淺論超精密加工快速發(fā)展的必要性及發(fā)展方向

李 婷，謝明軍，杜萬(wàn)中

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，陜西 榆林 719000)

裝備制造業(yè)是一國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)；為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各行、各業(yè)提供技術(shù)裝備的產(chǎn)業(yè)。其關(guān)聯(lián)度較高、市場(chǎng)需求量較大、資本技術(shù)更為密集，裝備制造業(yè)的水平代表著一國(guó)的科技水平，創(chuàng)新能力以及工業(yè)實(shí)力。

自從我國(guó)將“裝備制造業(yè)”列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略以來，其制造技術(shù)水平已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是很多大型軍用、民用裝備的制造水平已躍居世界前列，但我國(guó)制造業(yè)總體水平相比于歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，差距的關(guān)鍵就在于我國(guó)的超精密加工技術(shù)水平還不夠先進(jìn)。

超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)；也是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的發(fā)展方向；更是現(xiàn)代國(guó)防和戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)榈惨栽囼?yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，其試驗(yàn)所需的儀器、儀表和設(shè)備都需要超精密加工技術(shù)來加工制造。因此要想使得我國(guó)在未來世界發(fā)展的舞臺(tái)中占有舉足輕重的地位，進(jìn)一步提升超精密加工技術(shù)的發(fā)展速度已迫在眉睫。

1 超精密加工快速發(fā)展的必要性

1.1 超精密加工是一國(guó)制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一

超精密加工技術(shù)主要體現(xiàn)在高精密儀器，設(shè)備上被加工零部件的尺寸、形狀、位置精度以及表面粗糙度等方面。為了滿足航空、航天、航海，激光、核能以及大規(guī)模集成電路等尖端技術(shù)的發(fā)展，超精密加工技術(shù)從20世紀(jì)50年代末60年初就已開始發(fā)展。如美國(guó)首先研發(fā)出了單點(diǎn)金剛石切削(Single Point Diamond Turning，簡(jiǎn)稱SPDT)技術(shù)，即"微英寸技術(shù)"，航天載人飛船所用的球面、非球面大型零件，導(dǎo)彈頭罩以及激光核聚變反應(yīng)的反射鏡等都得使用超精密加工技術(shù)進(jìn)行加工。超精密加工技術(shù)發(fā)展到20世紀(jì)80年代初，其加工精度可達(dá)10 nm(1 nm=1×10-8m)，表面粗糙度可達(dá)1 nm，目前超精密加工技術(shù)正在向微納米級(jí)的方向發(fā)展。超精密加工技術(shù)是集多門學(xué)科發(fā)展的一門綜合技術(shù)，除了涉及機(jī)械加工新技術(shù)外，還包括材料、測(cè)量、傳感、光學(xué)、現(xiàn)代電子，計(jì)算機(jī)等諸多高新技術(shù)。因此超精密加工技術(shù)是一國(guó)制造業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。

1.2 超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵

先進(jìn)制造技術(shù)(AMT)其實(shí)就是指電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來的各種變化并組成新的制造系統(tǒng)。具體就是機(jī)械工程、電子工程、自動(dòng)化控制工程，網(wǎng)絡(luò)信息工程等集多種工程為一體所產(chǎn)生的新技術(shù)、新設(shè)備和新系統(tǒng)的總稱。主要包含：CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAE(計(jì)算機(jī)輔助分析)、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))以及CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)等工程；是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、生產(chǎn)管理、銷售、使用和回收等產(chǎn)品全壽命技術(shù)過程的總稱。如電火花加工、激光加工、電子束加工等特種加工；生產(chǎn)線的自動(dòng)控制、加工、檢測(cè)、裝配；機(jī)器人、3D打印、飛機(jī)制造、汽車制造、城市軌道交通設(shè)備、三航裝備以及新能源設(shè)備等都是當(dāng)前先進(jìn)裝備制造技術(shù)所涉及的行業(yè)和領(lǐng)域。而這些領(lǐng)域都離不開超精密加工技術(shù)；再比如美國(guó)提出的汽車制造業(yè)“2 mm工程”使其汽車的質(zhì)量和整體性能趕上了歐洲和日本的水平。因此超精密加工技術(shù)是先進(jìn)裝備制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1.3 超精密加工是我國(guó)國(guó)防工業(yè)快速發(fā)展的需求

