精密超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1 ? ? ? 超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步不斷發(fā)展

所謂超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)理論，是指在了解并掌握超精密加工過(guò)程的基本規(guī)律和現(xiàn)象的描述后才能駕馭這一過(guò)程，取得預(yù)期結(jié)果。例如上世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者用金剛石車(chē)刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續(xù)切屑的照片，當(dāng)時(shí)認(rèn)為達(dá)到了1nm的切削厚度，已成為世界最高水平，并至今無(wú)人突破（如圖4）。那么超精密切削極限尺度是多少、材料此時(shí)是如何去除的，此外超精密加工工藝系統(tǒng)在力、熱、電、磁、氣等多物理量/

場(chǎng)復(fù)雜耦合下的作用機(jī)理是什么、此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)精度及穩(wěn)定性如何保證等都需要得到新理論的支持。

? ? ? ? ? ? ? ? ?隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始在物理、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，美國(guó)、日本等國(guó)首先應(yīng)用該技術(shù)研究納米級(jí)機(jī)械加工過(guò)程，國(guó)內(nèi)從21世紀(jì)初在一些高校開(kāi)始應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)納米切削及磨削過(guò)程進(jìn)行研究，可描述原子尺寸、瞬態(tài)的切削過(guò)程，在一定程度上反映了材料的微觀去除機(jī)理，但這一切還有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 ? ? ? 被加工材料和工藝方法也在不斷擴(kuò)展

鈦合金是航空最常用的材料之一，氫作為有害雜質(zhì)元素對(duì)鈦合金的使用性能有極其不利的影響，如會(huì)引起鈦合金氫脆、應(yīng)力腐蝕及延遲斷裂等，但是近年來(lái)研究表明通過(guò)合理有效地控制滲氫、相變及除氫等過(guò)程，獲得鈦合金組織結(jié)構(gòu)的變化，從而可以改善其加工性能，提高加工表面質(zhì)量和效率。同樣通常認(rèn)為黑色金屬是無(wú)法利用天然金剛石進(jìn)行超精密切削加工的，多年來(lái)也一直在進(jìn)行各種工藝研究，如利用低溫流體（液氮或二氧化碳）冷卻切削區(qū)進(jìn)行低溫冷卻車(chē)削、采用超聲振動(dòng)切削黑色金屬、采用金剛石涂層刀具等，采用離子滲氮和氣體滲氮工藝對(duì)模具鋼進(jìn)行處理，但上述方法到目前為止還無(wú)法工程化應(yīng)用。近年來(lái)通過(guò)離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能，實(shí)現(xiàn)硅等硬脆材料復(fù)雜形狀的高效超精密切削。

抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展為超精密加工技術(shù)提出了新的發(fā)展方向，超硬材料的精密加工工藝要求控制表層及亞表層的損傷及組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料M50NiL表面處理后硬度超過(guò)了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤(pán)和單晶渦輪葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，要求被加工材料沒(méi)有重融層和變質(zhì)層，從而對(duì)精密加工工藝提出了新要求。隨著導(dǎo)彈馬赫數(shù)的增加，要求頭罩材料的抗耐磨性提高，已從紅外材料向藍(lán)寶石材料頭罩乃至金剛石材料發(fā)展，形狀也從球形向非球面乃至自由曲面發(fā)展，對(duì)超精密加工設(shè)備、工藝及檢測(cè)技術(shù)提出了新的要求。

3 ? ? ? 微納結(jié)構(gòu)功能表面的超精密加工技術(shù)

微結(jié)構(gòu)功能表面具有特定的拓?fù)湫螤睿Y(jié)構(gòu)尺寸一般為10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微結(jié)構(gòu)具有紋理結(jié)構(gòu)規(guī)則、高深寬比、幾何特性確定等特點(diǎn)，如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結(jié)構(gòu)等，這些表面微結(jié)構(gòu)使得元件具有某些特定的功能，可以傳遞材料的物理、化學(xué)性能等，如粘附性、摩擦性、潤(rùn)滑性、耐磨損性，或者具備特定的光學(xué)性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表面加工出微納結(jié)構(gòu)形成功能性表面，不僅可以減小飛行器的風(fēng)阻、摩阻，減小摩擦，還可以避免結(jié)冰層形成，提高空氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)功能，從而達(dá)到增速、增程、降噪等目的，同時(shí)表面特定的微結(jié)構(gòu)特征還能起到隱身功能，增強(qiáng)突防能力。

在民用方面最典型的例子是游泳運(yùn)動(dòng)員的泳衣表面增加了一些微結(jié)構(gòu)，俗稱(chēng)鯊魚(yú)皮泳衣，結(jié)果使運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有了大幅度的提高，使國(guó)際泳聯(lián)不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結(jié)構(gòu)功能表面在光學(xué)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、聚光光伏產(chǎn)業(yè)、交通標(biāo)志標(biāo)牌、照明等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如LCD 顯示器的背光模組的各種光學(xué)膜片，背光模組關(guān)鍵件—導(dǎo)光板、擴(kuò)散板、增光膜等，聚光光伏太陽(yáng)能CPV 系統(tǒng)的菲涅爾透鏡，道路標(biāo)示用微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜片、新一代LED 照明用高效配光結(jié)構(gòu)等。

在未來(lái)零部件設(shè)計(jì)與制造將會(huì)增加一項(xiàng)功能表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造，通過(guò)在零件表面設(shè)計(jì)和加工不同形狀的微結(jié)構(gòu)，從而提高零部件力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、升學(xué)等功能，這將是微納制造的重要應(yīng)用領(lǐng)域，2006年成立的國(guó)際納米制造學(xué)會(huì)經(jīng)專(zhuān)家討論并認(rèn)同，納米制造中的核心技術(shù)將從目前以MEMS技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向超精密加工技術(shù)。

