超精密數(shù)控加工技術(shù)研究進展

劉麗明，李孝元

（武漢工程科技學(xué)院，湖北 武漢 430200）

目前的超精密數(shù)控加工技術(shù)主要分為4個領(lǐng)域：（1）超精密切削；（2）超精密磨削；（3）超精密拋光；（4）超精密非傳統(tǒng)加工（如電子束加工和離子束加工）。本文主要研究超精密切削、磨削和拋光。超精密切削是指使用金剛石等超硬材料制成的刀具，被加工表面的表面粗糙度達到數(shù)納米的切削技術(shù)。超精密切削有各種分支：超精密車削、銑削、鏜孔和復(fù)合加工（如超精密切削與超聲振動的組合）。超精密磨削是利用具有細/超細磨粒的砂輪和高性能磨床，實現(xiàn)材料去除率高、加工精度小于0.1 μm、表面粗糙度小于25nm的加工方法。在各種加工技術(shù)中，超精密磨削保證了加工精度、表面質(zhì)量和效率。超精密拋光是在軟拋光工具、化學(xué)流體或電場/磁場的幫助下，結(jié)合精細磨料的機械和化學(xué)作用，通常用于獲得無/較少表面/亞表面損傷和高表面質(zhì)量的超光滑表面。目前，超精密拋光是實現(xiàn)多個納米級加工精度和亞納米級表面粗糙度的主要加工方法。此外，在超精密拋光過程中去除的材料非常少（在幾個微米以下）。

1 超精密數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超精密數(shù)控加工技術(shù)是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，代表了現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展趨勢，是國防的支撐技術(shù)。在現(xiàn)代科學(xué)研究中，幾乎所有的實驗裝置和儀器都是以超精密數(shù)控加工技術(shù)為支撐的。目前，納米級制造處于該領(lǐng)域研究的前沿，越來越受到發(fā)達國家的關(guān)注。超精密數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，包括金屬（如軟金屬）、硬機械材料（如淬火鋼、不銹鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金），以及硬脆非金屬材料（如半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃）?，F(xiàn)代機械工業(yè)對數(shù)控加工精度的追求主要是由以下目標驅(qū)動的：（1）提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性；（2）推動產(chǎn)品小型化；提高零部件的互換性，提高裝配效率和自動化程度。隨著現(xiàn)代工業(yè)和高科技產(chǎn)品對剛性精度和表面完整性的要求越來越高，超精密數(shù)控加工的研究顯得越來越重要。超精密數(shù)控加工技術(shù)也對其他高科技領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，如核能、國防、航空航天等。超精密數(shù)控加工集機械技術(shù)最新成果集電子、光學(xué)、傳感器、計算機等新技術(shù)于一體，已成為一國經(jīng)濟實力的指標。由于其日益重要的相關(guān)性，這一研究領(lǐng)域已引起許多發(fā)達國家政府的高度重視。因此，一些國家啟動了研究項目，包括2001年由美國實施的國家納米技術(shù)計劃、英國提出的納米技術(shù)跨學(xué)科研究合作（IRC）以及2000年在日本實施的納米技術(shù)支持項目。從宏觀制造業(yè)向微觀制造業(yè)的轉(zhuǎn)變被認為是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。綜上所述，超精密數(shù)控加工技術(shù)不僅處于現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿，也是未來制造技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，中國制造業(yè)產(chǎn)值居世界第四位，約占世界總產(chǎn)值的5%。然而，它的單位能源和物質(zhì)消耗是世界上最高的（4-10倍于發(fā)達國家）。雖然中國有能力生產(chǎn)各種精密產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品仍然有限，產(chǎn)量非常低。這是因為一些關(guān)鍵部件和設(shè)備，如航空發(fā)動機和高檔計算機數(shù)控（CNC）機，仍依賴進口。2002年，中國進口機器價值42億美元，每臺進口精密數(shù)控機床的平均價格為3.3 萬美元。相比之下，中國生產(chǎn)了600萬臺簡單、廉價、低精密的機器，總價值3.8 億美元；一臺機器的平均價格只有60美元，比進口機器的價格低550倍。一些大型精密機器和儀器在中國是被禁止的。此外，中國在超精密數(shù)控加工方面的發(fā)展還遠遠落后于發(fā)達國家，這意味著進口超精密機床的性能普遍優(yōu)于國產(chǎn)機床。換句話說，中國制造業(yè)缺乏核心競爭力，無法支撐中國成為世界制造業(yè)的有力競爭者。因此，必須努力改善我國超精密數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀。

