賈柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北華航天工業(yè)學(xué)院 河北廊坊市 065000）

關(guān)于超精密加工技術(shù)的研究

賈柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北華航天工業(yè)學(xué)院 河北廊坊市 065000）

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超精密加工技術(shù)的發(fā)展是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要保證。當(dāng)今市場對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品多樣化的要求正在逐步提高，也對超精密加工技術(shù)提出了更多的要求。超精密加工技術(shù)已成為一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，包含了當(dāng)今高新技術(shù)的快速發(fā)展。在本文中，筆者著重介紹了各種超精密加工技術(shù)的內(nèi)涵、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展過程與趨勢等內(nèi)容，我還對未來應(yīng)研究開發(fā)的超精密技術(shù)的重要科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了相應(yīng)的論述。本文中筆者還分析了我國在超精密加工領(lǐng)域中存在的問題，拉開了與國外相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的差距，最后，我提出了我國發(fā)展超精密技術(shù)的對策，希望能對我國的超精密加工技術(shù)的發(fā)展帶來積極的意義。

超精密加工；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

引言

超精密加工技術(shù)在我國的發(fā)展取得了一定的成果，但是相對于國外發(fā)達(dá)國家來說，我們的差距還是非常大的，我國在近幾年始終采用當(dāng)代最新科技成果來提高加工精度，取得了不錯的成果，精密加工技術(shù)隨科技的發(fā)展而不斷更新。精密加工技術(shù)的發(fā)展將會直接影響到一個國家尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對此都極為重視。我國也提高了對精密加工技術(shù)的關(guān)注度，并且取得了不錯的成果。

超精密加工目前包括四個領(lǐng)域：①超精密切削加工；②超精密磨削加工；③超精密拋光加工；④超精密特種加工（如電子束、離子束加工）。本文將重點(diǎn)介紹超精密切削、超精密磨削和超精密拋光技術(shù)。

1 我國超精密機(jī)床的發(fā)展情況

西方國家的禁運(yùn)限制使我國對國外超精密機(jī)床的進(jìn)口受到了限制。在1998年，我國的數(shù)控超精密機(jī)床研制成功，西方對我國實(shí)行了開禁政策，我國北京機(jī)床研究所、航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種超精密數(shù)控金剛石機(jī)床，但是在超精密機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域，我們與國外的差距還是非常大的，國產(chǎn)超精密機(jī)床的質(zhì)量水平還有非常大的進(jìn)步空間。我國在多功能和高效專用超精密機(jī)床方面基本上仍是空白。

2 精密磨削和精密研磨技術(shù)的發(fā)展

2.1 精密鏡面磨削技術(shù)的發(fā)展

最近幾年，國外對精密磨削和精密研磨技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)展。日本研制成功了鏡面磨削新工藝，這種新工藝可以對多種不同材料零件的平面、外圓和內(nèi)孔進(jìn)行鏡面磨削的操作。在這種工藝水平下，磨削表面粗糙度可以達(dá)到鏡面水平。根據(jù)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展來看，ELID精密鏡面磨削工藝有著很好的生產(chǎn)應(yīng)用前景。我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)已研究并掌握了這項(xiàng)精密磨削新工藝，這說明我國在這一領(lǐng)域的研究有了突破性的進(jìn)展。

2.2 精密平面研磨技術(shù)的發(fā)展

精密研磨技術(shù)在我國也有著不錯的發(fā)展進(jìn)度，特別是用于制造大規(guī)模集成電路的精研技術(shù)有很大的提高。精密平面研磨技術(shù)對硅基片的質(zhì)量要求是非常嚴(yán)格的，但我國的硅基片的生產(chǎn)都是采用國外引進(jìn)的工藝。我國亟需自主研究開發(fā)硅基片的制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備，這樣會大大促進(jìn)我國精密加工技術(shù)的快速發(fā)展。

