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    精密加工的發展
    - 2017-08-04 -

    精密加工的發展經歷了如下三個階段。

          (1)20世紀50年代至80年代為技術開創期。20世紀50年代末,出于航天、國防等尖端技術發展的需要,美國率先發展了超精密加工技術,開發了金剛石刀具超精密切削——單點金剛石切削(Single point diamond tuming,SPDT)技術,又稱為“微英寸技術”,用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起,美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續推出

      各自的超精密金剛石車床,但其應用限于少數大公司與研究單位的試驗研究,并以國防用途或科學研究用途的產品加工為主。這一時期,金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工,也可以加工形狀較復雜的工件,但只限于軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。

      (2)20世紀80年代至90年代為民間工業應用初期。在20世紀80年代,美國政府推動數家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設備的商品化,而日本數家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學等也陸續推出產品,這些設備開始面向一般民間工業光學組件商品的制造。但此時的超精密加工設備依然高貴而稀少,主要以專用機的形式訂作。在這一時期,除了加工軟質金屬的金剛石車床外,可加工硬質金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發出來。該技術特點是使用高剛性機構,以極小切深對脆性材料進行延性研磨,可使硬質金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然,其加工效率和機構的復雜性無法和金剛石車床相比。20世紀80年代后期,美國通過能源部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進制造技術開發計劃”對超精密金剛石切削機床的開發研究,投入了巨額資金和大量人力,實現了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研制出的大型光學金剛石車床(Large optics diamond turning machine,LODTM)成為超精密加工史上的經典之作。這是一臺最大加工直徑為1.625m的立式車床,定位精度可達28nm,借助在線誤差補償能力,可實現長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。

      (3)20世紀90年代至今為民間工業應用成熟期。從1990年起,由于汽車、能源、醫療器材、信息、光電和通信等產業的蓬勃發展,超精密加工機的需求急劇增加,在工業界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期,超精密加工設備的相關技術,例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅動進給軸也逐漸成熟,超精密加工設備變為工業界常見的生產機器設備,許多公司,甚至是小公司也紛紛推出量產型設備。此外,設備精度也逐漸接近納米級水平,加工行程變得更大,加工應用也逐漸增廣,除了金剛石車床和超精密研磨外,超精密五軸銑削和飛切技術也被開發出來,并且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。

      世界上的超精密加工強國以歐美和日本為先,但兩者的研究重點并不一樣。歐美出于對能源或空間開發的重視,特別是美國,幾十年來不斷投入巨額經費,對大型紫外線、x射線探測望遠鏡的大口徑反射鏡的加工進行研究。如美國太空署(NASA)推動的太空開發計劃,以制作1m以上反射鏡為目標,目的是探測x射線等短波(O.1~30nm)。由于X射線能量密度高,必須使反射鏡表面粗糙度達到埃級來提高反射率。此類反射鏡的材料為質量輕且熱傳導性良好的碳化硅,但碳化硅硬度很高,須使用超精密研磨加工等方法。日本對超精密加工技術的研究相對美、英來說起步較晚,卻是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。日本超精密加工的應用對象大部分是民用產品,包括辦公自動化設備、視像設備、精密測量儀器、醫療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面,具有優勢,甚至超過了美國。日本超精密加工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始,而后集中于計算機硬盤磁片的大批量生產,隨后是用于激光打印機等設備的多面鏡的快速金剛石切削,之后是非球面透鏡等光學元件的超精密切削。l982年上市的EastnlanKodak數碼相機使用的一枚非球面透鏡引起了日本產業界的廣泛關注,因為1枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡,光學成像系統因而小型化、輕質化,可廣泛應用于照相機、錄像機、工業電視、機器人視覺、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產品。因而,非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學產業界的研究熱點。

      盡管隨時代的變化,超精密加工技術不斷更新,加工精度不斷提高,各國之間的研究側重點有所不同,但促進超精密加工發展的因素在本質上是相同的。這些因素可歸結如下。

      (1)對產品高質量的追求。為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好,就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發揮,就要求加工后的表面不能殘留加工變質層。按美國微電子技術協會(SIA)提出的技術要求,下一代計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2nm,磁盤要求表面劃痕深度h≤lnm,表面粗糙度Ra≤0.1nmp。1983年TANIGUCHI對各時期的加工精度進行了總結并對其發展趨勢進行了預測,以此為基礎,BYRNE描繪了20世紀40年代后加工精度的發展。

           (2)對產品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從1989~2001年,從6.2kg降低到1.8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導體制造設備的運動精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加,工件的表面質量及其完整性越來越重要。

           (3)對產品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運動的零件,降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性,提高其工作穩定性、延長使用壽命。高速高精密軸承中使用的Si3N4。陶瓷球的表面粗糙度要求達到數納米。加工變質層的化學性質活潑,易受腐蝕,所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發,要求加工產生的變質層盡量小。

      (4)對產品高性能的追求。機構運動精度的提高,有利于減緩力學性能的波動、降低振動和噪聲。對內燃機等要求高密封性的機械,良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰后,航空航天工業要求部分零件在高溫環境下工作,因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料,為超精密加工提出了新的課題。

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