4 ? ? ? 超精密加工開(kāi)始追求高效

超精密加工技術(shù)從發(fā)展之初是為了保證一些關(guān)鍵零部件的最終精度，所以當(dāng)初并不是以加工效率為目標(biāo)，更多關(guān)注的是精度和表面質(zhì)量，例如一些光學(xué)元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進(jìn)一步加工增大和數(shù)量的增多，目前對(duì)超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察天體范圍和清晰度，需不斷加大天文望遠(yuǎn)鏡的口徑，這就同樣存在天文版的摩爾定律，即每隔若干年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑增大一倍，如建于1917年位于美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的Hooker望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.5m，是當(dāng)年全世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡；到1948年被Hale望遠(yuǎn)鏡取代，其口徑達(dá)到了5m；1992年新建成的Keck望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)到了10m，目前仍在發(fā)揮著巨大的作用。目前正在計(jì)劃制造的巨大天文望遠(yuǎn)鏡OWL主鏡口徑達(dá)到100m，由3048塊六邊形球面反射鏡組成，次鏡由216塊六邊形平面反射鏡組成，總重約1~1.5萬(wàn)t，按照目前現(xiàn)有的加工工藝，可能需要上百年的時(shí)間才能完成。此外，激光核聚變點(diǎn)火裝置（NIF）需要7000多塊400mm見(jiàn)方的KDP晶體，如果沒(méi)有高效超精密加工工藝，加工時(shí)間也無(wú)法想象。為此需要不斷開(kāi)發(fā)新的超精密加工設(shè)備和超精密加工工藝來(lái)滿足高效超精密加工的需求。

5 ? ? ? 超精密加工技術(shù)將向極致方向發(fā)展

隨著科技的進(jìn)步，對(duì)超精密加工技術(shù)已經(jīng)提出了新的要求，如要求極大零件的極高精度、極小零件及特征的極高精度、極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度、極復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極高精度等。

歐洲南方天文臺(tái)正在研制的超大天文望遠(yuǎn)鏡VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃，經(jīng)過(guò)減重后重量仍然達(dá)到了21t。法國(guó)REOSC公司負(fù)責(zé)加工，采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝，加工周期為8~9個(gè)月，最終滿足了設(shè)計(jì)要求，目前許多新的超精密加工工藝如應(yīng)力盤(pán)拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現(xiàn)為大鏡加工提供了技術(shù)支撐。前面提到的微納結(jié)構(gòu)功能表面結(jié)構(gòu)尺寸小到幾個(gè)微米，如微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺寸精度卻要求±1μm。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局研制的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（分子測(cè)量機(jī)）是實(shí)現(xiàn)如何在極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度測(cè)量的典型例子，該儀器測(cè)量范圍50mm×50mm×100μm，精度達(dá)到了1nm，對(duì)環(huán)境要求及其嚴(yán)格，最內(nèi)層殼溫度控制17±0.01℃，次層殼采用主動(dòng)隔振，高真空層工作環(huán)境保持1.0×10-5Pa，最外層殼用于噪聲隔離，最后將整體結(jié)構(gòu)安裝在空氣彈簧上進(jìn)行被動(dòng)隔振。自由曲面光學(xué)曲面精度要求高、形狀復(fù)雜，有的甚至無(wú)法用方程表示（如賦值曲面），但由于其具有卓越的光學(xué)性能近年來(lái)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但自由曲面光學(xué)零件的設(shè)計(jì)、制造及檢測(cè)等技術(shù)還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

6 ? ? ? 超精密加工技術(shù)將向超精密制造技術(shù)發(fā)展

超精密加工技術(shù)以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個(gè)工序中，但目前一些領(lǐng)域中某些零部件整個(gè)制造過(guò)程或整個(gè)產(chǎn)品的研制過(guò)程都要用到超精密技術(shù)，包括超精密加工加工、超精密裝配調(diào)試以及超精密檢測(cè)等，最典型的例子就是美國(guó)的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）。

為了解決人類(lèi)的能源危機(jī)，各國(guó)都在研究新的能源技術(shù)，其中利用氘、氚的聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大能源可供利用，而且不產(chǎn)生任何放射性污染，這就是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火工程。我國(guó)也開(kāi)始了這方面的研究，被稱(chēng)為神光工程。NIF整個(gè)系統(tǒng)約有2個(gè)足球場(chǎng)大小，共有192束強(qiáng)激光進(jìn)入直徑10m的靶室，最終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數(shù)量極多（7000多片），精度和表面粗糙度極高（否則強(qiáng)激光會(huì)燒毀鏡片），傳輸路徑調(diào)試安裝精度要求極高，工作環(huán)境控制要求極高。對(duì)于直徑為2mm的靶丸，壁厚僅為160μm，其中充氣小孔的直徑為5μm，帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困難在于其深徑比大、變截面，可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝，或采用原子力顯微鏡進(jìn)行超精密加工。系統(tǒng)各路激光的空間幾何位置對(duì)稱(chēng)性誤差要求小于1%、激光到達(dá)表面時(shí)間一致性誤差小于30fs、激光能量強(qiáng)度一致性誤差小于1%等。如此復(fù)雜高精度的系統(tǒng)無(wú)論從組成的零部件加工及裝配調(diào)試過(guò)程時(shí)刻都體現(xiàn)了超精密制造技術(shù)。場(chǎng)復(fù)雜耦合下的作用機(jī)理是什么、此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)精度及穩(wěn)定性如何保證等都需要得到新理論的支持。