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超精密加工技术的发展及其对策 |
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作者：云南省国防工业学校 许茂桃 |
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1 前言
超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。
超精密加工是指亚微米级(尺寸误差为0.3～0.03µm，表面粗糙度为Ra0.03～0.005µm)和纳米级(精度误差为0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm) 精度的加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。
超精密加工主要包括三个领域：
·超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工。
·超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。
·超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1µm。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达2～5nm。
2 国外概况
美国是最早研制开发超精密加工技术的国家。早在1962年，美国就开发出以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密半球车床，其主轴回转精度为 0.125µm，加工直径为Ø100mm的半球，尺寸精度为±0.6µm，粗糙度为Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光学金刚石车床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圆度和平面度达0.025µm，表面粗糙度为Ra0.042µm。在该机床上采用多项新技术，如多光路激光测量反馈控制，用静电电容测微仪测量工件变形，32位机的CNC系统，用摩擦式驱动进给和热交换器控制温度等。
美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的超精密加工车床(BODTM型)，用刀尖半径为5～10nm的单晶金刚石刀具，实现切削厚度为1nm (纳米)的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。
英国是较早从事超精加工技术研究的国家之一。从1979年起，开发用于制造X射线望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀车床。要求反射镜的精度在30mm 范围内的表面凹凸达到6nm以下，整个镜面的形状精度达1µm以下。该机床为保证超精加工，采用了许多新技术。例如采用封装合成花岗岩作为机床基础(总重 48t)，永久磁铁型DC力矩马达驱动的X轴和Z轴，径向和轴向的回转精度为0.1µm，空气轴承支承的旋转工作台，分辨率为0.015µm的 HP5501型激光干涉仪，由HP9826型计算机等构成的X轴、Z轴工件尺寸及形状精度的测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16位CNC控制系统等。英国在80年代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会。Cranfield理工学院是世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度(2kN/µm)气浮精密轴承和主轴系统的单位。
日本的超精密加工技术的研究开发滞后于美国20年，但由于得到有关方面的重视和努力，发展较快。与美国不同，日本完全是出于民用工业的考虑来发展超精密加工技术的，从多棱体反射镜加工机床到磁头微细加工机床，磁盘端面车床，发展到非球面加工机床和短波X射线反射镜面加工机床。1986年日本已把纳米技术作为先进技术探索研究计划中的六大课题之一。日本推行了一个从1991年起，为期 10年，投资250亿日元的研究开发微型机械的大型国家科研计划。在这个计划中，FANUC公司和电气通信大学合作研制的车床型超精密铣床，在世界上首次用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这台铣床具有无摩擦伺服系统和用于微细加工的CAD/CAM 系统，最小数控分辨率为1nm。在对直径为1mm高度差为30µm的复杂曲面进行的微细铣削加工中，获得了Ra0.058µm的表面粗糙度。机床的主要性能：X、Z轴的最小分辨率为1nm，C、B轴的最小分辨率分别为0.0001°和0.00001°，当主轴的最大供气压力为6×106Pa 时，回转速度为55000r/min。微细切削用刀具是一种单晶金刚石伪球头立铣刀。刀尖半径为0.01mm，半刀尖角为75°，刀尖圆弧中心与轴心线有 0.1mm的偏移量。日本的超精加工机床生产厂家有十多家，产品大多采用0.01µm高分辨率的CNC系统和激光干涉仪测量，纳米级光刻已超过了美国，居世界领先地位。超精加工机床的加工精度已达亚微米级(0.1µm以下)，粗糙度达Ra0.01µm，最高水平的机床已用于制造超大规模集成电路，刻线宽度可达0.3µm。
德国、荷兰以及中国台湾的超精密加工机床，也都处于世界先进水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精车床，最大加工直径Ø200mm，长度200mm，其加工形状精度为0.5µm，表面粗糙度Ra0.02µm。而德国主要研究超精密测量技术。
目前世界上超精密加工达到的最高技术水平如下：加工精度0.025µm，表面粗糙度Ra0.0045µm，即已进入了纳米级加工精度的时代。在测量技术方面，对小位移的测量：电容式测头分辨率可做到0.5nm(量程为15µm)和0.1nm(量程为5µm)，线性误差小于0.1%；光电子纤维光学测头的分辨率可到0.5nm(量程为30µm)，线性误差为5%；扫描隧道显微镜(STM)的分辨率可达0.01nm(量程20mm时)；X射线干涉仪的分辨率还做到0.003nm(量程200µm时)。对大长度尺寸的测量，外差式激光干涉仪的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)；氦氖激光(实验室)的分辨率可做到0.01µm(量程为2mm)；莫尔条纹光学尺的分辨率可做到10nm(量程1m)，精度为1µm/m。对角度测量，莫尔条纹角度光学尺的分辨率可做到0.005"(360°范围)，精度0.1"，因此测量方面基本上满足了纳米级加工技术要求。
