关于超精密加工技术的研究

贾柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北华航天工业学院 河北廊坊市 065000）

关于超精密加工技术的研究

贾柔柔 曹智力 桑田 李天佑

（北华航天工业学院 河北廊坊市 065000）

随着当今科学技术的发展，超精密加工技术的发展是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要保证。当今市场对产品质量和产品多样化的要求正在逐步提高，也对超精密加工技术提出了更多的要求。超精密加工技术已成为一个复杂系统工程，包含了当今高新技术的快速发展。在本文中，笔者着重介绍了各种超精密加工技术的内涵、国内外研究现状以及发展过程与趋势等内容，我还对未来应研究开发的超精密技术的重要科学技术问题进行了相应的论述。本文中笔者还分析了我国在超精密加工领域中存在的问题，拉开了与国外相关先进技术的差距，最后，我提出了我国发展超精密技术的对策，希望能对我国的超精密加工技术的发展带来积极的意义。

超精密加工；研究现状；发展趋势

引言

超精密加工技术在我国的发展取得了一定的成果，但是相对于国外发达国家来说，我们的差距还是非常大的，我国在近几年始终采用当代最新科技成果来提高加工精度，取得了不错的成果，精密加工技术随科技的发展而不断更新。精密加工技术的发展将会直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视。我国也提高了对精密加工技术的关注度，并且取得了不错的成果。

超精密加工目前包括四个领域：①超精密切削加工；②超精密磨削加工；③超精密抛光加工；④超精密特种加工（如电子束、离子束加工）。本文将重点介绍超精密切削、超精密磨削和超精密抛光技术。

1 我国超精密机床的发展情况

西方国家的禁运限制使我国对国外超精密机床的进口受到了限制。在1998年，我国的数控超精密机床研制成功，西方对我国实行了开禁政策，我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，但是在超精密机床加工技术领域，我们与国外的差距还是非常大的，国产超精密机床的质量水平还有非常大的进步空间。我国在多功能和高效专用超精密机床方面基本上仍是空白。

2 精密磨削和精密研磨技术的发展

2.1 精密镜面磨削技术的发展

最近几年，国外对精密磨削和精密研磨技术的研究取得了很大的进展。日本研制成功了镜面磨削新工艺，这种新工艺可以对多种不同材料零件的平面、外圆和内孔进行镜面磨削的操作。在这种工艺水平下，磨削表面粗糙度可以达到镜面水平。根据市场经济的发展来看，ELID精密镜面磨削工艺有着很好的生产应用前景。我国的哈尔滨工业大学已研究并掌握了这项精密磨削新工艺，这说明我国在这一领域的研究有了突破性的进展。

2.2 精密平面研磨技术的发展

精密研磨技术在我国也有着不错的发展进度，特别是用于制造大规模集成电路的精研技术有很大的提高。精密平面研磨技术对硅基片的质量要求是非常严格的，但我国的硅基片的生产都是采用国外引进的工艺。我国亟需自主研究开发硅基片的制造工艺和生产设备，这样会大大促进我国精密加工技术的快速发展。

3 非球曲面精密加工技术的进展

3.1 非球曲面磨削技术的发展

目前，高精度非球曲面和自由曲面的应用日趋广泛，相应的加工制造技术亦发展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控镜面磨床，以后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在国外生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种可用于磨制各种精密自由曲面的多坐标数控磨床。

3.2 精密自由曲面抛光技术的发展

高精度自由曲面现在多数采用抛光工艺作为最终加工工序。目前国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床。加工曲面时，可根据实测的镜片曲面误差，控制抛光头的抛光时间和压力，使曲面抛光工艺实现了半自动化。

3.3 精密曲面磁流体抛光技术

国外最近发展了两种新型的曲面精密研磨抛光加工方法：①用磁流体进行抛光；②用气囊进行抛光。磁流体抛光的原理是采用永久磁铁或电磁铁工具将混有磨料的磁流体吸附在工具端部，对工件表面进行抛光。电磁铁工具通电后，磁流体吸附在反射镜工具的端部进行抛光加工，由于磁流体外形可随工件外形自动变化，因此对磁铁工具的外形要求不严格，较易加工制造。除可用平面工具吸附磁流体进行抛光外，也可采用杆状工具，一端吸附磁流体，代替立铣刀在多轴数控联动机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光加工可获得很高的表面质量。

3.4 精密曲面气囊抛光技术

气囊抛光工艺是不久前由英国公司研制成功的一种加工精密曲面的新方法，抛光工具的工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊，抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对进给运动（一般是工件作三轴联动的进给运动），使工件的全部表面都能被抛光。抛光时，工具气囊还需同时作摆动（摆动中心为汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜层磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。超精密磨削是超精密加工技术中能够兼顾加工精度、表面质量和加工效率的加工手段。超精密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减少或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法，超精密抛光是目前最主要的终加工手段。抛光过程的材料去除量十分微小，一般在几微米以下。图1给出了目前各种典型超精密加工方法的加工精度范围。

图1 目前各种超精密加工方法的精度范围

4 结语

超精密加工技术是现代高科技产业和科学技术的发展基础，引领了现代制造科学的重要发展方向。以超精密加工技术为支撑的高性能武器在现代战争中起着非常重要的作用。以超精密加工技术为支撑的三代半导体器件为电子以及信息产业的发展奠定了良好的基础。现代科学技术的发展都以超精密加工技术为支撑。超精密加工应用范围广泛，从软金属到半导体、玻璃、陶瓷等非金属材料，几乎所有的材料都可利用超精密加工技术进行加工。现代机械工业致力于提高加工精度的主要原因是：①提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；②促进产品的小型化；③增加零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配进程。随着现代工业技术的发展，超精密加工在经济社会发展中起着非常重要的作用，而且它对国防、航空航天、核能等高新技术领域也有着重要的影响，在当今社会，超精密加工应用了机械技术发展的新成果以及计算机等高新技术，它是一个国家科学技术水平和综合国力的重要标志，因此受到各工业发达国家的高度重视。

TG66

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1004-7344（2016）12-0274-01

2016-4-10