技术

1 前言

超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。 
超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3～0.03µm，表面粗糙度为Ra0.03～0.005µm)和纳米级(精度误差为0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm)精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。 
超精密加工主要包括三个领域： 
超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。 
超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。 
超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1µm。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。
 
2 国外概况

美国是最早研制开发超精密加工技术的国家。早在1962年，美国就开发出以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密半球车床，其主轴回转精度为 0.125µm，加工直径为Ø100mm的半球，尺寸精度为±0.6µm，粗糙度为Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光学金刚石车床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圆度和平面度达0.025µm，表面粗糙度为Ra0.042µm。在该机床上采用多项新技术，如多光路激光测量反馈控制，用静电电容测微仪测量工件变形，32位机的CNC系统，用摩擦式驱动进给和热交换器控制温度等。 
美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的超精密加工车床(BODTM型)，用刀尖半径为5～10nm的单晶金刚石刀具，实现切削厚度为1nm (纳米)的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。 
英国是较早从事超精加工技术研究的国家之一。从1979年起，开发用于制造X射线望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀车床。要求反射镜的精度在30mm 范围内的表面凹凸达到6nm以下，整个镜面的形状精度达1µm以下。该机床为保证超精加工，采用了许多新技术。例如采用封装合成花岗岩作为机床基础(总重 48t)，永久磁铁型DC力矩马达驱动的X轴和Z轴，径向和轴向的回转精度为0.1µm，空气轴承支承的旋转工作台，分辨率为0.015µm的 HP5501型激光干涉仪，由HP9826型计算机等构成的X轴、Z轴工件尺寸及形状精度的测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16位CNC控制系统等。英国在80年代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会。Cranfield理工学院是世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度(2kN/µm)气浮精密轴承和主轴系统的单位。 
日本的超精密加工技术的研究开发滞后于美国20年，但由于得到有关方面的重视和努力，发展较快。与美国不同，日本完全是出于民用工业的考虑来发展超精密加工技术的，从多棱体反射镜加工机床到磁头微细加工机床，磁盘端面车床，发展到非球面加工机床和短波X射线反射镜面加工机床。1986年日本已把纳米技术作为先进技术探索研究计划中的六大课题之一。日本推行了一个从1991年起，为期 10年，投资250亿日元的研究开发微型机械的大型国家科研计划。在这个计划中，FANUC公司和电气通信大学合作研制的车床型超精密铣床，在世界上首次用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这台铣床具有无摩擦伺服系统和用于微细加工的CAD/CAM 系统，最小数控分辨率为1nm。在对直径为1mm高度差为30µm的复杂曲面进行的微细铣削加工中，获得了Ra0.058µm的表面粗糙度。机床的主要性能：X、Z轴的最小分辨率为1nm，C、B轴的最小分辨率分别为0.0001°和0.00001°，当主轴的最大供气压力为6×106Pa 时，回转速度为55000r/min。微细切削用刀具是一种单晶金刚石伪球头立铣刀。刀尖半径为0.01mm，半刀尖角为75°，刀尖圆弧中心与轴心线有 0.1mm的偏移量。日本的超精加工机床生产厂家有十多家，产品大多采用0.01µm高分辨率的CNC系统和激光干涉仪测量，纳米级光刻已超过了美国，居世界领先地位。超精加工机床的加工精度已达亚微米级(0.1µm以下)，粗糙度达Ra0.01µm，最高水平的机床已用于制造超大规模集成电路，刻线宽度可达0.3µm。 
德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床，也都处于世界先进水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精车床，最大加工直径Ø200mm，长度200mm，其加工<