機械制造技術(shù)從提高精度與生產(chǎn)率兩個方面同時迅速發(fā)展起來。在提高生產(chǎn)率方面，提高自動化程度是各國致力發(fā)展的方向蕊肥，近年來，從C N C到C I M S發(fā)展迅速蛤肌，并且在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用壁却。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工裸准，這也是世界各主要發(fā)達(dá)國家致力發(fā)展的方向展东。其精度從微米到亞微米，乃至納米炒俱，其應(yīng)用范圍日趨廣泛盐肃，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。如激光核聚變系統(tǒng)没靖、超大規(guī)模集成電路锚倦、高密度磁盤、精密雷達(dá)驱宴、導(dǎo)彈火控系統(tǒng)任咨、慣導(dǎo)級陀螺、精密機床身州、精密儀器雁巾、錄象機磁頭躬摆、復(fù)印機磁鼓值港、煤氣灶轉(zhuǎn)閥等都要采用超精密加工技術(shù)。

　　它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)绕鸯，超精密加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機械阵厨、液壓、電子鹃壤、半導(dǎo)體惫谤、光學(xué)、傳感器和測量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展珠洗。

　　1超精密加工技術(shù)概述

　　超精密加工目前就其質(zhì)來說是要實現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達(dá)不到的高精度加工溜歪，就其量來說是要加工出亞微米乃至毫微米級的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要視零件大小许蓖、復(fù)雜程度以及是否容易變形等因素而定蝴猪。

　　超精密加工主要包括超精密切削(車、銑)超精密磨削膊爪、超精密研磨

　　(機械研磨自阱、機械化學(xué)研磨、研拋米酬、非接觸式浮動研磨沛豌、彈性發(fā)射加工等)以及超精密特種加工(電子束、離子束以及激光束加工等)赃额。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達(dá)不到的尺寸精度加派、形狀精度和表面質(zhì)量。每種超精密加工方法都是針對不同零件的要求而選擇的跳芳。

　　1.1超精密切削加工

　　超精密切削加工的特點是采用金剛石刀具掩纺。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度碟姓、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越炼注，且能刃磨得非常鋒利(刃口圓弧半徑可小于ρ0.01μm，實際應(yīng)用一般ρ0易传，05μm)可加工出優(yōu)于Ra0.01μm的表面粗糙度方数。此外，超精密切削加工還采用了高精度的基礎(chǔ)元部件(如空氣軸承臭赃、氣浮導(dǎo)軌等)询烤、高精度的定位檢測元件(如光柵、激光檢測系統(tǒng)等)以及高分辨率的微量進(jìn)給機構(gòu)尽舱。機床本身采取恒溫旷酗、防振以及隔振等措施，還要有防止污染工件的裝置元炭。機床必須安裝在潔凈室內(nèi)星嗜。進(jìn)行超精密切削加工的零件材料必須質(zhì)地均勻掷情，沒有缺陷。在這種情況下加工無氧銅瘩将，表面粗糙度可達(dá)到Ba0.005μm吟税，加工φ800mm的非球面透鏡，形狀精度可達(dá)0.2／μm姿现。超精密加工技術(shù)在航空航天肠仪、光學(xué)及民用等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛(見表1)并向更高精度等方向發(fā)展(見表2)。

　　1.2超精密磨削

　　超精密磨削技術(shù)是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的备典。超精密磨削不僅要提供鏡面級的表面粗糙度异旧，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。為此提佣，除要考慮各種工藝因素外泽艘，還必須有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基準(zhǔn)部件镐依，消除各種動態(tài)誤差的影響匹涮，并采取高精度檢測手段和補償手段。

　　目前超精密磨削的加工對象主要是玻璃槐壳、陶瓷等硬脆材料然低，磨削加工的目標(biāo)是范成3—5nm的平滑表面，也就是通過磨削加工而不需拋光即可達(dá)到要求的表面粗糙度课妙。作為納米級磨削加工拘挖，要求機床具有高精度及高剛度，脆性材料可進(jìn)行可延性磨削(Ductile Grinding)翎钳。納米磨削技術(shù)對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機挑画，特別是對要求高疲勞強度材料(如飛機的噴氣發(fā)動機渦輪用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技術(shù)鸣丝。

　　此外猎肄，砂輪的修整技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。盡管磨削比研磨更能有效地去除

　　物質(zhì)瘪巡，但在磨削玻璃或陶瓷時很難獲得鏡面欠住，主要是由于砂輪粒度太細(xì)時，砂輪表面容易被切屑堵塞佳珊。日本理化學(xué)研究所學(xué)者大森整博士發(fā)明的電解在線修整(ELID)鑄鐵纖維結(jié)合劑(CIFB)砂輪技術(shù)可以很好地解決這個問題揉民。

