超精密加工的發(fā)展動向和展望

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1、超精密加工的發(fā)展動向和展望超精密加工經(jīng)過數(shù)十年的努力，日趨成熟，不論是超精密機(jī)床、金剛石工具，還是超精密加工工藝已形成了一整套完整的超精密制造技術(shù)系統(tǒng)，為推動機(jī)械制造向更高層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在向納米級精度或毫微米精度邁進(jìn)，其前景十分令人鼓舞。但是從另一個角度來分析，隨著科技的發(fā)展，對它的要求越來越高，而現(xiàn)實(shí)的情況又受到技術(shù)水平的制約，依然存在許多困難。1　綜述超精密加工技術(shù)是一門綜合性的系統(tǒng)工程，它的發(fā)展綜合地利用了機(jī)床、工具、計(jì)量、環(huán)境技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等的進(jìn)步。日本的津和秀夫教授形象地將超精密加工比作富士山的山頂，所以在某種意義上說，已到達(dá)

2、了精密加工的頂峰。日本的文獻(xiàn)上，經(jīng)常出現(xiàn)向極限靠攏的提法。雖然從技術(shù)的角度來說，有些模糊，但是很形象化。實(shí)際上，加工精度在現(xiàn)有的水平上再提高一步已是相當(dāng)困難。以現(xiàn)在的產(chǎn)品而言，凡是要求高的尺寸，大部分是超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的，這從另一個側(cè)面反映了超精密的實(shí)際情況，相當(dāng)多的要求，均以技術(shù)條件的形式來表示，或標(biāo)明具體的特殊公差，而今天除了精度以外，對表面還提出了新的要求——表面完整性。日本谷口紀(jì)男教授往往將超精密加工技術(shù)與微細(xì)加工綜合在一起來加以介紹，客觀上反映了兩種技術(shù)的交叉，也體現(xiàn)了時代的特征。本文想就超精密加工發(fā)展的趨勢，說明一些個人的看法。超精密加工技術(shù)隨著時間的推延，精度、

3、難度、復(fù)雜性等都在向更高層次發(fā)展，使加工技術(shù)也隨之需要不斷加以更新，來與之相適應(yīng)。以金剛石切削為例，其刃口圓弧半徑一直在向更小的方向發(fā)展，因?yàn)樗拇笮≈苯佑绊懙奖患庸け砻娴拇植诙龋c光學(xué)鏡面的反射率直接有關(guān)，而今反射率要求越來越高，如激光陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%，必然要求金剛石刀具更加鋒利，根據(jù)日本大阪大學(xué)島田尚一博士介紹，為了進(jìn)行切薄試驗(yàn)，目標(biāo)是達(dá)到切屑的厚度1nm，其刃口圓弧半徑趨近2～4nm。直至今日，這個水平仍為世界最高的。為了達(dá)到這個高度，促使金剛石研磨機(jī)也改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而采用了空氣軸承作為支承，研磨盤的端面跳動能在機(jī)床上自行修正，使其端面跳動

4、控制在0.5μm以下，我國航空系統(tǒng)303所研制的刃磨機(jī)就是一例。刃口鋒利了，接著其檢測又成為一個難題，起先日本橫濱大學(xué)的中山一雄教授用金絲壓痕的方法；后來發(fā)展到采用掃描電子顯微鏡(SEM)，其測量精度可達(dá)到50nm；隨著精度的再提高，日本的刀尖評價委員會又在SEM上增加了二次電子的發(fā)射裝置，這時也只能測定到20～40nm；1993年，該小組再提出采用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)來進(jìn)行檢測，但以后就未見報(bào)道。直到1996年，我國的華中理工大學(xué)發(fā)表了用AFM檢測的報(bào)道。1998年，哈工大又再次作了報(bào)道。用AFM成功地檢測了刃口圓弧半徑。檢測技術(shù)的突破，的進(jìn)

5、為微量切削機(jī)理一步探索創(chuàng)造了前提。硬脆材料的加工一般均采用研磨等方法，后來日本足利大學(xué)的宮下政和教授發(fā)表了采用金剛石砂輪，控制切削深度和走刀量，在超精密磨床上，可以進(jìn)行延性方式磨削，即使是玻璃的表面也可以獲得光學(xué)鏡面。這在技術(shù)上是一次很大的突破。接著，又發(fā)展到了直接采用大負(fù)前角度的金剛石車刀在上述的類似條件下，也可以獲得同樣的結(jié)果，但車削的效率則明顯的提高。今天又提出如果將超聲波技術(shù)與金剛石切削結(jié)合，更有利于發(fā)揮出功效。我國吉林工大等也作了這種嘗試，并取得成果。砂輪采用金屬結(jié)合劑，一般指的是銅，而為了提高砂輪的壽命，日本東京工業(yè)大學(xué)的中川威雄教授采用了鑄鐵結(jié)合劑，使砂輪的

6、壽命明顯提高，這是很大的突破，隨之，引起了各種結(jié)合劑的研究熱潮。后來日本理化學(xué)研究所的大森整就在這個基礎(chǔ)上，發(fā)展了砂輪的在線電解修整(ELID)技術(shù)，又使超精密加工技術(shù)的途徑得到了拓寬，在鏡面加工方面取得了進(jìn)步。金剛石技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來，給了科技人員很大的激勵，從天然金剛石到人造金剛石，從超硬金剛石薄膜到厚膜的形成，逐漸為在超精密制造技術(shù)方面廣泛采用金剛石工具創(chuàng)造了美好的前景。為了金剛石應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，為突破金剛石切削黑色金屬，一直在進(jìn)行大量的實(shí)踐，如深冷切削、富碳大氣中的切削等，都先后取得一些效果，也有在金剛石的成份中摻入硼，使之與黑色金屬的親和力明顯改善。而今金剛

7、石的刃磨已在探索其他的途徑，如熱化學(xué)研磨即為一例。微量切削的機(jī)理一直是技術(shù)人員所關(guān)切的一個大問題，但是要直接對切削點(diǎn)觀察是異常困難的，現(xiàn)在有提議將切削裝置小型化，放置于SEM的鏡頭下進(jìn)行切削并觀察；日本大阪大學(xué)井川直哉教授等開始采用計(jì)算機(jī)仿真，逐步在向揭開微量切削的奧秘迫近。超精密機(jī)床的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。它是最重要的硬件，它集大量成果于一體，如高精度主軸、微量進(jìn)給裝置、高精度定位系統(tǒng)、氣浮導(dǎo)軌技術(shù)、熱穩(wěn)定性技術(shù)、NC系統(tǒng)等。特別是美國的LLNL實(shí)驗(yàn)室、日本的不二越、東芝機(jī)械等公司、英國的Cranfield、Pneumo、Pr