精密超精密加工技术发展趋势

 

1  超精密加工技术基础理论和实验还需进一步不断发展

 

所谓超精密加工技术基础理论，是指在了解并掌握超精密加工过程的基本规律和现象的描述后才能驾驭这一过程，取得预期结果。例如上世纪90年代初，日本学者用金刚石车刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的连续切屑的照片，当时认为达到了1nm的切削厚度，已成为世界最高水平，并至今无人突破（如图4）。那么超精密切削极限尺度是多少、材料此时是如何去除的，此外超精密加工工艺系统在力、热、电、磁、气等多物理量/

 

场复杂耦合下的作用机理是什么、此时系统的动态特性、动态精度及稳定性如何保证等都需要得到新理论的支持。

 

     随着计算机技术的发展，分子动力学仿真技术从20世纪90年代开始在物理、化学、材料学、摩擦学等领域得到了很好的应用，美国、日本等国首先应用该技术研究纳米级机械加工过程，国内从21世纪初在一些高校开始应用分子动力学仿真技术对纳米切削及磨削过程进行研究，可描述原子尺寸、瞬态的切削过程，在一定程度上反映了材料的微观去除机理，但这一切还有待于实验验证。

 

2  被加工材料和工艺方法也在不断扩展

 

钛合金是航空最常用的材料之一，氢作为有害杂质元素对钛合金的使用性能有极其不利的影响，如会引起钛合金氢脆、应力腐蚀及延迟断裂等，但是近年来研究表明通过合理有效地控制渗氢、相变及除氢等过程，获得钛合金组织结构的变化，从而可以改善其加工性能，提高加工表面质量和效率。同样通常认为黑色金属是无法利用天然金刚石进行超精密切削加工的，多年来也一直在进行各种工艺研究，如利用低温流体（液氮或二氧化碳）冷却切削区进行低温冷却车削、采用超声振动切削黑色金属、采用金刚石涂层刀具等，采用离子渗氮和气体渗氮工艺对模具钢进行处理，但上述方法到目前为止还无法工程化应用。近年来通过离子注入辅助方式改变被加工材料表层的可加工性能，实现硅等硬脆材料复杂形状的高效超精密切削。

 

抗疲劳制造技术的发展为超精密加工技术提出了新的发展方向，超硬材料的精密加工工艺要求控制表层及亚表层的损伤及组织结构、应力状态等参数，如航空发动机轴承材料M50NiL表面处理后硬度超过了HRC70。随着单晶涡轮叶盘和单晶涡轮叶片在航空发动机上的应用，要求被加工材料没有重融层和变质层，从而对精密加工工艺提出了新要求。随着导弹马赫数的增加，要求头罩材料的抗耐磨性提高，已从红外材料向蓝宝石材料头罩乃至金刚石材料发展，形状也从球形向非球面乃至自由曲面发展，对超精密加工设备、工艺及检测技术提出了新的要求。

 

3  微纳结构功能表面的超精密加工技术

 

微结构功能表面具有特定的拓扑形状，结构尺寸一般为10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微结构具有纹理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，如凹槽阵列、微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构使得元件具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等，如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性，或者具备特定的光学性能等。例如在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构形成功能性表面，不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻，减小摩擦，还可以避免结冰层形成，提高空气动力学和热力学功能，从而达到增速、增程、降噪等目的，同时表面特定的微结构特征还能起到隐身功能，增强突防能力。

 

在民用方面最典型的例子是游泳运动员的泳衣表面增加了一些微结构，俗称鲨鱼皮泳衣，结果使运动员的成绩有了大幅度的提高，使国际泳联不得不禁止使用这种高科技的泳衣。此外微结构功能表面在光学系统、显示设备、聚光光伏产业、交通标志标牌、照明等领域被广泛应用，如LCD 显示器的背光模组的各种光学膜片，背光模组关键件—导光板、扩散板、增光膜等，聚光光伏太阳能CPV 系统的菲涅尔透镜，道路标示用微结构光学膜片、新一代LED 照明用高效配光结构等。

 

在未来零部件设计与制造将会增加一项功能表面结构的设计与制造，通过在零件表面设计和加工不同形状的微结构，从而提高零部件力学、光学、电磁学、升学等功能，这将是微纳制造的重要应用领域，2006年成立的国际纳米制造学会经专家讨论并认同，纳米制造中的核心技术将从目前以MEMS技术逐步转向超精密加工技术。

 

4  超精密加工开始追求高效

 