　　當(dāng)前的超精密磨削技術(shù)能加工出0.0 1μm圓度，O.1μm尺寸精度和Ra0.005μm粗糙度的圓柱形零件听公，平面超精密磨削能加工出0.03μm／100mm的平面鼎嫉。

　　1.3超精密研磨

　　超精密研磨包括機械研磨、化學(xué)機械研磨周伦、浮動研磨夕春、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法未荒。超精密研磨加工出的球面不球度達(dá)0.025ttm，表面粗糙度達(dá)RaO.003μm撇他。利用彈性發(fā)射加工可加工出無變質(zhì)層的鏡面茄猫，粗糙度可達(dá)5A狈蚤。最高精度的超精密研磨可加工出平面度為λ／200的零件困肩。超精密研磨的的關(guān)鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制脆侮、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑锌畸。此外高精度檢測方法也比不可少。

　　1.4超精密特種加工

　　1.4.1電子束加工

　　離子束加工是指在真空中將陰極(電子槍)不斷發(fā)射出來的負(fù)電子向正極加速靖避，并聚焦成極細(xì)的潭枣、能量密度極高的束流，高速運動的電子撞擊到工件表面幻捏，動能轉(zhuǎn)化為勢能盆犁，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走故弟≌禾冢控制電子束的強弱和偏轉(zhuǎn)方向，配合工作臺X Y方向的數(shù)控位移又蝌，可實現(xiàn)打孔鸟焊、成型切割、刻蝕场致、光刻曝光等工藝藕龄。集成電路制造中廣泛采用波長比可見光短得多的電子束光刻曝光，所以可以達(dá)到高達(dá)O.25μm的線條圖形分辨串籍投。

　　1.4.2離子束加工

　　在真空將離子源產(chǎn)生的離子加速削蕊、聚焦使之撞擊工件表面。由于離子是帶正電荷且質(zhì)量比電子大數(shù)千萬倍圣烤，加速以后可以獲得更大的動能豫鲁，它是靠微觀的機械撞擊能量而不是靠動能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的，可用于表面刻蝕共胎、超凈清洗凛未，實現(xiàn)原子、分子級的切削加工轧葛。

　　1.4.3激光束加工

　　由激光發(fā)生器將高能量密度的激光進(jìn)一步聚焦后照.射到工件表面搂抒，光能被吸收瞬時轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)能量密度的高低尿扯，可實現(xiàn)打孔求晶、精密切割焰雕、加工精微防偽標(biāo)志等。

　　1.4.4微細(xì)電火花加工

　　電火花加工是指在絕緣的工作液中通過工具電極和工件間脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時局部高溫來熔化和氣化去除金屬的芳杏。加工過程中工具與工件間沒有宏觀的切削力矩屁，只要精密地控制單個脈沖放電能量并配合精密微量進(jìn)給就可實現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除，可加工微細(xì)軸爵赵、孔吝秕、窄縫、平面以及曲面等空幻。

　　1.4.5微細(xì)電解加工

　　導(dǎo)電的工作液中水離解為氫離子和氫氧根離子烁峭，工件作為陽極，其表面的金屬原子成為金屬正離子溶入電解液而被逐層地電解下來秕铛，隨后即與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)形成金屬氫氧化物沉淀挤毯，而工件陰極并不損耗，加工過程中工具與工件間也不存在宏觀的切削力讯完，只要精細(xì)地控制電流密度和電解部位两漫，就可實現(xiàn)納米級精度的電解加工，而且表面不會加工應(yīng)力于扳。常用于鏡面拋光宅集、精密減薄以及一些需要無應(yīng)力加工的場合。

　　1.4.6復(fù)合加工

　　復(fù)合加工是指采用幾種不同能量形式祷濒、幾種不同的工藝方法盒咪，互相取長補短、復(fù)合作用的加工技術(shù)勘春，例如電解研磨瘟麻、超聲電解加工、超聲電解研磨刹埋、超聲電火花钮咱、超聲切削加工等，可比單一加工方法更有效这敬，適用范圍更廣航夺。

　　2納米技術(shù)(Nanotechnology)

　　2.1概述

　　隨著生物、環(huán)境控制崔涂、醫(yī)學(xué)阳掐、航空、航天冷蚂、精確制導(dǎo)彈藥缭保、靈巧武器、先進(jìn)情報傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷發(fā)展蝙茶，在結(jié)構(gòu)裝置微小型化方面不斷提出更新艺骂、更高的要求诸老。目前，納米技術(shù)發(fā)展十分迅猛钳恕，它使人類在改造自然方面進(jìn)入一個新的層次别伏。它將開發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)能力，使單位體積物質(zhì)存儲和處理信息的能力實現(xiàn)質(zhì)的飛躍忧额，從而給國民經(jīng)濟和軍事能力帶來深遠(yuǎn)的影響厘肮。

