關于超精密加工技術的研究

賈柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北華航天工業學院 河北廊坊市 065000）

關于超精密加工技術的研究

賈柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北華航天工業學院 河北廊坊市 065000）

隨著當今科學技術的發展，超精密加工技術的發展是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要保證。當今市場對產品質量和產品多樣化的要求正在逐步提高，也對超精密加工技術提出了更多的要求。超精密加工技術已成為一個復雜系統工程，包含了當今高新技術的快速發展。在本文中，筆者著重介紹了各種超精密加工技術的內涵、國內外研究現狀以及發展過程與趨勢等內容，我還對未來應研究開發的超精密技術的重要科學技術問題進行了相應的論述。本文中筆者還分析了我國在超精密加工領域中存在的問題，拉開了與國外相關先進技術的差距，最后，我提出了我國發展超精密技術的對策，希望能對我國的超精密加工技術的發展帶來積極的意義。

超精密加工；研究現狀；發展趨勢

引言

超精密加工技術在我國的發展取得了一定的成果，但是相對于國外發達國家來說，我們的差距還是非常大的，我國在近幾年始終采用當代最新科技成果來提高加工精度，取得了不錯的成果，精密加工技術隨科技的發展而不斷更新。精密加工技術的發展將會直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展，因此世界各國對此都極為重視。我國也提高了對精密加工技術的關注度，并且取得了不錯的成果。

超精密加工目前包括四個領域：①超精密切削加工；②超精密磨削加工；③超精密拋光加工；④超精密特種加工（如電子束、離子束加工）。本文將重點介紹超精密切削、超精密磨削和超精密拋光技術。

1 我國超精密機床的發展情況

西方國家的禁運限制使我國對國外超精密機床的進口受到了限制。在1998年，我國的數控超精密機床研制成功，西方對我國實行了開禁政策，我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學等單位現在已能生產若干種超精密數控金剛石機床，但是在超精密機床加工技術領域，我們與國外的差距還是非常大的，國產超精密機床的質量水平還有非常大的進步空間。我國在多功能和高效專用超精密機床方面基本上仍是空白。

2 精密磨削和精密研磨技術的發展

2.1 精密鏡面磨削技術的發展

最近幾年，國外對精密磨削和精密研磨技術的研究取得了很大的進展。日本研制成功了鏡面磨削新工藝，這種新工藝可以對多種不同材料零件的平面、外圓和內孔進行鏡面磨削的操作。在這種工藝水平下，磨削表面粗糙度可以達到鏡面水平。根據市場經濟的發展來看，ELID精密鏡面磨削工藝有著很好的生產應用前景。我國的哈爾濱工業大學已研究并掌握了這項精密磨削新工藝，這說明我國在這一領域的研究有了突破性的進展。

2.2 精密平面研磨技術的發展

精密研磨技術在我國也有著不錯的發展進度，特別是用于制造大規模集成電路的精研技術有很大的提高。精密平面研磨技術對硅基片的質量要求是非常嚴格的，但我國的硅基片的生產都是采用國外引進的工藝。我國亟需自主研究開發硅基片的制造工藝和生產設備，這樣會大大促進我國精密加工技術的快速發展。

3 非球曲面精密加工技術的進展

3.1 非球曲面磨削技術的發展

目前，高精度非球曲面和自由曲面的應用日趨廣泛，相應的加工制造技術亦發展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密車床為基礎，結合ELID鏡面磨削技術，發展了加工回轉體非球曲面的ELID精密數控鏡面磨床，以后又發展了三坐標聯動的數控ELID精密鏡面磨床，可實現精密自由曲面的鏡面加工。現在國外生產的超精密數控金剛石車床一般都帶有磨頭，可用磨頭替代金剛石車刀磨制回轉體非球曲面。國外還發展了多種可用于磨制各種精密自由曲面的多坐標數控磨床。

3.2 精密自由曲面拋光技術的發展

高精度自由曲面現在多數采用拋光工藝作為最終加工工序。目前國外已有多種帶在線測量系統的多坐標數控研磨拋光機床。加工曲面時，可根據實測的鏡片曲面誤差，控制拋光頭的拋光時間和壓力，使曲面拋光工藝實現了半自動化。

3.3 精密曲面磁流體拋光技術

國外最近發展了兩種新型的曲面精密研磨拋光加工方法：①用磁流體進行拋光；②用氣囊進行拋光。磁流體拋光的原理是采用永久磁鐵或電磁鐵工具將混有磨料的磁流體吸附在工具端部，對工件表面進行拋光。電磁鐵工具通電后，磁流體吸附在反射鏡工具的端部進行拋光加工，由于磁流體外形可隨工件外形自動變化，因此對磁鐵工具的外形要求不嚴格，較易加工制造。除可用平面工具吸附磁流體進行拋光外，也可采用桿狀工具，一端吸附磁流體，代替立銑刀在多軸數控聯動機床上對自由曲面進行拋光。磁流體拋光加工可獲得很高的表面質量。

3.4 精密曲面氣囊拋光技術

氣囊拋光工藝是不久前由英國公司研制成功的一種加工精密曲面的新方法，拋光工具的工作端是外面包有磨料薄膜層的膠皮氣囊，拋光工作時，工具氣囊旋轉形成拋光運動，工件對氣囊拋光工具作相對進給運動（一般是工件作三軸聯動的進給運動），使工件的全部表面都能被拋光。拋光時，工具氣囊還需同時作擺動（擺動中心為汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜層磨損均勻。由于工具氣囊充氣后具有彈性，可以自動適應工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。超精密磨削是超精密加工技術中能夠兼顧加工精度、表面質量和加工效率的加工手段。超精密拋光是利用微細磨粒的機械作用和化學作用，在軟質拋光工具或化學液、電/磁場等輔助作用下，為獲得光滑或超光滑表面，減少或完全消除加工變質層，從而獲得高表面質量的加工方法，超精密拋光是目前最主要的終加工手段。拋光過程的材料去除量十分微小，一般在幾微米以下。圖1給出了目前各種典型超精密加工方法的加工精度范圍。

圖1 目前各種超精密加工方法的精度范圍

4 結語

超精密加工技術是現代高科技產業和科學技術的發展基礎，引領了現代制造科學的重要發展方向。以超精密加工技術為支撐的高性能武器在現代戰爭中起著非常重要的作用。以超精密加工技術為支撐的三代半導體器件為電子以及信息產業的發展奠定了良好的基礎。現代科學技術的發展都以超精密加工技術為支撐。超精密加工應用范圍廣泛，從軟金屬到半導體、玻璃、陶瓷等非金屬材料，幾乎所有的材料都可利用超精密加工技術進行加工。現代機械工業致力于提高加工精度的主要原因是：①提高產品的性能和質量，提高其穩定性和可靠性；②促進產品的小型化；③增加零件的互換性，提高裝配生產率，并促進自動化裝配進程。隨著現代工業技術的發展，超精密加工在經濟社會發展中起著非常重要的作用，而且它對國防、航空航天、核能等高新技術領域也有著重要的影響，在當今社會，超精密加工應用了機械技術發展的新成果以及計算機等高新技術，它是一個國家科學技術水平和綜合國力的重要標志，因此受到各工業發達國家的高度重視。

TG66

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1004-7344（2016）12-0274-01

2016-4-10