超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)A

2023/02/08 來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載 點(diǎn)擊量：

超精密加工是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要手段。精密光學(xué)、機(jī)械、電子系統(tǒng)中所用的先進(jìn)陶瓷或光學(xué)玻璃元件通常需要非常高的形狀精度和表面精度(如 0.1 nm 級(jí)表面粗糙度)及較小的加工變質(zhì)層。掌握超精密加工過程中材料去除規(guī)律和損傷層特性對(duì)提高加工的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性十分重要。對(duì)超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光技術(shù)進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹各種典型加工方法及其材料去除機(jī)理。從加工精度和加工效率角度對(duì)上述幾類超精密加工方法進(jìn)行比較，介紹以實(shí)現(xiàn)高效精密加工為目的的半固著磨粒加工技術(shù)。對(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

       1、前言

       超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐技術(shù)，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展方向。以超精密加工技術(shù)為支撐的高性能武器，對(duì)第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)(1992 年)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)(1996 年)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)(1999 年)及第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)(2003 年)的進(jìn)程及結(jié)果發(fā)揮了決定性的作用。以超精密加工技術(shù)為支撐的三代半導(dǎo)體器件，為電子、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，所需試驗(yàn)儀器和設(shè)備幾乎無一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。由宏觀制造進(jìn)入微觀制造是未來制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一，當(dāng)前超精密加工已進(jìn)入納米尺度，納米制造是超精密加工最前沿的課題。世界發(fā)達(dá)國(guó)家均予以高度重視。最近啟動(dòng)的研究計(jì)劃包括，2001 年美國(guó)的 NNI(National nanotechnology initiative)計(jì)劃、英國(guó)的多學(xué)科納米研究合作計(jì)劃IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002 年日本的納米技術(shù)支撐計(jì)劃。目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應(yīng)力、組織變化)

為目標(biāo)。

       超精密加工的研究?jī)?nèi)容，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機(jī)理、被加工材料、超精密加工設(shè)備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等)和超精密加工工藝等。一直以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這些內(nèi)容展開了系統(tǒng)的研究。

       1983 年在國(guó)際生產(chǎn)工程年會(huì)上，TANIGUCHI對(duì)當(dāng)時(shí)的超精密加工狀況進(jìn)行了描述，并對(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。此后的 20 余年內(nèi)，超精密加工技術(shù)蓬勃發(fā)展。本文對(duì)當(dāng)前的超精密加工現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，第 1 節(jié)介紹超精密加工的發(fā)展及其推動(dòng)因素。第2節(jié)介紹超精密加工材料，著重于先進(jìn)陶瓷材料。第3節(jié)將超精密加工技術(shù)分為超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光三類，介紹典型加工技術(shù)(廣義的超精密加工還包括微細(xì)加工技術(shù))。第 4 節(jié)對(duì)上述幾類超精密加工技術(shù)從加工精度和加工效率的角度出發(fā)進(jìn)行比較，介紹半固著磨粒加工方法。第 5 節(jié)對(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

       2、超精密加工的發(fā)展

       超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。

       (1)  20 世紀(jì) 50 年代至 80 年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20 世紀(jì) 50 年代末，出于航天、國(guó)防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削——單點(diǎn)金剛石切削(Single point  diamond  turning，SPDT)技術(shù)，又稱為“微英寸技術(shù)”用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從 1966年起，美國(guó)的Union Carbide 公司、荷蘭Philips公司和美國(guó) Lawrence Livermore Laboratories 陸續(xù)推出各自的超精密金剛石車床，但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗(yàn)研究，并以國(guó)防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時(shí)期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。

       (2)  20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)政府推動(dòng)數(shù)家民間公司如 Moore Special Tool 和 Pneumo Precision 公司開始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba 和 Hitachi 與歐洲的 Cranfield  大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時(shí)的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機(jī)的形式訂作。在這一時(shí)期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點(diǎn)是使用高剛性機(jī)構(gòu)，以極小切深對(duì)脆性材料進(jìn)行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級(jí)表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀(jì)80 年代后期，美國(guó)通過能源部“激光核聚變項(xiàng)目”和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國(guó)LLL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為 1.625 m 的立式車床，定位精度可達(dá) 28 nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過 1 m、而直線度誤差只有±25 nm 的加工。

       (3)  20 世紀(jì) 90 年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從 1990 年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)的需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel 鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平，加工行程變得更大，加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。