　　納米技術(shù)是指納米級(＜10納米)的材料、設(shè)計佛雀、制造闺酬、測量和控制技術(shù)哟口。隨著納米技術(shù)的發(fā)展逃净。開創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)棠雌、納米生物學(xué)萨羽、納米機械學(xué)、納米制造學(xué)旬城、納米顯微學(xué)及納米測量等等新的高技術(shù)群钙径。納米技術(shù)是面向21世紀(jì)的一項重要技術(shù)，有著廣闊的軍民兩用前景卒赖。美國踊嘲、日本及西歐等國家均投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)睡清，并己在航空疏菩、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng)用刨仑。

　　2.1.1微型機電系統(tǒng)( microelectron—mechanical systems郑诺，MEMS)

　　10年前，人們意識到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機械系統(tǒng)的微米尺度的樣機后杉武，就在小型機械制造領(lǐng)域開始了新的研究辙诞，這導(dǎo)致了微型機電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以及各種閥門等轻抱。

　　MEMS主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)飞涂、電于工業(yè)和航空、航天祈搜。如用靜電驅(qū)動的微型電機控制計算機及通訊系統(tǒng)较店。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中夭问，微型傳感器可以測量各種化學(xué)物質(zhì)的流量泽西、壓力和濃度曹铃。在軍事主要有以下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報警傳感器、敵我識別捧杉、靈巧蒙皮陕见、分布式戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)、微機器人電子失能系統(tǒng)募型、昆蟲平臺等應(yīng)用指晾。

　　2.1.2專用集成微型儀器( application specific integrated micro-instrument，ASIM)

　　微型工程包括具有毫米哀揽、微米理斜、納米尺度結(jié)構(gòu)的傳感器和動作器的設(shè)計、材料合成睬肮、微型機械加工伐薯、裝配、總成和封裝問題匣诉。利用這項技術(shù)可以把傳感器诡岂、動作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的基片上。微型機電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成曾瞪，導(dǎo)致了專用集成微型儀器(ASIM)的出現(xiàn)登鄙。

　　具有亞微米特點的ASIM會使亞毫米器件降低研制與試驗費用、縮小體積掰儿、減輕重量骤公，同時還可以降低對電源和溫控的要求，降低對振動的靈敏性和通過冗余提高可靠性扬跋。ASIM將在航天器和航天.系統(tǒng)技術(shù)方面引起一場革命阶捆，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實現(xiàn)“納米衛(wèi)星”胁住。

　　2.1.3材料工程及功能織物

　　在材料工程方面趁猴，已經(jīng)能夠做到設(shè)計與控制一種材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得所要求的宏觀性能彪见。因此儡司，對于材料的分子、原子結(jié)構(gòu)余指，以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測試捕犬，以成為當(dāng)今材料工程中不可缺少的技術(shù)。

　　利用納米粒子的催化特性酵镜、極大的化學(xué)活性碉碉、極大的表面積、優(yōu)異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品垢粮，如抗紫外線淫蜕、抗可見光、抗紅外線抬奠、抗電磁等的功能織物肩检。

　　此外，納米技術(shù)在微電子工程蚓绞、生物遺傳工程泉疆、微機械光學(xué)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　2.2納米加工技術(shù)

　　正如制造技術(shù)在當(dāng)今各領(lǐng)域所起的重要作用一樣雌吱，納米加工技術(shù)在納米技術(shù)的各領(lǐng)域中也起著關(guān)鍵作用滑攘。納米加工技術(shù)包含機械加工、化學(xué)腐蝕盼蝴、能量束加工以及STM加工等許多方法超璧。關(guān)于納米加工技術(shù)目前還沒有一個統(tǒng)一的定義，尺寸為納米級(＜10納米)的材料的加工和使用稱為納米加工噪芭。加工表面粗糙度為納米級的也稱為納米加工涝露。筆者認(rèn)為所謂納米加工技術(shù)是指零件加工的尺寸精度港遇、形狀精度以及表面粗糙度均為納米級(＜10納米)楞艾。通過以下加工技術(shù)可以實現(xiàn)納米級加工。

　　2.2.1超精密機械加工技術(shù)

　　超精密機械加工方法有單點金剛石和CBN超精密切削龄广、金剛石和CBN超精密磨削等多點磨料加工硫眯，以及研磨、拋光择同、彈性發(fā)射加工等自由磨料加工或機械化學(xué)復(fù)合加工等两入。

　　目前利用單點金剛石超精密切削加工已在實驗室得到了3納米的切屑，利用可延性磨削技術(shù)也實現(xiàn)了納米級磨削敲才，而通過彈性發(fā)射加工等工藝則可以實現(xiàn)亞納米級的去除裹纳，得到埃級的表面粗糙度。

