精密超精密加工技术的发展及应用
1、概述
精密和超精密加工技术的发展，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，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切[1]。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
我国是制造业大国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造上也小有成就。但是和发达国家制造强国相比，我国目前仍有差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。
2、国内外精密超精密加工技术发展
通常按照加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指精密加工精度为1-0.1μm，表面粗糙度为
Ra0.1-0.01μm的加工技术。但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
20世纪 60年代初期，随着航天、宇航的发展，精密超精密加工技术首先在美国被提出，并由于得到了政府和军方的财政支持而迅速发展。到了 20世纪 70年代，日本也成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划，将该技术列入高新技术产业，经过多年的发展，使得日本在民用光学、电子及信息产品等产业处于世界领先地位[2]。 2.1 国外发展
超精密加工发展到今天，已经取得了重大进展，超精密加工以不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。
超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。其加工机理随着加工单位(加工应力作用的范围)和工件材料的不均质程度(材料缺陷或因加工产生缺陷)不同而异，如图1所示[3]。
图1 不同加工单位的变形破损
超精密加工技术的发展经历如下三个阶段：
1）20世纪50年代至80年代，美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术，用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。
2）20世纪80年代至90年代，进入民间工业的应用初期。美国的摩尔公司、普瑞泰克公司，日本的东芝和日立，以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下，将超精密加工设备的商品化，开始用于民用精密光学镜头的制造。单超精密加工设备依然稀少而昂贵，主要以专用机的形式订制。在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床，但其加工效率无法和金刚石车床相比。
3）20世纪90年代后，民用超精密加工技术逐渐成熟。在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下，超精密加工技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板、半导体基片等零件的加工。随着超精密加工设备的相关技术，例如精密主轴部件、滚动导轨、静压导轨、微量进给驱动装置、精密数控系统、激光精密检测系统等逐渐成熟，超精密加工设备成为工业界常见的生产设备。此外，设备精度也逐渐接近纳米级水平、可加工工件的尺寸范围也变得更大，应用越来越广泛。随着数控技术的发展，还出现了超精密五轴铣削和飞切技术。已经可以加工非轴对称非球面等复杂零件。
目前，超精密机床以及超精密切削、超精密磨削和精密抛光等技术已日趋完善。
1）超精密机床。超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件。 型号(生产厂家) 径向跳动(μm) 主轴 轴向跳动(μm) 径向刚度(N/μm) 轴向刚度(N/μm) Z向(主轴)直线度 导轨 X向(刀架)直线度 X、Z向垂直度(\重复定位精度(μm) 加工 工件 精度 位置反馈系统分辨率(μm) 温控精度(℃) 隔振系统固有频率(Hz) 25 ±0.006 2 2.5 ±0.1 - 10 - - 表面粗糙度(μm) 0.0075(P-V值) Ra0.002 0.002～0.005RMS 形面精度(μm) M-18AG (莫尔特殊机床,美国) ≤0.075 ≤0.05 - - ≤0.5μm/230mm ≤0.5μm/410mm 1 1(全程) 0.5(25.4mm) 平面度：0.3 Ultraprecision CNC machine Ultraprecision Lathe (东芝,日本) ≤0.05(500r/min) ≤0.05(500r/min) 100 200 - - - - ＜0.1(P-V值) (IPT，德国) ≤0.048 - - - 0.044μm/80mm 0.044μm/80mm - - 0.1 加工范围(mm) 356 650×250 - 图2 国外典型的超精密机床性能指标 目前国际上主要生产超精密机床的厂家主要有：美国摩尔公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，这几家公司占据了绝大部分的市场份额。