現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭(zhēng)和防御靠的是先進(jìn)的通訊、控制以及武器裝備技術(shù)等，而先進(jìn)的武器、通訊、控制等設(shè)備的生產(chǎn)、加工均離不開超精密加工。如20世紀(jì)60年代初還沒有解決須使用脆性材料制造的陀螺儀的腔體和反射鏡的高精度加工，導(dǎo)致美國(guó)當(dāng)時(shí)研制的激光陀螺儀在飛機(jī)上延遲使用20年；再如導(dǎo)彈頭罩等關(guān)鍵元器件的加工精度直接影響其命中率；再如飛控系統(tǒng)中液壓零部件的加工精度對(duì)飛機(jī)的壽命、維修以及可靠性都起至關(guān)重要的作用。以上這些問題的解決均離不開超精密加工技術(shù)，因此超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代化國(guó)防和戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，它在現(xiàn)代化國(guó)防建設(shè)中起著至關(guān)重要的技術(shù)作用。

1.4 超精密加工是我國(guó)信息產(chǎn)品快速發(fā)展的需求

因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步不光取決于其軟件功能更取決于其硬件性能，如計(jì)算機(jī)集成電路的芯片、磁板基片、光盤基片以及半導(dǎo)體晶片等；再如噴墨打印機(jī)的噴墨頭，復(fù)印機(jī)的磁頭、感光鼓，激光打印機(jī)的多面體等。而以上這些硬件質(zhì)量和性能的提升都離不開對(duì)其制造精度的提高，即就是對(duì)其進(jìn)行超精密加工。目前我國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)零部件、元器件的加工精度與美、日、韓等國(guó)相比還存在一定的差距，其超精密加工技術(shù)水平在一定程度上約束著我國(guó)計(jì)算機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展，因此我國(guó)信息產(chǎn)品的快速崛起亟需超精密加工技術(shù)。

1.5 超精密加工是我國(guó)民用產(chǎn)品快速發(fā)展的需求

超精密加工能使我國(guó)民用機(jī)電產(chǎn)品的使用壽命和可靠性，使用性能和質(zhì)量得到大幅度的提升。若要提高汽車、工程機(jī)械等裝備發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率，并降低其油耗，就必須提高其活塞和汽缸的加工和裝配精度；若要提高電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、廚具油煙機(jī)等家電產(chǎn)品的使用壽命，并要減少其振動(dòng)和噪聲，就必須首先提高其滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和滾道的加工精度；若要提高攝像機(jī)、照相機(jī)等光電產(chǎn)品提高的錄像、成像效果，就得提高其光學(xué)透鏡的加工精度，這些都需要靠超精密加工技術(shù)來完成。因此要想快速提升我國(guó)民用機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須更加重視其超精密加工技術(shù)的發(fā)展。

2 超精密加工未來發(fā)展的趨勢(shì)

目前超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下七個(gè)方面：

1)向精密化方向發(fā)展

超精密加工技術(shù)的關(guān)鍵是提高對(duì)被加工件的尺寸、形狀、位置精度以及表面粗糙度的要求。

超精密加工主要包括切削加工和特種加工兩大類：超精密切削加工(主要有研磨、鏡面磨削，精車等)就是指在車床上用精細(xì)研磨后的單晶金剛石車刀對(duì)被加工零件進(jìn)行微量車削加工，其精車切削加工厚度可達(dá)1 μm，超精密切削常用來加工用有色金屬制造的平面、球面以及非球面反射鏡等表面光潔度要求較高的零件。如核聚變裝置用的直徑為800 mm非球面反射鏡的加工，其加工精度可達(dá)0.1 μm，表面粗糙度可達(dá)Rz0.05 μm。當(dāng)加工精度要求nm級(jí)時(shí)，需采用超精密特種加工。如大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路板的制造，其加工精度可達(dá)0.01 μm。因此要想更大程度的提高我國(guó)裝備的質(zhì)量、性能以及可靠性，超精密加工向精密化方向發(fā)展是必走之路。

2)向智能化方向發(fā)展

智能制造就是指由專家和智能機(jī)器組成的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)能夠在零部件加工制造過程中進(jìn)行構(gòu)思、推理、分析、判斷和決策等，通過專家與智能機(jī)器的協(xié)調(diào)合作，來取代人在零件加工制造過程中的部分腦力勞動(dòng)[1]。因此作為加工制造業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的超精密加工，向智能化方向發(fā)展是其必然趨勢(shì)。