　　2.2.2能量束加工技術(shù)

　　能量束加工可以對被加工對象進(jìn)行除紧武、添加和表面處理等工藝剃氧，主要包括離子束加工、電子束加工和光束加工等阻星，此外電解射流加工朋鞍、電火花加工、電化學(xué)加工妥箕、分子束外延滥酥、物理和化學(xué)氣相淀積等也屬于能量束加工。

　　離子束加工濺射去除、沉淀和表面處理棍丽，離子束輔助蝕刻亦是用于納米級加工的研究開發(fā)方向田蝠。與固體工具切削加工相比，離子束加工的位置和加工速率難以確定慈翔，為取得納米級的加工精度耙侵，需要亞納米級檢測系統(tǒng)與加工位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電子束加工是以熱能的形式去除穿透層表面的原子耽坤，可以進(jìn)行刻蝕宝庵、光刻曝光、焊接瘸酒、微米和納米級鉆削和銑削加工等植碳。

　　2.2.3 LIGA技術(shù)( Lithographie，Galvanoformung钙幼，Abformung)

　　LIGA工藝是由深層同步輻射X射線光刻雳唧、電鑄成型、塑鑄成型等技術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)仿村，其最基本和最核心的工藝是深度同步輻射光刻锐朴，而電鑄和塑鑄工藝是LIGA產(chǎn)品實用化的關(guān)按。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相比蔼囊，LIGA技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點焚志，主要有：

　　(1)用材廣泛，可以是金屬及其合金畏鼓、陶瓷酱酬、聚合物、玻璃等云矫。

　　(2)可以制作高度達(dá)數(shù)百微米至一千微米膳沽，高度比大于200的三維立體微結(jié)構(gòu)。

　　(3)橫向尺寸可以小到O.5μm让禀，加工精度可達(dá)0.1μm

　　(4)可實現(xiàn)大批量復(fù)制挑社、生產(chǎn)，成本低巡揍。

　　用LIGA技術(shù)可以制作各種微器件痛阻、微裝置，己研制成功或正在研制的LIGA產(chǎn)品有微傳感器怒忧、微電機拿翠、微機械零件、集成光學(xué)和微光學(xué)元件村围、微波元件允合、真空電子元件段鲜、微型醫(yī)療器械、納米技術(shù)元件及系統(tǒng)等泌盒。LIGA產(chǎn)品的應(yīng)用涉及面廣泛潦寂，如加工技術(shù)、測量技術(shù)筛密、自動化技術(shù)捡路、汽車及交通技術(shù)、電力及能源技術(shù)鸭乱、航空及航天技術(shù)悍蔫、紡織技術(shù)、精密工程及光學(xué)橱奶、微電子學(xué)盯桦、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和化學(xué)工程等渤刃。

　　2.2.4掃描隧道顯微鏡( STM)技術(shù)

　　C.binning和H.Robrer發(fā)明的掃描隧道顯微鏡不但使人們可以以單個原子的分辨率觀測物體的表面結(jié)構(gòu)拥峦，而且也為以單個原子為單位的納米級加工提供了理想途徑。應(yīng)用掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以進(jìn)行原于級操作卖子、裝配和改型略号。S T M將非常尖銳的金屬針接近試件表面至1nm左右，施加電壓時隧道電流產(chǎn)生洋闽，隧道電流每隔0.1nm變化一個數(shù)量級玄柠。保持電流一定掃描試件表面，即可分辨出表面結(jié)構(gòu)喊递。一般隧道電流通過探針尖端的一個原子随闪，因而其橫向分辨率為原于級。

　　掃描隧道顯微加工技術(shù)不僅可以進(jìn)行單個原于的去除骚勘、添加和移動，而且可以進(jìn)行STM光刻撮奏、探針尖電子束感應(yīng)的沉淀和腐蝕等新的S T M加工技術(shù)俏讹。

　　2.3納米測控技術(shù)

　　實現(xiàn)納米級加工離不開納米級的測量技術(shù)，而這二者都離不開控制技術(shù)珠校，超高精度的定位技術(shù)是實現(xiàn)納米級控制的關(guān)鍵幸园。

　　2.3.1納米測量技術(shù)

　　以表面性貌等為測量對象，納米級測量技術(shù)的主要發(fā)展方向有光干涉測量技術(shù)和掃描顯微技術(shù)络蟋。

　　?光外差干涉儀：通常利用干涉條紋圖的測量方法進(jìn)行納米級測量有其很大的局限性谐绽，而利用外差干涉測量技術(shù)可以得到O.1nm的空間分辨率，測量范圍可達(dá)50mm络跷。

