【原】國(guó)內(nèi)頂尖大咖齊聚！超精密加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與解析

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中所涉及儀器，必然呈現(xiàn)出精密化發(fā)展趨勢(shì)。精密加工和超精密加工技術(shù)已成為機(jī)械制造技術(shù)的前沿標(biāo)志。它反映著一個(gè)工業(yè)國(guó)家機(jī)械加工的水平，是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐技術(shù)，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)！

超精密加工技術(shù)是六十年代應(yīng)電子、計(jì)算機(jī)、宇航及激光尖端技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門新興工藝技術(shù)。在三十年的時(shí)間里，利用近代先進(jìn)的技術(shù)和工藝使機(jī)械加工精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，目前正從微米、亞微米向納米級(jí)精度邁進(jìn)。納米米制造是超精密加工前沿的課題，世界發(fā)達(dá)國(guó)家均予以高度重視。提高制造精度能夠改善產(chǎn)品性能和質(zhì)量、提高其穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)產(chǎn)品小型化，并增強(qiáng)零件的互換性，從而提高轉(zhuǎn)配生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，降低單位產(chǎn)出的能耗和材料消耗，所以，機(jī)械工業(yè)一直致力于提高加工精度。現(xiàn)如今，無(wú)論是科研領(lǐng)域還是生產(chǎn)領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)都得到了必要的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)的重要性是不言而喻的，直接關(guān)系到工藝事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

另外，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，所需試驗(yàn)儀器和設(shè)備幾乎無(wú)一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。超精密加工技術(shù)是集多門學(xué)科發(fā)展的一門綜合技術(shù)，除了涉及機(jī)械加工新技術(shù)外，還包括材料、測(cè)量、傳感、光學(xué)、現(xiàn)代電子，計(jì)算機(jī)等諸多高新技術(shù)。因此超精密加工技術(shù)是一國(guó)制造業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此要想使得我國(guó)在未來(lái)世界發(fā)展的舞臺(tái)中占有舉足輕重的地位，進(jìn)一步提升超精密加工技術(shù)的發(fā)展速度已迫在眉睫。

超精密加工，其一般是指某一階段所能達(dá)到的最高加工精度的機(jī)械加工方法的總稱，并非固定不變，而是與時(shí)俱進(jìn)的，現(xiàn)階段一般定義為形狀尺寸精度可達(dá)到0.01μm、表面粗糙度可達(dá)到0.001μm（即1nm）的機(jī)械加工技術(shù)。

超精密加工技術(shù)主要體現(xiàn)在高精密儀器，設(shè)備上被加工零部件的尺寸、形狀、位置精度以及表面粗糙度等方面。為了滿足航空、航天、航海，激光、核能以及大規(guī)模集成電路等尖端技術(shù)的發(fā)展，超精密加工技術(shù)從20世紀(jì)50年代末60年初就已開(kāi)始發(fā)展。

如美國(guó)首先研發(fā)出了單點(diǎn)金剛石切削(SinglePointDiamondTurning，簡(jiǎn)稱SPDT)技術(shù)，即"微英寸技術(shù)"，航天載人飛船所用的球面、非球面大型零件，導(dǎo)彈頭罩以及激光核聚變反應(yīng)的反射鏡等都得使用超精密加工技術(shù)進(jìn)行加工。

1983年，Taniguchi在總結(jié)眾多超精密加工案例的基礎(chǔ)上，分析綜述了當(dāng)時(shí)超精密加工的現(xiàn)狀，由此預(yù)測(cè)了超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)。他把超精密加工的發(fā)展歷程和趨勢(shì)歸納為圖1.1所示的曲線。

圖：超精密加工的進(jìn)展

經(jīng)過(guò)時(shí)間的檢驗(yàn)，這一領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)律大體上確實(shí)符合圖中曲線的走向。應(yīng)用了最新的機(jī)床、電子、測(cè)量和計(jì)算機(jī)等技術(shù)后，超精密加工可達(dá)到的精度已從60年代初的0.1μm逐步發(fā)展到20世紀(jì)80年代初的加工精度10nm，乃至當(dāng)代的0.001μm，并將進(jìn)一步向原子級(jí)發(fā)展。

另外，現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，在不改變工件材料物理特性的前提下，追求形狀精度、尺寸精度、表面完整性的極限目標(biāo)，可以直接加工出具有納米級(jí)表面粗糙度和亞微米級(jí)面形精度的表面，加工對(duì)象包括軟金屬、難加工材料（如金屬玻璃、不銹鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金、高速鋼等）以及半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料。可以說(shuō)，幾乎所有的材料都可利用超精密加工技術(shù)進(jìn)行加工。所以，當(dāng)前的超精密加工技術(shù)應(yīng)用范圍極其廣泛，在航天航空、國(guó)防軍工以及民用高質(zhì)量、高附加值工業(yè)等領(lǐng)域皆有深入應(yīng)用，并成為了這些領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐技術(shù)，產(chǎn)生了巨大的產(chǎn)值。

比如，據(jù)WinterGreen研究中心的調(diào)查，目前僅超精密光學(xué)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值就超過(guò)萬(wàn)億美元以上，而且，超精密自由曲面加工將進(jìn)一步提升光學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，有學(xué)者估計(jì)，到2019年，僅僅超精密光學(xué)器件市場(chǎng)總值就將達(dá)到1230億美元。

鑒于此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直對(duì)超精密加工倍加重視，認(rèn)為它是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，因?yàn)槠浼庸み^(guò)程通常需要集成機(jī)械學(xué)科發(fā)展的最新成果，并涉及現(xiàn)代電子，傳感器技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的交叉。