3 非球曲面精密加工技術(shù)的進(jìn)展

3.1 非球曲面磨削技術(shù)的發(fā)展

目前，高精度非球曲面和自由曲面的應(yīng)用日趨廣泛，相應(yīng)的加工制造技術(shù)亦發(fā)展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密車床為基礎(chǔ)，結(jié)合ELID鏡面磨削技術(shù)，發(fā)展了加工回轉(zhuǎn)體非球曲面的ELID精密數(shù)控鏡面磨床，以后又發(fā)展了三坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控ELID精密鏡面磨床，可實(shí)現(xiàn)精密自由曲面的鏡面加工?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的超精密數(shù)控金剛石車床一般都帶有磨頭，可用磨頭替代金剛石車刀磨制回轉(zhuǎn)體非球曲面。國外還發(fā)展了多種可用于磨制各種精密自由曲面的多坐標(biāo)數(shù)控磨床。

3.2 精密自由曲面拋光技術(shù)的發(fā)展

高精度自由曲面現(xiàn)在多數(shù)采用拋光工藝作為最終加工工序。目前國外已有多種帶在線測量系統(tǒng)的多坐標(biāo)數(shù)控研磨拋光機(jī)床。加工曲面時，可根據(jù)實(shí)測的鏡片曲面誤差，控制拋光頭的拋光時間和壓力，使曲面拋光工藝實(shí)現(xiàn)了半自動化。

3.3 精密曲面磁流體拋光技術(shù)

國外最近發(fā)展了兩種新型的曲面精密研磨拋光加工方法：①用磁流體進(jìn)行拋光；②用氣囊進(jìn)行拋光。磁流體拋光的原理是采用永久磁鐵或電磁鐵工具將混有磨料的磁流體吸附在工具端部，對工件表面進(jìn)行拋光。電磁鐵工具通電后，磁流體吸附在反射鏡工具的端部進(jìn)行拋光加工，由于磁流體外形可隨工件外形自動變化，因此對磁鐵工具的外形要求不嚴(yán)格，較易加工制造。除可用平面工具吸附磁流體進(jìn)行拋光外，也可采用桿狀工具，一端吸附磁流體，代替立銑刀在多軸數(shù)控聯(lián)動機(jī)床上對自由曲面進(jìn)行拋光。磁流體拋光加工可獲得很高的表面質(zhì)量。

3.4 精密曲面氣囊拋光技術(shù)

氣囊拋光工藝是不久前由英國公司研制成功的一種加工精密曲面的新方法，拋光工具的工作端是外面包有磨料薄膜層的膠皮氣囊，拋光工作時，工具氣囊旋轉(zhuǎn)形成拋光運(yùn)動，工件對氣囊拋光工具作相對進(jìn)給運(yùn)動（一般是工件作三軸聯(lián)動的進(jìn)給運(yùn)動），使工件的全部表面都能被拋光。拋光時，工具氣囊還需同時作擺動（擺動中心為汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜層磨損均勻。由于工具氣囊充氣后具有彈性，可以自動適應(yīng)工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。超精密磨削是超精密加工技術(shù)中能夠兼顧加工精度、表面質(zhì)量和加工效率的加工手段。超精密拋光是利用微細(xì)磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)液、電/磁場等輔助作用下，為獲得光滑或超光滑表面，減少或完全消除加工變質(zhì)層，從而獲得高表面質(zhì)量的加工方法，超精密拋光是目前最主要的終加工手段。拋光過程的材料去除量十分微小，一般在幾微米以下。圖1給出了目前各種典型超精密加工方法的加工精度范圍。

圖1 目前各種超精密加工方法的精度范圍

4 結(jié)語

超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，引領(lǐng)了現(xiàn)代制造科學(xué)的重要發(fā)展方向。以超精密加工技術(shù)為支撐的高性能武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著非常重要的作用。以超精密加工技術(shù)為支撐的三代半導(dǎo)體器件為電子以及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都以超精密加工技術(shù)為支撐。超精密加工應(yīng)用范圍廣泛，從軟金屬到半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等非金屬材料，幾乎所有的材料都可利用超精密加工技術(shù)進(jìn)行加工?，F(xiàn)代機(jī)械工業(yè)致力于提高加工精度的主要原因是：①提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性和可靠性；②促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；③增加零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自動化裝配進(jìn)程。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，超精密加工在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中起著非常重要的作用，而且它對國防、航空航天、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域也有著重要的影響，在當(dāng)今社會，超精密加工應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)發(fā)展的新成果以及計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)，它是一個國家科學(xué)技術(shù)水平和綜合國力的重要標(biāo)志，因此受到各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。

TG66

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1004-7344（2016）12-0274-01

2016-4-10