　　?X射線干涉儀：可見光和紫外光的干涉條紋間距為數(shù)百納米绑僵，不易測量納米級的微小位移，而利用X射線的超短波長干涉測量技術(shù)可以實現(xiàn)O.Olnm分辨率的位移測量。測量范圍可達(dá)200μm池致。

　　?頻率跟蹤F—P標(biāo)準(zhǔn)具：而基于F—P標(biāo)準(zhǔn)具的測量技術(shù)具有極高的

　　靈敏度和準(zhǔn)確度宰蘸，其精度可達(dá)到10—3nm，但測量范圍僅為O.1μm剥犯，其受限于激光器的調(diào)頻范圍捂臣。

　　?激光頻率分裂測長：激光頻率分裂的值與分裂元件的位移有關(guān)，通過測頻率測位移邓星，精度己達(dá)到1nm堡掏，進(jìn)一步激光穩(wěn)頻可達(dá)0.Olnm，測量范圍150μm刨疼。

　　掃描隧道顯微鏡可以直接觀測原子尺度結(jié)構(gòu)布疼，垂直分辨率達(dá)到O.1nm，近年來在S T M的基礎(chǔ)上又派生出一系列的掃描探針顯微技術(shù)币狠，如光子掃描隧道顯微鏡游两、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯'微鏡(MFM)掃描近場光學(xué)顯微鏡(SNOM)橫向力顯微鏡(LFM)漩绵、彈導(dǎo)電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)光于掃描隧道顯微鏡(PSTM)贱案、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)等等。

　　2.3.2納米定位控制技術(shù)

　　在納米級測量與加工中止吐，需要納米級的三維定位與控制宝踪。目前用一個執(zhí)行元件來實現(xiàn)大范圍的納米級定位是比較困難的。因此碍扔，實際的定位機構(gòu)多采用大位移用的執(zhí)行元件和納米定位用的執(zhí)行元件相組合方式來實現(xiàn)瘩燥。實現(xiàn)三維定位與控制，目前普遍采用壓電陶瓷致動器件不同，它在微米級的極小范圍內(nèi)通過控制系統(tǒng)能實現(xiàn)近似的三維驅(qū)動露揽。此外，利用電致材料酵吴、靜電或磁軸承式結(jié)構(gòu)屏部，以及靜電致動的高精度定位控制技術(shù)也向納米級精度發(fā)展，也可采用摩擦驅(qū)動裝置和絲杠定位元件通過特殊的方法也納米級的定位律腊。

　　3非球面曲面超精密加工技術(shù)

　　3.1概述

　　非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件藐捉，最常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡辑蛔、橢球面鏡等氛玛。非球面光學(xué)零件具有球面光學(xué)零件所無可比擬的良好的成象質(zhì)量。應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種象差昔主，改善儀器成象質(zhì)量蹂勺，提高儀器鑒別能力稻填，增大作用距，它能以一個或幾個少量的非球面零件代替較多的球面零件经融，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)狡秋，降低成本，并有效的減輕儀器重量雏节，在航空胜嗓、航天等領(lǐng)域，由于近年來非球面雷達(dá)天線钩乍、非球面透鏡辞州、反射鏡的應(yīng)用，使產(chǎn)品的性能得到了極大提高寥粹。衛(wèi)星中的先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)变过、高分辨串的電視攝像系統(tǒng)、高靈敏度的紅外傳感系統(tǒng)等涝涤，其光學(xué)系統(tǒng)中都離不開非球面透鏡媚狰。慣導(dǎo)器件的關(guān)鍵部件激光陀螺中由于采用了非球面反射鏡，不僅大大縮小了體積阔拳，更重要的是大大提高了控制精度以及控制穩(wěn)定性崭孤。

　　紅外拋物面反射鏡是紅外探測系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其加工精度對導(dǎo)彈引爆距離的一致性影響很大糊肠。在民用方面激光核聚變可以提供長期的辨宠、清潔的、經(jīng)濟的能源捌养，生產(chǎn)廉價的核燃料湾蝙。其中關(guān)鍵部件之一的激光核聚變反射鏡即為一非球面反射鏡，采用非球面反射鏡替代成組透鏡螃妨，主要減少了反射次數(shù)惰绘，減小了功率損失【空間探測用的哈勃宇宙望遠(yuǎn)鏡中直徑2.4ln抄蔬，重達(dá)卯OK8的大型非球面反射鏡采用了磨削、拋光加工焊槐，形狀精度可達(dá)O.01LLm。

　　非球面光學(xué)零件在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用更為廣泛厅瘩，其范圍涉及到攝影鏡頭和取景器斗液、電視攝像管、變焦鏡頭紊尺、電影放影鏡頭彰晌、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡领姨、錄象機鏡頭、錄象和錄音光盤讀出頭张弛、條形碼讀出頭荒典、光釬通信的光釬接頭、醫(yī)療儀器等等吞鸭。