3)向自動(dòng)化方向發(fā)展

從20世紀(jì)初開始，制造業(yè)自動(dòng)化技術(shù)由剛性自動(dòng)化逐步向柔性自動(dòng)化方向發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)在制造業(yè)中的快速發(fā)展，不但很好的保證了被加工產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，而且有效地提高了其生產(chǎn)效率，而且很多不適合人去操作的高危工作都逐漸由自動(dòng)化設(shè)備取代。如現(xiàn)代化礦井，其井下采煤工作正在向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。再如不適合加工技術(shù)操作人員長(zhǎng)期接近的電火花加工等，其自動(dòng)化程度就更為重要。因此作為制造業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的超精密加工，向自動(dòng)化程度越高的方向發(fā)展就顯得更為重要。

4)向高效化方向發(fā)展

現(xiàn)代加工制造技術(shù)要求，不僅要保證被加工零件精度，還要大幅提高其生產(chǎn)效率。如通訊電子產(chǎn)品、家電用品、電器元件、高精密儀器儀表等的加工。該類產(chǎn)品都屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，要提高其生產(chǎn)效率縮短非加工的輔助時(shí)間(如工件的裝夾、定位時(shí)間，編程時(shí)間等)就顯得尤為重要，同時(shí)又要保證被加工件的表面粗糙度，而此類產(chǎn)品的加工主要靠超精密加工來完成，因此超精密加工技術(shù)必須向高效化方向發(fā)展[2]。

5)向信息化方向發(fā)展

加工制造的本質(zhì)就是對(duì)表述產(chǎn)品各種加工制造信息的采集、組合，輸入和處理的過程。最終加工制造出的產(chǎn)品實(shí)際上就是產(chǎn)品各種加工信息的物質(zhì)表現(xiàn)。在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，可以認(rèn)為信息技術(shù)就是制造業(yè)中的一種產(chǎn)業(yè)，若加工信息能在制造業(yè)中最真實(shí)的反映到產(chǎn)品品質(zhì)上來，產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、壽命以及使用的可靠性才能得到很好的保障，加工信息的作用越來越重要，它在很大程度上決定產(chǎn)品成本的投入。因此超精密加工作為現(xiàn)代加工技術(shù)的主流，更應(yīng)向信息化方向發(fā)展。

6)向柔性化方向發(fā)展

所謂柔性化生產(chǎn)是指依靠以計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床為主的制造設(shè)備來進(jìn)行大批量、多品種的生產(chǎn)方式。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步和人類社會(huì)生活水平的日益提高，人們?nèi)粘Ｉ钏褂玫母鞣N機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷在加快，這就要求現(xiàn)代加工制造企業(yè)必須具備不錯(cuò)的柔性生產(chǎn)能力來滿足產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。而超精密加工技術(shù)更是生產(chǎn)人們?nèi)粘Ｓ闷返闹髁骷夹g(shù)，更應(yīng)該快速地向柔性化方向發(fā)展[3]。

7)向集成化方向發(fā)展

制造業(yè)的集成就是將原來多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單一制造模塊集成一個(gè)加工制造能相互協(xié)調(diào)，功能和用途更為強(qiáng)大的新的制造系統(tǒng)。制造業(yè)集成首先通過頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，然后分析其原單一制造模塊的功用和相互關(guān)系并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化重組[4]。集成化是未來加工制造業(yè)的主要生產(chǎn)方式，因此超精密加工更應(yīng)盡快向集成化方向發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

超精密加工技術(shù)自50年代開始，已有近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程。在我國(guó)現(xiàn)代裝備制造業(yè)中，各類武器裝備、機(jī)械設(shè)備以及機(jī)電產(chǎn)品使用的性能、質(zhì)量、壽命以及可靠性的提升，都離不開超精密加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高新技術(shù)的過程中起著至關(guān)重要的作用；在未來國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)十分重要的地位。而且隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和發(fā)展，以及新材料、新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)、將會(huì)對(duì)超精密加工技術(shù)提出更高的要求。

文章從五個(gè)方面論述了加快我國(guó)超精密加工技術(shù)快速發(fā)展的必要性，七個(gè)方面闡述了未來超精密加工技術(shù)發(fā)展的方向。隨著我國(guó)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷調(diào)整、相應(yīng)制度和措施的不斷完善，同時(shí)在全體制造業(yè)科研、技術(shù)人員的共同努力下，相信我國(guó)制造業(yè)的超精密加工技術(shù)會(huì)快速、健康地向正確方向發(fā)展。