在2001年美國(guó)就啟動(dòng)了國(guó)家納米科技推動(dòng)方案（NNI），2002年英國(guó)和日本相繼發(fā)布了多學(xué)科納米研究合作計(jì)劃和納米科技支撐計(jì)劃，引導(dǎo)和推動(dòng)了現(xiàn)代制造技術(shù)由宏觀制造進(jìn)入微觀制造的發(fā)展趨勢(shì)。與美國(guó)、日本等國(guó)家相比，中國(guó)超精密加工技術(shù)還相對(duì)落后。到2017年，我國(guó)制造業(yè)產(chǎn)值約4.5萬(wàn)億美元，已經(jīng)占全世界的33％左右，但單位產(chǎn)值的能耗和材料損耗居世界第一，比發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家高4~10倍。

雖已能生產(chǎn)某些精密機(jī)電產(chǎn)品，但成品率極低，很多核心關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口獲得，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床等超精密設(shè)備仍以進(jìn)口為主。這極大限制了我國(guó)高端精密裝備制造業(yè)的發(fā)展，成為我國(guó)從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要戰(zhàn)略障礙，這充分說(shuō)明了我國(guó)必須大力發(fā)展超精密加工技術(shù)。因此，在國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）以及國(guó)家自然科學(xué)基金“十三五”發(fā)展規(guī)劃中明確將極端制造技術(shù)中的超精密制造列為前沿技術(shù)和重點(diǎn)支持發(fā)展領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)知名高校如天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等正致力于建立超精密加工技術(shù)的研究平臺(tái)，相繼獲得了國(guó)家級(jí)千萬(wàn)級(jí)科研經(jīng)費(fèi)的資助。可以看出，超精密加工技術(shù)即將成為國(guó)內(nèi)機(jī)械學(xué)科的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)代的超精密加工技術(shù)已是一項(xiàng)涵蓋廣泛的系統(tǒng)工程。不僅指特定的加工方法和對(duì)應(yīng)的工藝問(wèn)題，影響其加工精度的重要因素還有：機(jī)床、刀具、材料在線檢測(cè)及誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境（溫濕、隔震、無(wú)塵等）和最重要的表面創(chuàng)成機(jī)理等。目前，超精密加工技術(shù)手段已比較齊全，加工方法涵蓋多個(gè)分支：車、銑等超精密切削加工；超精密磨削加工；超精密拋光加工；電子束、離子束等超精密特種加工。

圖：現(xiàn)階段超精密加工方法的精度范圍

如圖，超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域：

(1)超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。

(2)超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤(pán)的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。

(3) 超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1Lm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)2～5nm。

歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家是當(dāng)前超精密加工強(qiáng)國(guó)，在今后的發(fā)展方向上各有側(cè)重。日本重點(diǎn)發(fā)展的是大批量民用產(chǎn)品的超精密加工，比如：電腦硬盤(pán)上的磁片、非球面透鏡光學(xué)器件、辦公設(shè)備上用的多面鏡、超小型電子和光學(xué)零件等產(chǎn)品。而美國(guó)及歐洲則對(duì)用于大型X射線、紫外線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的超精密加工投入巨大。比如，在美國(guó)NASA發(fā)布的天空開(kāi)發(fā)計(jì)劃中，為了探測(cè)X射線等短波（波長(zhǎng)0.1～30.0nm），就力求超精密加工出1m以上的反射鏡。為了提高發(fā)射率，這類反射鏡表面粗糙度需要達(dá)到?級(jí)，而所用的材料一般為硬度很高的碳化硅，故對(duì)超精密加工技術(shù)要求非常高。

總的來(lái)說(shuō)，盡管自從中國(guó)將“裝備制造業(yè)”列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略后，我國(guó)裝備制造技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已達(dá)世界先進(jìn)水平，但在一些高端產(chǎn)業(yè)上還有短板。目前高端市場(chǎng)基本被美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，成為卡脖子難題！我國(guó)高端制造業(yè)如何突破這一瓶頸成為當(dāng)今時(shí)代最大思考，同時(shí)，這也是對(duì)行業(yè)的創(chuàng)新活力、可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。

基于此，2021年12月13-15日，由DT新材料&中國(guó)超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石與超精密加工論壇將在上海跨國(guó)采購(gòu)會(huì)展中心拉開(kāi)帷幕，特設(shè)極端制造與超精密加工論壇，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)頂級(jí)大咖分享主旨報(bào)告，同時(shí)設(shè)置2大討論：Workshop《復(fù)合材料加工技術(shù)研討會(huì)》、圓桌交流與討論：《超精密加工技術(shù)研討會(huì)》，誠(chéng)摯邀請(qǐng)超精密加工與超硬材料團(tuán)隊(duì)、科研人員、知名企業(yè)共同參與！

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參考文獻(xiàn)：

1、《超精密加工表面創(chuàng)成機(jī)理研究》董增文 南昌大學(xué)

2、《超精密磨粒加工新發(fā)展及應(yīng)用》，DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.13.045

3、《金剛石微粉砂輪超精密磨削技術(shù)》

4、《光學(xué)玻璃超精密拋光加工中材料去除機(jī)理研究綜述》，doi:10.3788/CJL202148.0401014

5、《細(xì)粒度金剛石砂輪超精密磨削硅片的表面質(zhì)量》，

https://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1294.TH.20211022.1717.024.html