　　從上述的論述中我們可以看到無論在機載設(shè)備寺董、衛(wèi)星、慣性制導(dǎo)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)刻剥、激光制導(dǎo)系統(tǒng)遮咖、紅外探測系統(tǒng)、激光核聚變等方面都離不開非球面零件造虏，所以盡快提高我國非球面曲面的超精密加工技術(shù)成了當(dāng)務(wù)之急御吞，這有利于提高我國的航空、航天漓藕、武器系統(tǒng)等國防工業(yè)的水平陶珠。

　　八十年代以來，出現(xiàn)了許多新的現(xiàn)代的非球面加工技術(shù)享钞，它們主要

　　是：

　　(1)計算機數(shù)控單點金剛車削技術(shù)：

　　(2)計算機數(shù)控箱磨拋光技術(shù)揍诽；

　　(3)計算機數(shù)控離子束成型技術(shù)：

　　(4)計算機數(shù)控超精密拋光技術(shù)：

　　(5)計算機數(shù)控磨削技術(shù)：

　　(6)光學(xué)玻璃非球面透鏡模壓技術(shù)：

　　(7)塑料透鏡模壓技術(shù)；

　　(8)環(huán)氧樹脂復(fù)制非球面技術(shù)：

　　這些加工方法邪盼，基本上解決了各種非球面鏡的加工問題蛇筷，前五種方法都運用了數(shù)控技術(shù)，加工零件精度較高梗擅，加工效率高慧菜，能批量生產(chǎn)。非球面曲面根據(jù)材料的不同采用不同的加工方法意苞。對于銅祖匕、鋁等軟質(zhì)材料，目前可以利用單點金剛石切削(SPDT)進(jìn)行超精密加工美域。對于玻璃或塑料等汪怒，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生產(chǎn)非球面曲面茧纵。對于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通過超精密磨削和超精密研磨杭厘、拋光進(jìn)行加工。此外郭销，還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等隶丁。

　　3.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　非球面曲面的精密、超精密加工要從CNC超精密機床談起呕童。CNC超精密加工技術(shù)在美國漆际、英國淆珊、荷蘭、日本等國得到了很大發(fā)展奸汇，主要都是基于航空施符、航天、軍事擂找、能源等方面的應(yīng)用戳吝，英國Cranfield大學(xué)的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛石鏡面切削機床可以加工大型X射線天體望遠(yuǎn)鏡所用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長度600mm的圓錐鏡)婴洼。

　　該研究所還研制成功了可加工X射線望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面的金剛石切削機床骨坑。哈勃望遠(yuǎn)鏡上的大型非球面反射鏡超精密加工所用的OAGM2500六軸CNC超精密磨床的研制也正是出自該實驗室，該機床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工柬采，其加工形狀精度可達(dá)到0.1μm欢唾。代表當(dāng)今最高水平的超精密金剛石車床LODTM于1984年在美國勞倫斯.利佛莫爾(LLNl)實驗室研制成功，它可加工直徑達(dá)2l00mm粉捻，重達(dá)4500Kg的工件缅含，其加工精度可達(dá)0.25μm，表面粗糙度Rmax0.0076μm杖荤，該機床可加工平面脓擅、球面及非球面，主要用于激光核聚變工程的零件窥吮，紅外線裝置用零件以及大型天體反射鏡的加工嚣僚。荷蘭PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金剛石車床COLATH，主要用于非球面塑料透鏡的加工哗搏，加工精度在0.5μm以下甫沉，表面粗

　　糙度Ra O.02μm。此外酒危，對于硬脆材料的非球面形狀的加工似靖，超精密研磨、拋光也是一種有效的手段败旋，日本在這方面投入的資金和人員較多录切，取得了一定成果。運用特種加工技術(shù)如離子束拋光仁连、彈性發(fā)射加工等蓝角，可明顯提高加工表面質(zhì)量。美國Frankfurt兵工廠采用氬離子束拋光火控系統(tǒng)用的高精度非球面鏡饭冬，精度達(dá)到O.02λ帅容。

　　目前，國外許多公司己將超精密車削伍伤、磨削并徘、研磨以及拋光加工集一體，開發(fā)研制出復(fù)合超精密加工機床扰魂。Rank Pneumo公司生產(chǎn)的NANOFORM600以及CUPE研制的NANOCENTRE都具有以上加工功能麦乞，這樣使非球面零件的加工更加靈活。