3 用STM进行微细加工
扫描隧道显微镜(STM)在纳米级尺度上对各种表面进行刻蚀与修饰，实现纳米加工，这是其应用的一个重要领域。
用STM进行表面加工的方法主要有两类：第一类是在金属、半导体或绝缘体表面上直接写入点、线或规定的图形符号。具体方法通常是在STM的恒流模式工作状态下，在针尖上加一定的电压脉冲，或突然缩短针尖与样品间的距离，使针尖下样品表面形成坑、丘等结构变化。
第二类方法是通过STM的电子束引起化学反应，在针尖下的表面微区淀积金属材料。
第一台STM是G·Bining等于1981年研制成功的。现在装置的结构、防震、稳定性和分辨率等方面都日趋完善。在原理上，STM与通常的电子束一样，在固体器件制造中可用来进行平面制版加工。其优点是能显示表面的结构形貌，具有原子尺度的分辨率；所涉及的电子能量低(<100eV)，对材料的损伤少；可以在真空、大气、甚至液体中工作；结构远比需聚焦、偏转的离子、电子束装置简单，如直接用于平面结构的制版加工，使现有的VLSI微细工艺水平提高到一个新的量级，对科学技术发展将产生巨大影响。假定写入点的直径为1nm，点中心间距为2nm，数据存贮器的记忆密度可达1013bits/cm2，可以存下300页的书100万本；对于3.5英寸大小的软盘，存入500万本书是可能的。这几乎是我国省级图书馆的全部藏书。
4 我国对超精密加工技术的研究
我国对超精密加工技术的研究起步不晚。基本做法与日本有类似之处，先从电子工业开始，用于加工磁盘、磁鼓、磁头。1965年前后研制出镜面外圆磨床，加工圆度优于0.3µm，表面粗糙度Ra0.01µm以下。1968年研制成功单晶金刚石刀镜面车床，可使黄铜件的表面粗糙度达Ra0.025µm以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盘车床。SI-235型超精密车床，主轴回转精度值优于0.2µm，还有超精球面车床。进入80年代，研制了回转精度达 0.025µm的精密轴系，单晶金刚石刀切削的超精车床和超精铣床，最高分辨率为0.01µm的CNC数控超精密车床等产品，可加工球面和抛物面体、菲涅尔镜等零件。加工形状精度达0.1µm，表面粗糙度达Ra0.025µm以下。最近哈尔滨工业大学研制成功HCM-1亚微米超精密加工机床，其技术性能如表所示。还研制成CSPM-930型STM、AFM 等一批扫描隧道显微镜和原子力显微镜。但与美日相比，还有不小差距，特别是在大型光学和非金属材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自动化技术方面差距尤为明显。国内外典型超精密车床性能指标
| 型号(生产厂家) | HCM-1
(中国哈工大) | M-18AG
(美国Moore Special Tool Co.) | 超精密CNC机床
(日本Toshiba Co.) | 超精密车床
(德国IPT) | 主
轴 | 径向跳动(µm) | | ≤0.075 | ≤0.05(500r/min) | ≤0.048 | | 轴向跳动(µm) | | ≤0.05 | ≤0.05(500r/min) | | | | 径向刚度(N/µm) | 200 | | 100 | | | 轴向刚度(N/µm) | 160 | | 200 | | | Z向(主轴)直线度 | <0.2µm/100mm | ≤0.5µm/230mm | | 0.044µm/80mm | | X向(刀架)直线度 | <0.2µm/100mm | ≤0.5µm/410mm | | 0.044µm/80mm | | X、Z向垂直度(") | ≤1 | 1 | | | | 重复定位精度(µm) | | 1(全程)0.5(25.4mm) | | | 加工工
件精度 | 形面精度(µm) | 圆度：0.1 | 平面度：0.3 | <0.1(P-V值) | 0.1 | | 表面粗糙度(µm) | Ra0.0042 | 0.0075(P-V值) | Ra0.002 | 0.002～0.005RMS | | 位置反馈系统分辨率(µm) | | 25 | 2.5 | 10 | | 温控精度(X) | ≤0.004 | ±0.006 | ±0.1 | | | 隔振系统固有频率(HZ) | ≤2 | 2 | | | | 加工范围(mm) | Ø320 | Ø356 | Ø650×Ø250 | |
5 加强我国超精加工技术开发的若干建议
1) 把发展我国超精密加工技术作为一个科技战略任务来抓，在发展我国超精密加工技术时，应当得到国防工业部门及有关研究单位的大力关心和支持。
2) “十五”期间，在生产线上实现亚微米级、纳米级加工精度，在大型超精加工商品化机床上实现超精加工的自动化。再用10年左右的时间，大体达到美国目前的水平。
3) 单晶金刚石刀具镜面切削作为实现超精密加工的主要方向。
4) 必须抓好以下6个方面的研究工作：
·提高主轴回转精度，如开发高精度(回转误差小于0.02µm甚至8nm)，高刚度(大于2kN/µm)的新型轴承和主轴系。
·提高直线运动精度，结构上采用空气静压(直线度可达0.1～0.2µm/250mm)和液体静压导轨，并利用均化作用提高运动精度。如尽快开发高分辨率(如设定值≤0.01µm至纳米级的定位分辨率)和跟踪误差为零的数控伺服系统，以实现微量进给的驱动系统。
·大力开展在线检测技术的研究，主要抓以下三个方面：①提高检测精度：由于加工精度向紫外线、X射线波长区域移动，所以要不断提高检测精度。②在线检测变被动测量为主动测量。这是实现超精加工自动化的重要手段。③发展动态测量：检测技术中，主要开发纳米精度的长度测量技术和具有Å级或亚Å级(0.01nm)分辨率的表面形貌测量技术；环境温度引起的热漂移及其它误差的在线检测和自动补偿技术；扫描探针显微镜(SPM)的多功能化检测。
·环境保障技术的开发研究：主要研究加工设备和地基的低频(低于25Z)隔振技术；保证±0.01～0.005℃的恒温技术；加工环境的高度清洁和净化(洁净度为20000～3000级以下)技术等。
·材料的超精加工性研究。
·加工理论和工艺方法研究：如借助于“隧道”和“原子力”等扫描探针显微镜(SPM)技术进行分子外延结晶或分子剥除加工技术；可延性磨削；能束加工；纳米级微切削过程的分子动力学分析方法等。(end)
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(12/28/2006) |
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