       目前世界上的超精密加工強(qiáng)國(guó)以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國(guó)，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、Ｘ射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。如美國(guó)太空署(NASA)推動(dòng)的太空開發(fā)計(jì)劃，以制作 1 m 以上反射鏡為目標(biāo)，目的是探測(cè) X 射線等短波(0.1～30 nm)。由于 X 射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達(dá)到埃級(jí)來提高反射率。目前此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，具有優(yōu)勢(shì)，甚至超過了美國(guó)。日本超精密加工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而后集中于計(jì)算機(jī)硬盤磁片的大批量生產(chǎn)，隨后是用于激光打印機(jī)等設(shè)備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學(xué)元件的超精密切削。1982 年上市的 Eastman  Kodak 數(shù)碼相機(jī)使用的一枚非球面透鏡引起了日本產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，因?yàn)?nbsp;1 枚非球面透鏡至少可替代 3 枚球面透鏡，光學(xué)成像系統(tǒng)因而小型化、輕質(zhì)化，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、錄像機(jī)、工業(yè)電視、機(jī)器人視覺、CD、VCD、DVD、投影儀等光電產(chǎn)品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學(xué)產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

       盡管隨時(shí)代的變化，超精密加工技術(shù)不斷更新，加工精度不斷提高，各國(guó)之間的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同，但促進(jìn)超精密加工發(fā)展的因素在本質(zhì)上是相同的。這些因素可歸結(jié)如下。

       (1)  對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發(fā)揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質(zhì)層。按美國(guó)微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求，下一代計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭要求表面粗糙度 Ra≤0.2 nm，磁盤要求表面劃痕深度 h≤1 nm，表面粗糙度 Ra≤0.1 nm。1983 年 TANIGUCHI 對(duì)各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以此為基礎(chǔ)，BYRNE 等描繪了20世紀(jì)40年代后加工精度的發(fā)展，如圖 1 所示。圖 2 顯示了 2003 年時(shí)各種加工方法可獲得的加工精度。其中微細(xì)加工可實(shí)現(xiàn)特征尺寸為 1 µm、表面粗糙度趨于 5 nm 的加工。

       (2)  對(duì)產(chǎn)品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。圖 3 描述了各時(shí)期汽車上 ABS 系統(tǒng)的質(zhì)量變化。從 1989～2001 年，從 6.2 kg 降低到 1.8 kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質(zhì)量及其完整性越來越重要。

       (3)  對(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承等一邊承受載荷一邊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命。目前，高速高精密軸承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度要求達(dá)到數(shù)納米。加工變質(zhì)層的化學(xué)性質(zhì)活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā)，要求加工產(chǎn)生的變質(zhì)層盡量小。

       (4)  對(duì)產(chǎn)品高性能的追求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的提高，有利于減緩力學(xué)性能的波動(dòng)、降低振動(dòng)和噪聲。對(duì)內(nèi)燃機(jī)等要求高密封性的機(jī)械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰(zhàn)后，航空航天工業(yè)要求部分零件在高溫環(huán)境下工作，因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。

       以上四個(gè)方面相互關(guān)聯(lián)，共同促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的發(fā)展。國(guó)際知名超精密加工研究單位與企業(yè)主要有，美國(guó) LLL 實(shí)驗(yàn)室和 Moore 公司、英國(guó) Granfield 和 Tayler 公司、德國(guó)Zeiss 公司和 Kugler 公司、日本東芝機(jī)械、豐田工機(jī)和不二越公司等。我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代初期開始研究超精密加工技術(shù)，主要的研究單位有北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連理工大學(xué)和浙江工業(yè)大學(xué)等。

       2   超精密加工材料

       為滿足高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性等品質(zhì)需求，眾多金屬及其合金、陶瓷材料、光學(xué)玻璃等需要經(jīng)過超精密加工達(dá)到特定的形狀、精度和表面完整性。這里特別對(duì)先進(jìn)陶瓷材料進(jìn)行介紹。

       先進(jìn)陶瓷材料已經(jīng)成為高精密機(jī)械、航空航天、軍事、光電信息發(fā)展的基礎(chǔ)之一。先進(jìn)陶瓷根據(jù)性能和應(yīng)用范圍不同，大致可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩類。功能陶瓷主要指利用材料的電、光、磁、化學(xué)或生物等方面直接或耦合的效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)特定功能的陶瓷，在電子、通信、計(jì)算機(jī)、激光和航空航天等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有優(yōu)良的耐高溫抗磨損性能，作為高性能機(jī)械結(jié)構(gòu)零件新材料顯示出廣闊的應(yīng)用前景。表 1 列出了一些典型先進(jìn)陶瓷材料及其用途。

       表 2 給出了延性金屬材料與脆性先進(jìn)陶瓷材料的部分物理特性。表 3 給出了幾種先進(jìn)陶瓷材料的物理特性。先進(jìn)陶瓷材料多為共價(jià)⁄離子鍵化合物，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低、位錯(cuò)少，因而硬度高、脆性大。氮化硅、碳化硅和藍(lán)寶石的硬度僅次于金剛石和 CBN，是公認(rèn)的典型硬脆難加工材料。先進(jìn)陶瓷材料與金屬材料物理特性的差異決定了兩者材料去除機(jī)理的不同。先進(jìn)陶瓷材料加工過程中易產(chǎn)生裂紋等表面和亞表面損傷，對(duì)器件工作性能和工作壽命造成不利影響。