　　目前國外各種非球面加工工藝正處于比較成熟階段劝评，從大到幾米直徑小到幾毫米直徑姐直，從單件到大批量，從高精度到一般精度的非球面光學(xué)零件都能加工蒋畜。相比之下声畏，我國仍主要采用傳統(tǒng)的加工工藝，需依賴有經(jīng)驗的非球面加工技術(shù)工人姻成，利用刀口儀和箱密拋光工具淤点，逐點修磨拋光加工出非球面曲面。工藝需要幾個月能盈，重復(fù)性差揉远，加工成本高，只適用于單件和極小批量的生產(chǎn)接寥，僅能滿足研究所和學(xué)校的單件試制要求衰件。

　　國內(nèi)從八十年代初開始了超精密加工技術(shù)的研究，比國外整整落后了二十年季础。其中開展研究工作較好的單位有北京密云機床研究所擅盏、中國航空精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)谦选、中科院長春光機所應(yīng)用光學(xué)重點實驗室等纹硼。國防科工委于1992年在中國航空精密機械研究所建立了國內(nèi)第一家超精密加工重點實驗室。這些單位為我國超精密加工技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)率偏，但對于非球面加工來說脱睛，目前國內(nèi)基本還是一片空白。長春光機所前幾年引進(jìn)了Rank Pneumo公司的MSG—325 CNC超精密車床浙于，主要用來加工一些金屬护盈、光學(xué)零件，但這臺設(shè)備目前看來己落后于國際水平羞酗，不能滿足國防工業(yè)的需要腐宋，而繼續(xù)從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，一是受到許多限制檀轨，二是這樣只能永遠(yuǎn)落后于別人胸竞，不利于我國國防工業(yè)的發(fā)展。所以國家必須投入充足的人力、物

　　力卫枝，才能使我國的超精密加工技術(shù)特別是非球面的超精密加工技術(shù)在較短時間內(nèi)能很快適應(yīng)航空煎饼、航天、武器等國防現(xiàn)代化的需要校赤。

　　3.3研究內(nèi)容

　　非球面曲面的超精密加工技術(shù)涉及面寬吆玖，經(jīng)費投入量大，根據(jù)我國現(xiàn)有國情马篮，應(yīng)首先開展以下幾項研究：

　　(1)超精密靜壓主軸的研究;

　　(2)導(dǎo)軌及驅(qū)動裝置的研究;

　　(3)機床位移測量裝置的研究;

　　(4)高精度數(shù)控系統(tǒng)的研究：

　　(5)非球面曲面型面精度的在線測量裝置的研究：

　　(6)可延性磨削裝置的研究;

　　(7)恒溫供油裝置的研究;

　　(8)進(jìn)行非球面曲面加工工藝及相關(guān)技術(shù)的研究沾乘，其中包括金剛石刀

　　具研磨技術(shù)的研究，同時還將進(jìn)行環(huán)境技術(shù)等方面的研究诽泪。

　　利用上述技術(shù)可以綜合成集CNC超精密車杰赴、磨加工于一體的復(fù)合加工裝置，這臺CNC超精密復(fù)合加工裝置應(yīng)達(dá)到的具體指標(biāo)如下：

　　主軸精度：徑向挂闺、軸向0.03—0.05μm：

　　導(dǎo)軌精度：0.1—0.2μm／lOOmm

　　CNC數(shù)控系統(tǒng)：分辨串O.0025——O.010μm便金；

　　溫控技術(shù)達(dá)到控制精度為±0.Ol℃

　　機床位移測量裝置分辨率：O.O05μm—O.01μm

　　型面精度在線測量裝置分辨率：O.002μm

　　在該CNC超精密復(fù)合加工裝置上加工出的非球面曲面，達(dá)到：

　　加工型面精度：0.3——O.5μm烧乙；

　　加工表面粗糙度：Ra0.005—0.020μm拐扛；

　　4精密偶件超精密加工技術(shù)

　　4.1概述

　　精密偶件技其形狀可分為圓柱面偶件、平面偶件辱窘、球面偶件和導(dǎo)形柱面偶件楷焦。精密偶件在航空航天、精密機械膝班、精密儀器头位、能源交通等部門的應(yīng)用十分廣泛，就其專業(yè)性質(zhì)來說庇晤，液壓工業(yè)應(yīng)用最多虱硝。根據(jù)偶件的材料、精度厕氨、使用場合及批量的不同有各種加工方法进每。對于平面偶件，主要采用超精密磨削命斧、研磨或超精密車削等田晚，對于圓柱面及球面偶件主要采用研磨、磨削国葬、滾壓贤徒、傷磨、金剛石及CBN鉸削等工藝汇四。

　　精密偶件制造技術(shù)的發(fā)展也是精密加工接奈、超精密加工技術(shù)時發(fā)展過

　　程，60年代美國制成第一臺具有0.025μm的進(jìn)給分辨率、加工圓度到O.125μm的外圓磨床序宦，精密偶件的加工逐漸步入了超精密加工范疇睁壁，隨后各種精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展使精密偶件的制造技術(shù)不斷發(fā)展。

