超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)策
1 前言
超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用刑顺，并且已成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。
超精密加工是指亞微米級(jí)(尺寸誤差為0.3～0.03μm饲常，表面粗糙度為Ra0.03～0.005μm)和納米級(jí)(精度誤差為0.03μm蹲堂，表面粗糙度小于 Ra0.005μm)精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施贝淤，則稱為超精加工技術(shù)柒竞。加之測(cè)量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題播聪，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程朽基。
超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域：
超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面离陶。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工踩晶。
超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工执泰。
超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工子桩，線寬可達(dá)0.1μm杖烘。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)2～5nm奄刊。
2 國(guó)外概況
美國(guó)是最早研制開發(fā)超精密加工技術(shù)的國(guó)家于抬。早在1962年，美國(guó)就開發(fā)出以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床饱粟，其主軸回轉(zhuǎn)精度為 0.125μm元邻，加工直徑為?100mm的半球，尺寸精度為±0.6μm掖阶，粗糙度為Ra0.025μm咒付。1984年又研制成功大型光學(xué)金剛石車床，可加工重1350kg炮疲，?1625mm的大型零件枷斩，工件的圓度和平面度達(dá)0.025μm，表面粗糙度為Ra0.042μm虎叔。在該機(jī)床上采用多項(xiàng)新技術(shù)味测，如多光路激光測(cè)量反饋控制，用靜電電容測(cè)微儀測(cè)量工件變形铺坞，32位機(jī)的CNC系統(tǒng)起宽，用摩擦式驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和熱交換器控制溫度等。
美國(guó)利用自己已有的成熟單元技術(shù)济榨，只用兩周的時(shí)間便組裝成了一臺(tái)小型的超精密加工車床(BODTM型)坯沪，用刀尖半徑為5～10nm的單晶金剛石刀具，實(shí)現(xiàn)切削厚度為1nm (納米)的加工擒滑。盡管如此屏箍，最近美國(guó)政府還是繼續(xù)把微米級(jí)和納米級(jí)的加工技術(shù)作為國(guó)家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說明美國(guó)對(duì)這一技術(shù)的重視橘忱。
英國(guó)是較早從事超精加工技術(shù)研究的國(guó)家之一赴魁。從1979年起，開發(fā)用于制造X射線望遠(yuǎn)鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀車床钝诚。要求反射鏡的精度在30mm 范圍內(nèi)的表面凹凸達(dá)到6nm以下颖御，整個(gè)鏡面的形狀精度達(dá)1μm以下。該機(jī)床為保證超精加工凝颇，采用了許多新技術(shù)潘拱。例如采用封裝合成花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)(總重 48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的X軸和Z軸末瘾，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為0.1μm唠芋，空氣軸承支承的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)摹钳，分辨率為0.015μm的 HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的X軸拧淘、Z軸工件尺寸及形狀精度的測(cè)量補(bǔ)償系統(tǒng)疲席，壓電式刀具微進(jìn)給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等族焰。英國(guó)在80年代初就已開始實(shí)施納米計(jì)劃台古，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)。Cranfield理工學(xué)院是世界上第二個(gè)能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度(2kN/μm)氣浮精密軸承和主軸系統(tǒng)的單位蚊凫。
