甚至纳米级，则必须减小刀具直径。发展趋势是使用纳米材料。如碳纳米管制造超小直径车刀或铣刀。

b.超精密磨料加工

超精密磨料加工是在一般精密磨削的基础上发展起来的一种镜面磨削方法。超精密磨削的加工对象主要是脆硬金属材料、半导体材料、陶瓷、玻璃等。磨削后，在加工表面留下大量极细的磨削痕迹，残留高度极小。除了微刀片的滑动、摩擦和抛光效果外，还可以获得高精度和低表面粗糙度的加工表面。磨削可加工圆度为0.01μm、尺寸精度为0.1μm、表面粗糙度为Ra0.005μm的圆柱形零件。

c.超精密磨削

超精密磨削包括机械磨削、化学机械磨削、浮动磨削、弹性发射加工、磁力磨削等加工方法。实现超精密磨削的关键条件是几乎无振动的磨削运动、精确的温度控制、清洁的环境和精细均匀的磨料。超精密磨削的球度达到0.025μm，表面粗糙度Ra达到0.003μm。

d.超精密特种加工

超精密特种加工主要包括激光束加工、电子束加工、离子束加工、微细电火花加工、精细电解加工和电解磨削、超声波电解加工、超声波电解磨削、超声波电火花加工等复合加工。激光和电子束加工可实现打孔、精密切割、成形切割、蚀刻、光刻曝光，加工激光防伪标牌;离子束加工可实现原子、分子水平的切割;去除细小的金属材料，可以加工细小的轴、孔、窄平面和曲面;精细电解加工可达到纳米级精度，表面不会产生加工应力，常用于镜面抛光、镜面减薄，以及一些不需要应力加工的应用。

美国、英国和日本是超精密加工技术的国际领先国家。这些国家的超精密加工技术不仅整体成套水平较高，而且商品化程度也非常高。

20世纪50年代，美国研制出金刚石工具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”(SinglePoint diamond Turning)或“微英寸技术”(1微英寸= 0.025μm)，并研制出相应的超精密气轴承主轴。精密机床，用于加工激光聚变反射镜、战术导弹、载人飞船等大型球面和非球面零件。

英国克兰菲尔德精密工程研究所(CUPE)隶属于英国克兰菲尔德理工学院，是英国超精密加工技术水平的独特代表。例如，CUPE生产的Nanocentre(纳米加工中心)可用于超精密车削，带磨头，超精密磨削。

与美国和英国相比，日本对超精密加工技术的研究起步相对较晚，但却是世界上超精密加工技术发展最快的国家。

超精密加工技术的发展趋势

正朝着高精度、高效率、大型化、小型化、智能化、过程集成化、在线加工检测集成化、绿色化方向发展。

a、精度高、效率高

随着科学技术的不断进步，对精度、效率和质量的要求越来越高，高精度、高效率已成为超精密加工的永恒主题。超精密切削和磨削技术可以有效提高加工效率，CMP和EEM技术可以保证加工精度，而半固定磨料加工方法、电解磁力磨削、磁流变磨料流加工等复合加工方法可以兼顾效率而将成为超精密加工的趋势。

b.大规模和小型化

由于航空航天等技术的发展，大型光电器件需要大型超精密加工设备，如美国开发的加工直径2.4-4m的大型光学器件的超精密加工机床。同时，随着微机电、光电信息等领域的发展，超精密加工技术正朝着小型化方向发展，如微传感器、微驱动元件和动力单元、微航空和航天飞行装置等都需要微超精密加工设备。

c。聪明

利用智能设备减少加工结果对人工经验的依赖一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性和效率，在超精密加工中表现得更为明显。

d.流程集成

当今企业之间的竞争趋于激烈，高生产效率日益成为企业生存的条件。另一方面，使用一台机器进行多种操作(例如。车削、钻孔、铣削、磨削、精加工)。

e.在线加工与测试一体化

由于超精密加工的高精度要求，为保证产品质量和提高生产率，有必要发展在线加工与检测一体化技术。同时，由于加工设备本身的精度有时难以满足要求，采用在线检测、工况监测和误差补偿等方法可以提高精度，保证加工质量要求。

f.绿色科技

磨料加工是超精密加工的主要方法。磨料的制造、加工过程中磨料的消耗、加工过程中能源和材料的消耗以及加工过程中使用的大量加工液对环境造成了极大的负担。为此，各国都在积极投资绿色超精密加工技术，以减轻环境负担。