哲方研究丨浅谈超精密加工：世界科技水平先锋者

超精密加工是世界科技发展的重要前沿领域，它是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。它同样是现代制造技术之一，与传统加工在加工方法、加工精度等方面有着本质的区别，是零件加工精度和质量的飞跃。

超精密加工是指在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。目前，超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm 的加工技术，也可称为亚微米级加工技术，并且正在向纳米级加工技术发展。精密与超精密加工技术以不断提高加工精度和表面质量为目标，在不同的发展时期具有不同的定义，并没有严格的分界线。

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目前世界上的超精密加工强国以欧美和日本为先，但两者的研究重点并不一样。欧美出于对能源或空间开发的重视，特别是美国，几十年来不断投入巨额经费，对大型紫外线、X射线探测望远镜的大口径反射镜的加工进行研究。目前此类反射镜的材料为质量轻且热传导良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，须使用超精密研磨加工等方法。日本对超精密加工技术的研究相对美、英来说起步较晚，却是当今世界超精密加工技术发展最快的国家。日本超精密加工的应用对象大部分是民用产品，包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人造器官等，很多小型和超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面甚至超过了美国。

我国超精密加工行业起步较晚，早期受技术限制，超精密加工设备完全依赖进口，后得益于国内科技技术、研发水平提升，超精密加工行业取得良好成果，高端设备国产化率持续攀升。但总体来看，我国超精密加工行业在加工精度、加工效率、技术配套性方面仍与国际先进水平存在差距，未来仍需大量的研究和资金投入。

发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内容，各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。美国Moore公司2000年生产的五轴联动500FG超精密机床不仅可以加工精密回转体非球曲面，还可以加工精密自由曲面。该加床空气轴承主轴转速20~2000r/min，主轴回转误差 ≤0.025μm。液体静压导轨由无刷直线电机驱动，直线度误差≤0.025μm /300mm ，定位精度0.3μm。

在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE) 享有较高声誉，他是当今世界精密工程研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。英国Cranfield精加工中心于1991年研制成功的OAGM—2500(工作台面积2500mm*2500mm)多功能三坐标联动数控磨床，可加工(磨削 、车削)和测量精密自由曲面，成功加工过天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

20世纪80年代，超精密车削加工技术在美国、英国及日本等国发展较快，可加工铝、铜合金的镜面。但随着机床工业的发展，对床身、导轨、立柱等大中型结构件的精度要求不断提高，仅靠手工研磨已不能适应生产发展的需要。例如三坐标测量机的横梁，陶瓷工件的加工直线性要求1μm/1800mm；半导体制造方面也要求0.5~1μm/500mm*500mm这样高的精度，在这种情况下，日本住友重机械公司经历6年于1985年研制成功的KSX-815超精密平面磨床获得日刊工业新闻社选定的1991年“十大新产品奖”。用该磨床磨削1500mm的工件，直线度达到0.9μm。磨削500mm*500mm的平板，其平面度达到1μm。西铁城公司的SG-530型NC超精密平面磨床为了尽可能地提高精度，消除了摩擦、间隙等非线性因素，采用静压轴承。为控制由于热量引起的机床变形，采用了对称两支承门型结构以及两端支承主轴结构。用该磨床加工500mm*300mm的平板，用自动准直仪测量其平面度为0.6μm ；加工用于激光打印机的透镜(复曲面，即XZ断面和YZ断面具有不同曲率半径 ) ，其形状精度可达0.63μm。

德国JUNG公司是国际上知名度较高的平面磨床，它以精度高、使用寿命长而著称。JUNG公司的主要平面磨产品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作台纵向运动一般都设有两套运动装置，往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。

瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，现在该厂生产的高精度镗床DHP40已加上多轴数控系统成为加工中心，同时为使用高速切削，已将主轴最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心，它的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达到5μm，已达到过去坐标镗床的精度。

我国的超精密加工技术在上世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如精度达到0.025μm精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床等达到了国际先进水平。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。但总的来说，我国在超精密加工机床的效率、精度、可靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外相比，与生产实际要求相比，还有相当大的差距。

影响制约超精密机床结构精度的主要因素有主轴系统、直线导轨、刀具材质和形状、加工方式、机床的抖动和阻尼特性等。

现在有很多新的组合加工方式也能达到很好的表面精度，有着广阔的前景。如EDM+化学腐蚀混合加工，其生产效率高、精度好。

精密加工机床主要由机械系统、测控系统和管理系统组成，各系统间相互作用、相互影响，共同保证超精密机床的加工精度：

超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程，其发展综合利用了基础理论(包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能元件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术、运动控制技术、可重构技术和环境技术等。因此，技术高度集成已成为超精密机床的主要特点。

当今超精密加工加床技术的发展趋势是：技术上不断朝着加工的极限方向发展，向更高精度、更高效率 (设备的整合化) 方向发展，向大型化、微型化方向发展；功能上向加工检测补偿一体化方向发展；结构上向多功能模块化方向发展；功能部件上向新原理、新方法、新材料应用方面发展，总体来讲是向极限制造技术方面发展。

具体来说，超精密机床的未来突破点和展望有以下几点：

超精密机床数控系统的特点是高编程分辨率(1nm) 和高精度的伺服控制软硬件环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件，意味着需要高的控制速度，例如插补周期小于1ms，伺服闭环采样周期小于0.1ms。