超精密加工技术概论“，

什么是超精密加工技术?

一般按照加工精度，机加工可分为一般加工、精密加工、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 ~ 0.03 μ m，表面粗糙度为Ra0.03 ~ 0.005 μ m)和纳米级(精度误差为0.03 μ m，表面粗糙度小于Ra0.005 μ m)的精密加工。为实现这些加工而采取的工艺方法和技术措施被称为超精加工技术。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用大型抛物面镜的加工;高密度硬盘涂层表面加工、大型集成电路基片加工等超精密磨削加工;超大规模集成电路晶圆等超精密特殊加工采用电子束、离子束蚀刻方法加工，线宽可达0.1µm。如果采用扫描隧道电子显微镜(STM)处理，线宽可达2-5nm。

a.超精密切割

超精密切削从SPDT技术开始，以空气轴承主轴、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工具在加工淬硬钢时的磨损。此外，MEMS组件等微小部件的加工需要微型工具。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甚至纳米尺度，则必须减小刀具直径。纳米材料是未来的发展趋势。如碳纳米管制造超小直径车削工具或铣刀。

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有脆硬金属材料、半导体材料、陶瓷、玻璃等。经过磨削，在加工表面留下大量极细的磨削痕迹，且残留高度极小。再加上微叶片的滑动、摩擦和抛光效果，可获得高精度、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、浮磨、弹性发射加工、磁性磨削等加工方法。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、精细电解加工及电解磨削、超声电解加工、超声电解磨削、超声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、成型切割、蚀刻、光刻曝光，并加工激光防伪标识;离子束加工可以实现原子和分子水平的切割;精细金属材料的去除可加工细轴、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、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高，商业化程度也非常高。

20世纪50年代，美国发展出金刚石工具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”(单点金刚石车削)或“微寸技术”(1微寸= 0.025μm)，并研制出相应的超精密气轴承主轴。精密机床，用于加工激光融合镜、战术导弹、载人飞船等大型球面和非球面零件。

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nanoocentre(纳米加工中心)可以用于超精密车削，带磨头，超精密磨削。

与美国、英国相比，日本对超精密加工技术的研究起步较晚，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

正向高精度、高效率、大型化、小型化、智能化、工艺一体化、在线加工检测一体化、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、质量的要求越来越高，高精度、高效率成为超精密加工永恒的主题。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、电解磁磨削、磁流变磨料流加工等复合加工方法可以兼顾效率，将成为超精密加工的趋势。

b.规模化、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，如美国研制的加工直径2.4-4m的大型光学器件超精密加工机床。同时，随着微机械电子、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型超精密加工设备。

c。聪明

利用智能设备降低加工结果对人工经验的依赖一直是制造领域所追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性和效率，这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项操作(如机器操作)有明显的增长趋势。车削、钻削、铣削、磨削、精加工)。

e.在线处理与测试一体化

由于超精密加工精度高，有必要开发在线加工检测一体化技术，以保证产品质量，提高生产率。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.绿色技术

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、加工过程中使用的大量加工液对环境造成了很大的负担。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。