2 國際超精密數(shù)控加工的發(fā)展

2.1 超精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展階段

目前，美國、歐洲和日本在超精密數(shù)控加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。西方國家，特別是美國的研究人員不斷投入巨資，對安裝在大型紫外或x射線望遠鏡上的大口徑反射鏡進行了加工研究。例如，美國宇航局推動的空間發(fā)展項目旨在探測短波信號（波長為0.1 -30.0 nm），這需要孔徑大于1m的精密反射鏡。選用導(dǎo)熱性好的輕質(zhì)碳化硅作為鏡面材料，但其超高硬度顯著增加了加工難度。同時，日本開發(fā)的超精密數(shù)控加工技術(shù)主要集中在民用產(chǎn)品的加工上，如磁盤、辦公設(shè)備的多面鏡、光學(xué)元件的非球面透鏡等。因此，日本在小型和超小型電子和光學(xué)元件的超精密數(shù)控加工方面具有很強的競爭力。目前超精密數(shù)控加工技術(shù)的目標是實現(xiàn)終極加工指標，即輪廓和尺寸精度、表面粗糙度和表面完整性。影響加工精度的幾個因素，如加工機構(gòu)、工件材料、加工設(shè)備和工具、夾具、誤差檢測和補償、加工環(huán)境（如溫度、振動、清潔度）、加工工藝。世界各地的研究人員進行了系統(tǒng)的研究，使這一領(lǐng)域不斷取得進展。

2.2 超精密數(shù)控加工基礎(chǔ)研究的發(fā)展

超精密數(shù)控加工是指每個局部加工點的微變形或材料去除效果的結(jié)合。當硬脆性材料（如陶瓷、單晶硅）表面用硬切削頭開槽時，會出現(xiàn)脆性損傷和大量微裂紋。將材料去除量控制到一定程度，就可以實現(xiàn)僅由塑料開槽造成延性損傷的材料去除過程。雖然在數(shù)控加工過程中可以在韌性區(qū)域獲得光滑的表面，但不能忽視位錯、滑移等亞表面損傷。如果材料去除率可以在分子上進一步控制，當材料去除過程在納米級時，會出現(xiàn)細觀物理現(xiàn)象，如小尺度效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。宏觀切削理論不足以描述數(shù)控加工過程和細觀現(xiàn)象，難以解釋表面生成機理。要進一步研究機械加工過程，必須運用分子動力學(xué)、量子力學(xué)和原子物理學(xué)等現(xiàn)代基礎(chǔ)理論。然后，建立納米級材料去除模型，指導(dǎo)實際超精密車削過程。分子動力學(xué)仿真可以設(shè)置不同的加工參數(shù)、材料屬性和刀具幾何形狀，而不受加工設(shè)備和條件的限制。因此，基于分子動力學(xué)模擬的切削機理研究近年來受到越來越多的關(guān)注。目前在納米級切削過程分子動力學(xué)模擬中出現(xiàn)了一些問題，如分析原子數(shù)量少、模擬材料單一（主要集中于無缺陷的單晶材料，對多晶材料關(guān)注較少）、幾何模擬范圍小，加工表面的力學(xué)性能有限。目前，基于分子動力學(xué)模擬解釋納米級實際切削機理，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較仍是一項艱巨的任務(wù)。在未來的研究中，應(yīng)從微觀力學(xué)的角度考察材料去除機理，建立材料去除和表面生成機理的新理論。

2.3 超精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展

2.3.1 單點金剛石車削

基于靜壓氣體軸承主軸和滑塊、高剛度高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)納米級表面粗糙度。主要切削工具是大片的單晶金剛石，刃口直徑?。s20nm）。最初用于加工由銅制成的平面或非球面，但最終也被用于精密加工亞克力、塑料材料（如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡）、陶瓷等復(fù)合材料。多年后，多點金剛石車削法也得到了發(fā)展。通過微切削可獲得具有較少損傷層的光滑表面。最小切削深度取決于切削刃的半徑。切削刃的半徑越小，最小切削深度就越小。因此，具有納米尺度切削刃的超精密刀具的設(shè)計與制造是驅(qū)動超精密切削技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過微切削可以獲得具有很薄受影響層的光滑表面。在這里，最小厚度取決于圓形切割邊緣半徑的金剛石刀具，這樣切割邊緣半徑越小，最小刀具厚度越小。目前，金剛石微刀具的理論圓角刃口半徑可達3nm。因此，納米尺度切削刃刀具的設(shè)計與制造是實現(xiàn)微切削目標的關(guān)鍵步驟之一。由于金剛石工具車削鋼時磨損嚴重，一些研究嘗試使用立方單晶氮化硼、超細晶粒金屬和陶瓷作為刀具材料。這些研究取得了一些進展，但尚未達到商業(yè)化的水平。在淬火鋼切削時，減少金剛石刀具磨損的一種可能方法是在刀具表面涂覆金剛石涂層。此外，在微電子機械系統(tǒng)組件等微部件的加工中還需要微工具。目前，微工具的尺寸在50～100μm之間，但這些尺寸仍然太大，特別是現(xiàn)在加工幾何形狀正在向亞微米甚至納米水平邁進。利用納米材料（如納米管）制造超小刀具或銑刀的一個趨勢是采用納米材料。因此，刀具材料和微細刀具的制造是未來超精密數(shù)控加工技術(shù)研究的重要課題。