超精密加工技术从发展之初是为了保证一些关键零部件的最终精度，所以当初并不是以加工效率为目标，更多关注的是精度和表面质量，例如一些光学元件最初的加工周期是以“年”为加工周期。但是随着零件尺寸的进一步加工增大和数量的增多，目前对超精密加工的效率也提出了要求。例如为了不断提高观察天体范围和清晰度，需不断加大天文望远镜的口径，这就同样存在天文版的摩尔定律，即每隔若干年，光学望远镜的口径增大一倍，如建于1917年位于美国威尔逊山天文台的Hooker望远镜的口径为2.5m，是当年全世界最大的天文望远镜；到1948年被Hale望远镜取代，其口径达到了5m；1992年新建成的Keck望远镜的口径达到了10m，目前仍在发挥着巨大的作用。目前正在计划制造的巨大天文望远镜OWL主镜口径达到100m，由3048块六边形球面反射镜组成，次镜由216块六边形平面反射镜组成，总重约1~1.5万t，按照目前现有的加工工艺，可能需要上百年的时间才能完成。此外，激光核聚变点火装置（NIF）需要7000多块400mm见方的KDP晶体，如果没有高效超精密加工工艺，加工时间也无法想象。为此需要不断开发新的超精密加工设备和超精密加工工艺来满足高效超精密加工的需求。

 

5  超精密加工技术将向极致方向发展

 

随着科技的进步，对超精密加工技术已经提出了新的要求，如要求极大零件的极高精度、极小零件及特征的极高精度、极复杂环境下的极高精度、极复杂结构的极高精度等。

 

欧洲南方天文台正在研制的超大天文望远镜VLT反射镜为一块直径8.2m、厚200mm的零膨胀玻璃，经过减重后重量仍然达到了21t。法国REOSC公司负责加工，采用了铣磨、小磨头抛光等加工工艺，加工周期为8~9个月，最终满足了设计要求，目前许多新的超精密加工工艺如应力盘抛光、磁流变抛光、离子束抛光等出现为大镜加工提供了技术支撑。前面提到的微纳结构功能表面结构尺寸小到几个微米，如微惯性传感器中的敏感元件挠性臂特征尺寸为9μm，而其尺寸精度却要求±1μm。

 

美国国家标准计量局研制的纳米三坐标测量机（分子测量机）是实现如何在极复杂环境下的极高精度测量的典型例子，该仪器测量范围50mm×50mm×100μm，精度达到了1nm，对环境要求及其严格，最内层壳温度控制17±0.01℃，次层壳采用主动隔振，高真空层工作环境保持1.0×10-5Pa，最外层壳用于噪声隔离，最后将整体结构安装在空气弹簧上进行被动隔振。自由曲面光学曲面精度要求高、形状复杂，有的甚至无法用方程表示（如赋值曲面），但由于其具有卓越的光学性能近年来应用范围不断扩大，但自由曲面光学零件的设计、制造及检测等技术还有待于进一步发展。

 

6  超精密加工技术将向超精密制造技术发展

 

超精密加工技术以前往往是用在零件的最终工序或者某几个工序中，但目前一些领域中某些零部件整个制造过程或整个产品的研制过程都要用到超精密技术，包括超精密加工加工、超精密装配调试以及超精密检测等，最典型的例子就是美国的美国国家点火装置（NIF）。

 

为了解决人类的能源危机，各国都在研究新的能源技术，其中利用氘、氚的聚变反应产生巨大能源可供利用，而且不产生任何放射性污染，这就是美国国家点火工程。我国也开始了这方面的研究，被称为神光工程。NIF整个系统约有2个足球场大小，共有192束强激光进入直径10m的靶室，最终将能量集中在直径为2mm的靶丸上。这就要求激光反射镜的数量极多（7000多片），精度和表面粗糙度极高（否则强激光会烧毁镜片），传输路径调试安装精度要求极高，工作环境控制要求极高。对于直径为2mm的靶丸，壁厚仅为160μm，其中充气小孔的直径为5μm，带有一直径为12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困难在于其深径比大、变截面，可采用放电加工、飞秒激光加工、聚焦离子束等工艺，或采用原子力显微镜进行超精密加工。系统各路激光的空间几何位置对称性误差要求小于1%、激光到达表面时间一致性误差小于30fs、激光能量强度一致性误差小于1%等。如此复杂高精度的系统无论从组成的零部件加工及装配调试过程时刻都体现了超精密制造技术。场复杂耦合下的作用机理是什么、此时系统的动态特性、动态精度及稳定性如何保证等都需要得到新理论的支持。

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