日本的东芝机械、不二越公司、丰田工机、发那科公司等。德国先代士劳尔公司、奥普特公司是生产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家。 目前美国超精密机床的水平最高，不仅有不少工厂生产中小型超精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要， 研发了大型超精密机床， 其代表是 LL国家实验室于 1983～1984 年研制成功的 DTM-3 和LODTM 大型金刚石超精密车床，这两台机床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床。 英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一。英国克兰菲尔德公司以其精加工技术闻名于世，曾生产 HATC 300 等超精密车床。1991 年克兰菲尔德公司研制成功用于加工X射线天体望远镜用反光镜的 2.5 m×2.5 m 大型超精密机床，可用于精密磨削和坐标测量。这是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构。 2）超精密切削技术。采用微量切削可以获得光滑而加工变质层较少的表面。最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径越小，则最小切削厚度越小。因此，具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造是实现超精密切削的关键技术之一。超精密切削用刀具材料目前均采用天然单晶金刚石。国外金刚石刀具制造厂商主要有英国的康图公司、日本的大阪钻石工业 株式会社。目前国外高精度圆弧刃金刚石刀具的刃磨水平最高已达到数纳米。 德国夫琅和费生产技术学院用微小单晶金刚石刀具加工出表面特征结构尺寸小于100 μm的金字塔微棱镜阵列和壁厚1.5 μm、 高200 μm 的微薄壁结构，采用快速伺服刀架还加工出具有微反光面阵列的集成镜片[4]（图3）。
图3 具有微反光面阵列的集成镜片
3）超精密磨削技术。随着科学技术的不断发展，在机械、电子、通信、空间、光学等尖端技术和国防工业领域中，硬脆材料高精度，高表面质量的零件获得了广泛的应用，如单晶硅片、工程陶瓷、光学玻璃、光学晶体、蓝宝石基片等，超精密磨削技术就是为适应这些材料的高精度高表面质量的加工需要而发展起来的，硬脆材料超精密磨削可获得高度的镜面，具有很大的发展潜力。
在线电解修整(Electrolytic in-process dressing, ELID)磨削技术是日本物理化学研究所OHMORI 等于 1987 年提出的磨削新工艺，它利用在线的电解作
用对金属基砂轮进行修整，使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工，从而达到超精密镜面磨削。ELID 磨削工艺很好地解决了金属砂轮的钝化和修整难题，保持了砂轮的锋利性。 2.2 国内发展
我国 1965 年研制出镜面外圆磨床，加工圆度优于 0.3 μm，表面粗糙度 Ra0.01 μm 以下。1968年研制成功单晶金刚石镜面车床，可使黄铜件的表面粗糙度达 Ra0.025 μm 以下。20 世纪 70 年代后期制成了高精度磁盘车床，主轴回转精度值优于 0.2 μm。在 20 世纪 90 年代后期多家单位相继研制成功了非球面超精密加工设备，这标志了我国超精密加工设备的水平上到了一个新的台阶。
哈尔滨工业大学是国内最早从事超精密加工技术研究的单位之一， 于 1996 年研制出了亚微米级的超精密机床，并在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作， 2006 年研制成的大平面超精密铣床，已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工。长春光机所的二元光学元件激光直接写入设备可实现极坐标和直角坐标写入,写入最大口径 !400mm，位移灵敏度 0.03μm，回转速度 60～
[5]
600r/min，回转轴系径向跳动0.023μm。国防科技大学研制的非球面加工机床可加工最大口径 650mm 的光学玻璃，其加工零件表面粗糙度为2～5nm[6]。