日本的超精密加工技術(shù)的研究開發(fā)滯后于美國(guó)20年盲赚，但由于得到有關(guān)方面的重視和努力，發(fā)展較快肛英。與美國(guó)不同膘椿，日本完全是出于民用工業(yè)的考慮來發(fā)展超精密加工技術(shù)的，從多棱體反射鏡加工機(jī)床到磁頭微細(xì)加工機(jī)床林索，磁盤端面車床笙隙，發(fā)展到非球面加工機(jī)床和短波X射線反射鏡面加工機(jī)床。1986年日本已把納米技術(shù)作為先進(jìn)技術(shù)探索研究計(jì)劃中的六大課題之一遂跟。日本推行了一個(gè)從1991年起逃沿，為期 10年婴渡，投資250億日元的研究開發(fā)微型機(jī)械的大型國(guó)家科研計(jì)劃幻锁。在這個(gè)計(jì)劃中，FANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床边臼，在世界上首次用切削方法實(shí)現(xiàn)了自由曲面的微細(xì)加工哄尔。這臺(tái)銑床具有無摩擦伺服系統(tǒng)和用于微細(xì)加工的CAD/CAM 系統(tǒng)，最小數(shù)控分辨率為1nm柠并。在對(duì)直徑為1mm高度差為30μm的復(fù)雜曲面進(jìn)行的微細(xì)銑削加工中岭接，獲得了Ra0.058μm的表面粗糙度。機(jī)床的主要性能：X臼予、Z軸的最小分辨率為1nm鸣戴，C、B軸的最小分辨率分別為0.0001°和0.00001°粘拾，當(dāng)主軸的最大供氣壓力為6×106Pa 時(shí)窄锅，回轉(zhuǎn)速度為55000r/min。微細(xì)切削用刀具是一種單晶金剛石偽球頭立銑刀奥债。刀尖半徑為0.01mm割对，半刀尖角為75°，刀尖圓弧中心與軸心線有 0.1mm的偏移量窥俊。日本的超精加工機(jī)床生產(chǎn)廠家有十多家援漓，產(chǎn)品大多采用0.01μm高分辨率的CNC系統(tǒng)和激光干涉儀測(cè)量眼厕，納米級(jí)光刻已超過了美國(guó)，居世界領(lǐng)先地位标康。超精加工機(jī)床的加工精度已達(dá)亞微米級(jí)(0.1μm以下)半就，粗糙度達(dá)Ra0.01μm，最高水平的機(jī)床已用于制造超大規(guī)模集成電路接馏，刻線寬度可達(dá)0.3μm卷哟。
德國(guó)、荷蘭以及中國(guó)臺(tái)灣的超精密加工機(jī)床扇蚯，也都處于世界先進(jìn)水平役躬。如菲利普公司曾研制出Colath超精車床，最大加工直徑?200mm柿糖，長(zhǎng)度200mm纸兔，其加工形狀精度為0.5μm，表面粗糙度Ra0.02μm否副。而德國(guó)主要研究超精密測(cè)量技術(shù)汉矿。
目前世界上超精密加工達(dá)到的最高技術(shù)水平如下：加工精度0.025μm，表面粗糙度Ra0.0045μm备禀，即已進(jìn)入了納米級(jí)加工精度的時(shí)代洲拇。在測(cè)量技術(shù)方面，對(duì)小位移的測(cè)量：電容式測(cè)頭分辨率可做到0.5nm(量程為15μm)和0.1nm(量程為5μm)曲尸，線性誤差小于0.1%赋续；光電子纖維光學(xué)測(cè)頭的分辨率可到0.5nm(量程為30μm)，線性誤差為5%另患；掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨率可達(dá)0.01nm(量程20mm時(shí))纽乱；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm(量程200μm時(shí))。對(duì)大長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量昆箕，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)鸦列；氦氖激光(實(shí)驗(yàn)室)的分辨率可做到0.01μm(量程為2mm)；莫爾條紋光學(xué)尺的分辨率可做到10nm(量程1m)鹏倘，精度為1μm/m策退。對(duì)角度測(cè)量，莫爾條紋角度光學(xué)尺的分辨率可做到0.005"(360°范圍)气穴，精度0.1"跑腮，因此測(cè)量方面基本上滿足了納米級(jí)加工技術(shù)要求。
