微細結構超精密加工技術的研究

溫磊

摘 要：高精度是超精密加工永恒的主題，受國防和高端民用產品的需要牽引，對微細結構元件加工精度的要求日益提高；同時，高精度的微細結構元件，尤其是微細結構光學元件的需求量迅猛增長，需要適于批量生產的高效率低成本的微制造技術。基于微細結構的超精密加工技術將綜合應用其它領域的新技術，進行工藝集成化已成為一種發展趨勢。

關鍵詞：超精密；微細結構；分子動力學

1 引言

我國超精密微細加工技術的研究略晚于國外，但由于長期科技投入不足和國外的技術封鎖，與國外先進技術水平相比尚有較大差距。國外的已經商品化了的超精密微細加工設備，對我國一直處于嚴格禁運狀態。而微小型結構件的微細超精密加工技術在國民經濟與社會發展中具有重要的地位，因此，開展超精密微細加工技術的研究，對突破國外技術壁壘，形成我國自主創新的新產品、新技術和新裝備具有重要意義。針對微小型和具有微細結構的超精密零件，開展超精密加工機理的研究，將為實現微小型和具有微細結構零件的超精密加工技術產業化奠定良好的基礎。本文的仿真研究將為微細結構超精密加工技術提供理論支持。

2 微細結構超精密加工技術

面向微細結構的超精密加工技術的研究是現代高技術產品制造的核心技術之一；是先進制造技術領域的前沿課題和未來發展我國微電子產業的關鍵技術，在航空航天、汽車、信息技術、新能源、家電、醫療等許多高新技術領域有著越來越廣泛的應用；它與一個國家的國防與國民經濟的發展密切相關，是一個國家的國民經濟、國防和科學技術綜合實力的體現，已經成為許多國民經濟領域的制造技術可持續發展的一個重要保障條件。

在精密工程應用領域，元件的幾何形狀精度經常需要控制在納米量級，如：精密軸和孔的圓柱度、大規模集成電路使用的單晶硅片的平面度等等。與此同時，元件還需要具有納米級的表面質量，如表面平整性以及表面和次表面的損傷程度（包括微裂紋、物理結構的變化、大規模塑性變形和殘余應力等）。為滿足這些指標要求，元件在加工過程中切削力的數量級必須控制在 10-6 N 到 10-9 N 的范圍內，而相應的切削深度應該保持在 10-6 m 到 10-9 m 的范圍內。能夠實現這種精度的材料去除過程有超精密切削（UPM，也稱作單點金剛石切削），超精密磨削（UPG）和拋光。由于在超精密切削中材料是以幾個納米的數量級被去除的，因而也稱之為納米切削。這項技術最早開始于美國的勞倫斯（LLNL）國家實驗室，隨后英國柯蘭菲爾德精密工程中心（Cranfield Precision engineering）也進行了大型超精密機床的研制工作。

在超精密加工過程中，特別是進行納米級加工時，加工發生在很小的區域內，材料是以離散的數個原子或原子層的方式去除，必須從分子、原子的微觀角度來進行分析，工件材料應看作是原子或分子的集合體，加工過程中的能量分配、已加工表面的形成、材料的去除、脆性/延性機理轉變過程以及加工過程的物理現象、基本規律等都和常規加工存在巨大差別，因而對加工過程采用建立在傳統連續介質力學基礎上的切削理論來解釋顯然是不合適的。另外，納米加工過程難于控制以及觀察測量技術的制約，使得對納米加工過程的試驗、計算、分析存在著很多困難，而分子動力學仿真完全可以克服這些困難，分子動力學仿真技術提供了比其他任何方法更高的切削過程位置精度，任何由于尺寸界限的約束而無法用連續力學進行分析的物理現象都可以借助于分子動力學仿真的方法來研究。所以通常采用分子動力學方法來分析研究納米加工過程。

由于超精密加工技術在微小型和具有微細結構的超精密零件加工中的廣闊應用前景，過去十幾年來，各個國家都投入了巨大的人力和物力以加強這方面的研究，研究較為深入的國家主要有美國、日本和歐洲工業發達國家等。這些國家在各種研究計劃的推動下，不僅總體成套水平高，而且用于微小型和具有微細結構零件加工的超精密機床商品化程度也非常高。在美國，以Moore公司和Precitech公司為代表，專門從事超精密加工技術研究和裝備生產；在歐洲，英國 Cranfield 大學的超精密工程中心（CUPE）是世界著名的超精密加工技術研究單位之一；日本對超精密加工技術的研究相對美、英、德來說起步較晚，卻是當今世界發最快的國家。

當前國外一些發達國家的微細結構表面超精密加工技術已比較成熟，加工精度達亞微米級，表面粗糙度達納米級，且能加工的微細結構復雜程度也在逐漸增加。我國的超精密加工技術起步晚于國外，微細結構表面及微小元件超精密加工技術的研究才剛剛起步，近年來，經過政府和研究部門的努力，在超精密加工技術的研究領域已經取得了很大進步，在某些單項關鍵技術的研發方面甚至已經達到了國際先進水平。中科院長春光機所進行了光學零件的超精密研拋技術方面的研究，實現了離軸非球面的加工；哈爾濱工業大學在金剛石超精密切削、微納米切削加工機理、金剛石刀具晶體定向和刃磨、刀具磨損破損機制、脆性材料超精密加工時的去除機制等方面開展了卓有成效的研究工作；清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究；國防科技大學自主研發了離子束和磁流變拋光技術，在拋光工藝與裝備的研究方面取得了長足進展，可以穩定實現λ/50以上精度的光學加工；天津大學微納制造技術工程中心引進了美國Nanoform350型超精密機床，開展了自由曲面加工技術，將柱面坐標系應用于加工技術，并實現自由曲面的超精密加工。此外，上海交通大學、南京航空航天大學等也開展了微細銑削方面的研究工作。

3 分子動力學仿真及其在微細結構切削中的應用

微細結構超精密加工技術涉及加工參數、材料特性以及斷裂力學、接觸力學、摩擦學等諸多領域，是在原子、分子層次上的表面創成工藝，在這種原子尺度的級別上，所面臨的決不是幾何上的“相似縮小”問題，必然會有一些新的規律主導著材料去除和表面創成過程，通過分子動力學仿真進行超精密切削表面創成機理研究，可以有效的獲得在微觀條件下特有的金屬切削機理，可以對微細結構超精密加工過程進行參數控制和加工過程的約束。

分子動力學仿真技術提供了比其他任何方法更高的切削過程位置精度，任何由于尺寸界限的約束而無法用連續力學進行分析的物理現象都可以借助于分子動力學仿真的方法來研究。在分子動力學仿真研究中，為了便于分析切削過程，可以在最基本的單元下進行，因而仿真數據能夠為實際加工過程提供理論界限。

參考文獻：

[1] 羅熙淳，梁迎春，董申，等.分子動力學在單點金剛石超精密車削機理研究中的應用，工具技術，2000，34（4）：3～7

[2] 唐玉蘭，梁迎春，程凱.納米切削分子動力學仿真的研究進展，系統仿真學報，2004，16（4）：745～749