2.3.2 復(fù)雜的表面切割技術(shù)

切削技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工。近年來，隨著離軸、陣列等復(fù)雜非球面的廣泛應(yīng)用，快速伺服（FTS）、慢速伺服（STS）和刀具法向輪廓等新型復(fù)雜非球面切削技術(shù)得到了發(fā)展。在FTS加工過程中，在T型車床上安裝FTS元件，這也表明工件的復(fù)雜表面被分解為旋轉(zhuǎn)對稱表面及其微觀結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)對稱曲面的切削軌跡由X軸和Z軸進給控制。刀具由FTS元件驅(qū)動，它在小范圍內(nèi)以高頻率沿Z軸運動，產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)，該工藝適用于加工表面不連續(xù)或變化劇烈的復(fù)雜非球面。一次加工即可獲得較高的輪廓精度和較低的表面粗糙度值。然而，F(xiàn)TS也存在一些缺陷：主軸不受導(dǎo)伺服控制，位置估計誤差容易造成加工輪廓混亂。STS技術(shù)在T型機床上增加了一個C軸，以實現(xiàn)主軸的精確角位置。同時，直線導(dǎo)軌滑板采用液壓靜壓軸承和直線電機驅(qū)動，提高其運動頻率響應(yīng)。STS控制可通過C軸與滑板相結(jié)合來實現(xiàn)。與FTS相比，STS腦卒中時間更長，但進食速度較慢；因此，后者更適合于非旋轉(zhuǎn)對稱連續(xù)曲面的加工。STS具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、加工精度好、加工周期短等優(yōu)點，但對機床的要求相對較高。具體來說，需要無摩擦、電機和軸承（如靜壓軸承）的低熱量、高分辨率反饋系統(tǒng)和高帶寬位移控制系統(tǒng)。在普通T型機床上增加一個裝有刀架的旋轉(zhuǎn)B軸。在切削時，同時控制X、Z、B軸，并保持刀尖和工件表面法線，使整個非球面一次完成。但刀具圓弧上的切割點需要調(diào)整，使其與B軸的旋轉(zhuǎn)軸一致，這需要較長的時間。此外，用同一圓弧葉片的單點加工會造成嚴重的切削刃磨損。

2.3.3 微細切削和微細結(jié)構(gòu)切削

微切削具有實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)加工、加工靈活性高、工作效率高、加工成本低等優(yōu)點。微結(jié)構(gòu)切削是超精密切削的一個新的研究方向，目前德國和日本在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。通過使用單晶金剛石微銑刀，德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所制造微金字塔形狀棱鏡陣列結(jié)構(gòu)的特征尺寸小于100μm以及微薄壁結(jié)構(gòu)壁厚為1.5 μm和200μm的高度。日本東北大學(xué)利用FTS技術(shù)制作了微正弦網(wǎng)格面，表面輪廓由沿X軸和Y軸的正弦波組成，正弦波波長為300μm。利用金剛石刀具加工微結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。

3 結(jié)論

基于我國的實際情況和發(fā)展趨勢，必須在超精密數(shù)控加工的幾個重要方面進行研究：（1）超精密切削、磨削、拋光的基本理論和工藝；（2）超精密機床關(guān)鍵技術(shù)、精度、動態(tài)特性和熱穩(wěn)定性；（3）超精密數(shù)控加工的精度檢測、在線檢測及誤差補償；（4）超精密數(shù)控加工材料。如果微觀層次的加工生產(chǎn)和應(yīng)用能夠穩(wěn)定和擴大，我國在10-15年內(nèi)有望達到國際先進水平。此外，納米加工技術(shù)和設(shè)備的研究可在國家各項計劃的支持下開展。在以下關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面提出突破：（1）高效、超精密、無損傷加工技術(shù)和裝備；（2）超精密機床的精度和穩(wěn)定性；（3）超精密機床的關(guān)鍵功能部件（如：主軸、導(dǎo)軌、微進給系統(tǒng)、直接驅(qū)動系統(tǒng)）；（4）高效率、超精密工具的設(shè)計與制造（如：無損、無污染工具）。