3 用STM進(jìn)行微細(xì)加工
掃描隧道顯微鏡(STM)在納米級(jí)尺度上對(duì)各種表面進(jìn)行刻蝕與修飾肩卡，實(shí)現(xiàn)納米加工慰乾，這是其應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。
用STM進(jìn)行表面加工的方法主要有兩類：第一類是在金屬、半導(dǎo)體或絕緣體表面上直接寫入點(diǎn)殊童、線或規(guī)定的圖形符號(hào)词俏。具體方法通常是在STM的恒流模式工作狀態(tài)下，在針尖上加一定的電壓脈沖海泵，或突然縮短針尖與樣品間的距離标腮，使針尖下樣品表面形成坑、丘等結(jié)構(gòu)變化围婴。
第二類方法是通過STM的電子束引起化學(xué)反應(yīng)祈很，在針尖下的表面微區(qū)淀積金屬材料。
第一臺(tái)STM是G·Bining等于1981年研制成功的∧扑模現(xiàn)在裝置的結(jié)構(gòu)盗扒、防震、穩(wěn)定性和分辨率等方面都日趨完善缀去。在原理上侣灶，STM與通常的電子束一樣，在固體器件制造中可用來進(jìn)行平面制版加工缕碎。其優(yōu)點(diǎn)是能顯示表面的結(jié)構(gòu)形貌褥影，具有原子尺度的分辨率；所涉及的電子能量低(<100eV)咏雌，對(duì)材料的損傷少凡怎；可以在真空、大氣赊抖、甚至液體中工作统倒；結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比需聚焦、偏轉(zhuǎn)的離子熏迹、電子束裝置簡(jiǎn)單檐薯，如直接用于平面結(jié)構(gòu)的制版加工凝赛，使現(xiàn)有的VLSI微細(xì)工藝水平提高到一個(gè)新的量級(jí)挫勿，對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生巨大影響。假定寫入點(diǎn)的直徑為1nm庭授，點(diǎn)中心間距為2nm琴哗，數(shù)據(jù)存貯器的記憶密度可達(dá)1013bits/cm2，可以存下300頁的書100萬本粉只；對(duì)于3.5英寸大小的軟盤吟叙，存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國(guó)省級(jí)圖書館的全部藏書暇鸦。
4 我國(guó)對(duì)超精密加工技術(shù)的研究
我國(guó)對(duì)超精密加工技術(shù)的研究起步不晚揍丘。基本做法與日本有類似之處牺胎，先從電子工業(yè)開始楞庸，用于加工磁盤沉年、磁鼓、磁頭晾胡。1965年前后研制出鏡面外圓磨床脾婚，加工圓度優(yōu)于0.3μm，表面粗糙度Ra0.01μm以下罢猪。1968年研制成功單晶金剛石刀鏡面車床近她，可使黃銅件的表面粗糙度達(dá)Ra0.025μm以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盤車床膳帕。SI-235型超精密車床粘捎，主軸回轉(zhuǎn)精度值優(yōu)于0.2μm，還有超精球面車床危彩。進(jìn)入80年代晌端，研制了回轉(zhuǎn)精度達(dá) 0.025μm的精密軸系，單晶金剛石刀切削的超精車床和超精銑床恬砂，最高分辨率為0.01μm的CNC數(shù)控超精密車床等產(chǎn)品咧纠，可加工球面和拋物面體、菲涅爾鏡等零件泻骤。加工形狀精度達(dá)0.1μm漆羔，表面粗糙度達(dá)Ra0.025μm以下。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功HCM-1亞微米超精密加工機(jī)床狱掂，其技術(shù)性能如表所示演痒。還研制成CSPM-930型STM、AFM 等一批掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡陈伪。但與美日相比深牲，還有不小差距，特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面泛倦，在超精加工的效率和自動(dòng)化技術(shù)方面差距尤為明顯辽松。
國(guó)內(nèi)外典型超精密車床性能指標(biāo)
| 型號(hào)(生產(chǎn)廠家) |
HCM-1
(中國(guó)哈工大) |
M-18AG
(美國(guó)Moore Special Tool Co.) |
超精密CNC機(jī)床
(日本Toshiba Co.) |
超精密車床
(德國(guó)IPT) |
主
軸 |
徑向跳動(dòng)(μm) |
|
≤0.075 |
≤0.05(500r/min) |
≤0.048 |
| 軸向跳動(dòng)(μm) |
|
≤0.05 |
≤0.05(500r/min) |