　　用超精密加工技術(shù)解決精密偶件的加工挨厚，己引起了國外的重視返雷，特別是在軍事工業(yè)中投入了大量人力、物力來解決精密偶件的制造技術(shù)問題弓席。目前利用超精密加工技術(shù)來解決精密偶件制造中的關(guān)鍵問題，尚處于起步階段陌贾，國內(nèi)一些單位主要利用高精度磨床進(jìn)行偶件磨別转是，也利用超精密技術(shù)改裝原有精密設(shè)備使之提高精度，國內(nèi)尚無真正的超精密磨床矢盾、超精密研磨機等超精密加工設(shè)備粤段。目前，三O三所針對航空姚藤、航天幢剂、艦艇及武器系統(tǒng)等制造技術(shù)的需要，在國防科技超精密加工重點實驗室的基礎(chǔ)上偷欲，研制了一系列的超精密加工設(shè)備(包括超精密車凳赃、鏜、外圓磨附垒、超精密平磨撕贞、超精密研磨機、超精密金剛石研磨機)以及軸向配磨裝置等测垛，并進(jìn)一步進(jìn)行工藝研究捏膨。

　　4.2研究內(nèi)容

　　4.2.1內(nèi)、外圓柱偶件及平面偶件超精密車削食侮、鏜削及磨削技術(shù)研究

　　該項技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)号涯，如陀螺儀零件、油泵轉(zhuǎn)子锯七、配油盤链快、平面反射鏡等生產(chǎn)，解決有色金屬圓柱形偶件及平面偶件的加工起胰。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　圓柱度：0.1——O.3μm

　　圓度：O.05——O.1μm

　　尺寸精度：O.1——O.5μm

　　粗糙度：Ra0.005——O.02μm

　　平面度：λ／5(φlOOmm)

　　4.2.2圓柱偶件的外因磨削技術(shù)研究

　　進(jìn)行超精密外因磨削的裝置的研究久又，并研究超精密磨削中的砂輪修

　　整、動平衡效五、尺寸控制地消、溫度控制及超精密磨削工藝。上述技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)，如伺服伺服閥柱塞脉执、慣導(dǎo)零件宗揣、振動筒等生產(chǎn)，可用于黑色金屬及其它高硬度材料的圓柱形偶件的加工坠汹。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　圓柱度：O.1——O.3μm

　　徑向配合精度：O.3——0.8μm

　　粗糙度：Ra0.O05——0.02μm

　　4.2.3大批量外因芍摩、柱體、球及平面偶件的超精密研磨技術(shù)

　　進(jìn)行可用于大批量生產(chǎn)用的研磨圓柱體逻烛、球及平面的超精密研磨裝置及其相應(yīng)加工工藝的研究宪隅，此技術(shù)可用于柱塞泵、慣導(dǎo)中超精密軸承精化潭拖、平面反射鏡等元件的加工赫丈，可直接用于生產(chǎn)。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　圓柱度：0.3——O.5μm

　　球度：O.05——O.1μm

　　平面度：0.05——O.1μm

　　尺寸精度：0.1——O.5μm

　　粗糙度：0.01——O.02μm

　　4.2.4內(nèi)孔的金剛石及CBN超硬磨料超精密研厦螟、珩技術(shù)研究

　　進(jìn)行超精密外因磨削工藝與ELID修整工藝的研究官溜，使研珩工具的精度達(dá)到超精密水平，從而使加工零件達(dá)到更高水平以解決現(xiàn)在圓拄內(nèi)孔加工的技術(shù)難點癣二。研制出一套超精密研牵字、珩工具及加工工藝方法，提供超精密研哥谷、珩工具及夾具岸夯，可直接用于生產(chǎn)。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　圓柱度：O.1——O.5μm

　　尺寸精度：0.3——0.8μm

　　粗糙度：RaO.01——0.04μm

　　4.2.5內(nèi)呼巷、外徑高精度尺寸測量技術(shù)研究

　　研究一種內(nèi)囱修、外徑尺寸測量的方法及儀器。其技術(shù)指標(biāo)如下：

　　分辨率：O.Ol——O.02μm

　　穩(wěn)定性：0.02μm／2小時

　　測量不穩(wěn)定性：土0.05μm

　　5結(jié)論

　　超精密加工技術(shù)自五十年代發(fā)展至今王悍，已有四十年的歷史破镰。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求压储。新材料及零件的出現(xiàn)鲜漩、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技術(shù)在原有的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，如提高傳統(tǒng)超精密加工的精度集惋，并提出新的超精密加工工藝孕似，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展刮刑。

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