我国超精密机床虽然近几年有了很大发展，但和发达国家相比还有很大差距，主要表现在超精密非球面车床还不能生产；机床的精度一般比国外要低一个等级；机床精度的保持时间大大低于国外；精密空气主轴、微位移机构、精密 CNC伺服系统，机床热变形和精密恒温控制、结构稳定性和防振隔振技术都亟待深入研究，因此对精度要求高的精密和超精密机床，还不得不从国外进口。 3、精密超精密加工技术的应用 现代机械加工总体朝着高精度、高效率和专用的方向发展,高精度是以不断提高产品制造精度和降低表面粗糙度为目标。 3.1 超精密加工在微光学元件中的应用
微光学是一门属于多门前沿学科交叉领域的新兴科学[7]。微光学元件（MOC） ，指面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。自由光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面、 渐开面等），和没有任何对称轴的非回转非球面。微结构是指具有特定功能的微小表面拓扑形状， 如凹槽、微透镜阵列等，如图4所示的微金字塔结构表面。这些结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。
图 4 微金字塔结构
由于受应用需求的驱动，对微光学元件加工技术的研究也在不断深入，出现了多种现代加工技术，如电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、 LIGA 技术，复制技术和镀膜技术等。另一种方法就是超精密机械加工方法，超精密机械加工技术是利用刀具改变材料形状或破坏材料表层，以切削形式来达到所要求的的形状。如单晶金刚石车削与铣削、磨削、快速切削和机械抛光等。 对微光学元件设计者和制造者来说，单晶金刚石超精密加工技术具有很多优势，比如，能够加工真正的三维结构； 加工零件的成形精度达亚微米级； 表面粗糙度达Ra值5nm，有些材料甚至可以达到1nm；能够加工大深宽比的结构等。因此， 在过去十几年内，超精密加工技术在微光学元件加工中的应用实例也在逐渐增多。
3.2 精密加工在航发叶片中的应用
当前航空发动机从涡喷系列逐步发展到涡扇系列，叶片型面越来越复杂，叶身扭曲弯度变大，叶弦变宽、叶身越来越薄。零件形状日趋复杂，而且对加工精度和表面质量提出了更高的要求。叶片材料由铝合金、不锈钢发展为钛合金、高温合金，呈现硬度高、韧性大，让刀严重，加工表面易变形等特点。
图 5 航发叶片
由于薄壁叶片加工存在较大的变形问题，这类叶片边缘余量仍然采用手工抛光方法来去除，并靠截面样板来保证叶片气动形状。由此导致的主要问题是：叶片的波纹度和截面形状精度难以控制，严重影响发动机的气动性能；叶片之间一致性差，影响发动机的动平衡性能；叶片内应力超过设计要求、表面完整性难以保证，影响发动机的运行寿命。
国内航空发动机精锻叶片边缘加工通常是采用普通铣床切除毛坯上锻造飞边，而后采用手工打磨叶片的进排气边，并通过投影的方法肉眼观察打磨质量。由于航空发动机叶片边缘最小厚度不超过1mm，其截面曲线形状为圆弧或者其它样条曲线，采用手工打磨进排气边，精度很难保证，容易出现弦长超差、方头、截面曲面形状及位置超差、不符合真实R型面要求等问题，导致叶片废品率较高、产品一致性差等问题，严重制约了叶片的量产进度和质量 。
由于砂带磨削同时兼有磨削和抛光的双重作用，其工艺灵活和适应性强，加上砂带磨削具有弹性磨削的特点、在曲面型面平滑过渡方面有很好的拟合效果。利用砂带磨削对航发叶片进行精密磨削和抛光加工可有效解决此类曲面难加工的问题。 4、总结
精密和超精密技术的发展，对一个国家尖端技术和国防工业的发展有着直接的影响，世界各国对次也极为重视，投入很大力量进行技术研发，同时实行技术保密。近年来我国的精密超精密加工技术取得了长足的发展，但是与发达国家相
比仍有很大差距。复杂曲面的精密加工也一直是我国制造业发展的壁垒，而制造业的发展关系着国家经济的长远发展问题，仍需投入大量的研究。 参考文献
[1] 董吉洪.精密和超精密加工机床的现状及发展对策[J].光机电信息，2010,27（10），19-22 [2] 杨辉.高效、极致——精密超精密加工技术的发展与展望[J].航空制造技术，2014,11,26-31 [3] 微细加工技术编辑委员会. 微细加工技术[M]. 北京：科学出版社，1983.
[4] WECK M，KLOCKE F. Manufacturing and applications of non-rotationally symmetric optics[J]. SPIE，1999，3739：94-107.
[5] 张景和，廖江红，刘伟，等.二元光学元件激光直接写入设备的研制[J].仪器仪表学报，2001（2）：154- 157. [6] 王贵林，李圣怡，戴一帆. 光学非球面复合加工机床的设计与精度分析[J].中国机械工程，2004（2）：99- 102.
[7] H.P.赫尔齐克主编，周海宪，王永年等译.微光学:元件、系统和应用[M].北京：国防工业出版社，2002
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