|
|
| 徑向剛度(N/μm) |
200 |
|
100 |
|
| 軸向剛度(N/μm) |
160 |
|
200 |
|
| Z向(主軸)直線度 |
<0.2μm/100mm |
≤0.5μm/230mm |
|
0.044μm/80mm |
| X向(刀架)直線度 |
<0.2μm/100mm |
≤0.5μm/410mm |
|
0.044μm/80mm |
| X、Z向垂直度(") |
≤1 |
1 |
|
|
| 重復(fù)定位精度(μm) |
|
1(全程)0.5(25.4mm) |
|
|
加工工
件精度 |
形面精度(μm) |
圓度：0.1 |
平面度：0.3 |
<0.1(P-V值) |
0.1 |
| 表面粗糙度(μm) |
Ra0.0042 |
0.0075(P-V值) |
Ra0.002 |
0.002～0.005RMS |
| 位置反饋系統(tǒng)分辨率(μm) |
|
25 |
2.5 |
10 |
| 溫控精度(X) |
≤0.004 |
±0.006 |
±0.1 |
|
| 隔振系統(tǒng)固有頻率(HZ) |
≤2 |
2 |
|
|
| 加工范圍(mm) |
?320 |
?356 |
?650×?250 |
|
5 加強(qiáng)我國(guó)超精加工技術(shù)開發(fā)的若干建議
- 把發(fā)展我國(guó)超精密加工技術(shù)作為一個(gè)科技戰(zhàn)略任務(wù)來抓习环，在發(fā)展我國(guó)超精密加工技術(shù)時(shí)裸努，應(yīng)當(dāng)?shù)玫絿?guó)防工業(yè)部門及有關(guān)研究單位的大力關(guān)心和支持。
- “十五”期間芍规，在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)垃桨、納米級(jí)加工精度，在大型超精加工商品化機(jī)床上實(shí)現(xiàn)超精加工的自動(dòng)化翰倡。再用10年左右的時(shí)間器赦，大體達(dá)到美國(guó)目前的水平。
- 單晶金剛石刀具鏡面切削作為實(shí)現(xiàn)超精密加工的主要方向。
- 必須抓好以下6個(gè)方面的研究工作：
- 提高主軸回轉(zhuǎn)精度刚垦，如開發(fā)高精度(回轉(zhuǎn)誤差小于0.02μm甚至8nm)阅嘶，高剛度(大于2kN/μm)的新型軸承和主軸系。
- 提高直線運(yùn)動(dòng)精度载迄，結(jié)構(gòu)上采用空氣靜壓(直線度可達(dá)0.1～0.2μm/250mm)和液體靜壓導(dǎo)軌讯柔，并利用均化作用提高運(yùn)動(dòng)精度。如盡快開發(fā)高分辨率(如設(shè)定值≤0.01μm至納米級(jí)的定位分辨率)和跟蹤誤差為零的數(shù)控伺服系統(tǒng)护昧，以實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)魂迄。
- 大力開展在線檢測(cè)技術(shù)的研究，主要抓以下三個(gè)方面：①提高檢測(cè)精度：由于加工精度向紫外線惋耙、X射線波長(zhǎng)區(qū)域移動(dòng)捣炬，所以要不斷提高檢測(cè)精度。②在線檢測(cè)變被動(dòng)測(cè)量為主動(dòng)測(cè)量绽榛。這是實(shí)現(xiàn)超精加工自動(dòng)化的重要手段湿酸。③發(fā)展動(dòng)態(tài)測(cè)量：檢測(cè)技術(shù)中，主要開發(fā)納米精度的長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)和具有?級(jí)或亞?級(jí)(0.01nm)分辨率的表面形貌測(cè)量技術(shù)灭美；環(huán)境溫度引起的熱漂移及其它誤差的在線檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)推溃；掃描探針顯微鏡(SPM)的多功能化檢測(cè)。
- 環(huán)境保障技術(shù)的開發(fā)研究：主要研究加工設(shè)備和地基的低頻(低于25Z)隔振技術(shù)届腐；保證±0.01～0.005℃的恒溫技術(shù)万窄；加工環(huán)境的高度清潔和凈化(潔凈度為20000～3000級(jí)以下)技術(shù)等。
- 材料的超精加工性研究仪荞。
- 加工理論和工藝方法研究：如借助于“隧道”和“原子力”等掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)進(jìn)行分子外延結(jié)晶或分子剝除加工技術(shù)付忆；可延性磨削；能束加工江构；納米級(jí)微切削過程的分子動(dòng)力學(xué)分析方法等艺退。
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