淺論超精密加工快速發展的必要性及發展方向

李 婷，謝明軍，杜萬中

(榆林職業技術學院 礦業工程系，陜西 榆林 719000)

裝備制造業是一國國民經濟的基礎、戰略性產業；為國民經濟和社會各行、各業提供技術裝備的產業。其關聯度較高、市場需求量較大、資本技術更為密集，裝備制造業的水平代表著一國的科技水平，創新能力以及工業實力。

自從我國將“裝備制造業”列為國家重點發展戰略以來，其制造技術水平已經取得了突飛猛進的發展，尤其是很多大型軍用、民用裝備的制造水平已躍居世界前列，但我國制造業總體水平相比于歐美、日韓等發達國家還有一定的差距，差距的關鍵就在于我國的超精密加工技術水平還不夠先進。

超精密加工技術是現代科技和產業的發展基礎；也是現代裝備制造業的發展方向；更是現代國防和戰爭的關鍵技術。因為但凡以試驗為基礎的科學技術，其試驗所需的儀器、儀表和設備都需要超精密加工技術來加工制造。因此要想使得我國在未來世界發展的舞臺中占有舉足輕重的地位，進一步提升超精密加工技術的發展速度已迫在眉睫。

1 超精密加工快速發展的必要性

1.1 超精密加工是一國制造業水平的重要標志之一

超精密加工技術主要體現在高精密儀器，設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、核能以及大規模集成電路等尖端技術的發展，超精密加工技術從20世紀50年代末60年初就已開始發展。如美國首先研發出了單點金剛石切削(Single Point Diamond Turning，簡稱SPDT)技術，即"微英寸技術"，航天載人飛船所用的球面、非球面大型零件，導彈頭罩以及激光核聚變反應的反射鏡等都得使用超精密加工技術進行加工。超精密加工技術發展到20世紀80年代初，其加工精度可達10 nm(1 nm=1×10-8m)，表面粗糙度可達1 nm，目前超精密加工技術正在向微納米級的方向發展。超精密加工技術是集多門學科發展的一門綜合技術，除了涉及機械加工新技術外，還包括材料、測量、傳感、光學、現代電子，計算機等諸多高新技術。因此超精密加工技術是一國制造業技術水平的重要標志。

1.2 超精密加工是先進制造技術的基礎和關鍵

先進制造技術(AMT)其實就是指電子技術、自動化技術，網絡信息技術等給傳統制造技術帶來的各種變化并組成新的制造系統。具體就是機械工程、電子工程、自動化控制工程，網絡信息工程等集多種工程為一體所產生的新技術、新設備和新系統的總稱。主要包含：CAD(計算機輔助設計)、CAE(計算機輔助分析)、CAPP(計算機輔助工藝設計)以及CAM(計算機輔助制造)等工程；是綜合利用現代信息技術和現代管理技術對現代產品進行設計、加工、檢測、生產管理、銷售、使用和回收等產品全壽命技術過程的總稱。如電火花加工、激光加工、電子束加工等特種加工；生產線的自動控制、加工、檢測、裝配；機器人、3D打印、飛機制造、汽車制造、城市軌道交通設備、三航裝備以及新能源設備等都是當前先進裝備制造技術所涉及的行業和領域。而這些領域都離不開超精密加工技術；再比如美國提出的汽車制造業“2 mm工程”使其汽車的質量和整體性能趕上了歐洲和日本的水平。因此超精密加工技術是先進裝備制造技術的基礎和關鍵。

1.3 超精密加工是我國國防工業快速發展的需求

現代化的戰爭和防御靠的是先進的通訊、控制以及武器裝備技術等，而先進的武器、通訊、控制等設備的生產、加工均離不開超精密加工。如20世紀60年代初還沒有解決須使用脆性材料制造的陀螺儀的腔體和反射鏡的高精度加工，導致美國當時研制的激光陀螺儀在飛機上延遲使用20年；再如導彈頭罩等關鍵元器件的加工精度直接影響其命中率；再如飛控系統中液壓零部件的加工精度對飛機的壽命、維修以及可靠性都起至關重要的作用。以上這些問題的解決均離不開超精密加工技術，因此超精密加工技術是現代化國防和戰爭的關鍵技術支撐，它在現代化國防建設中起著至關重要的技術作用。

1.4 超精密加工是我國信息產品快速發展的需求

因為計算機技術的進步不光取決于其軟件功能更取決于其硬件性能，如計算機集成電路的芯片、磁板基片、光盤基片以及半導體晶片等；再如噴墨打印機的噴墨頭，復印機的磁頭、感光鼓，激光打印機的多面體等。而以上這些硬件質量和性能的提升都離不開對其制造精度的提高，即就是對其進行超精密加工。目前我國對計算機零部件、元器件的加工精度與美、日、韓等國相比還存在一定的差距，其超精密加工技術水平在一定程度上約束著我國計算機工業的快速發展，因此我國信息產品的快速崛起亟需超精密加工技術。

1.5 超精密加工是我國民用產品快速發展的需求

超精密加工能使我國民用機電產品的使用壽命和可靠性，使用性能和質量得到大幅度的提升。若要提高汽車、工程機械等裝備發動機的功率和效率，并降低其油耗，就必須提高其活塞和汽缸的加工和裝配精度；若要提高電風扇、洗衣機、廚具油煙機等家電產品的使用壽命，并要減少其振動和噪聲，就必須首先提高其滾動軸承的滾動體和滾道的加工精度；若要提高攝像機、照相機等光電產品提高的錄像、成像效果，就得提高其光學透鏡的加工精度，這些都需要靠超精密加工技術來完成。因此要想快速提升我國民用機電產品的質量，就必須更加重視其超精密加工技術的發展。

2 超精密加工未來發展的趨勢

目前超精密加工技術的發展趨勢主要有以下七個方面：

1)向精密化方向發展

超精密加工技術的關鍵是提高對被加工件的尺寸、形狀、位置精度以及表面粗糙度的要求。

超精密加工主要包括切削加工和特種加工兩大類：超精密切削加工(主要有研磨、鏡面磨削，精車等)就是指在車床上用精細研磨后的單晶金剛石車刀對被加工零件進行微量車削加工，其精車切削加工厚度可達1 μm，超精密切削常用來加工用有色金屬制造的平面、球面以及非球面反射鏡等表面光潔度要求較高的零件。如核聚變裝置用的直徑為800 mm非球面反射鏡的加工，其加工精度可達0.1 μm，表面粗糙度可達Rz0.05 μm。當加工精度要求nm級時，需采用超精密特種加工。如大規模，超大規模集成電路板的制造，其加工精度可達0.01 μm。因此要想更大程度的提高我國裝備的質量、性能以及可靠性，超精密加工向精密化方向發展是必走之路。

2)向智能化方向發展

智能制造就是指由專家和智能機器組成的人機一體化制造系統。智能制造系統能夠在零部件加工制造過程中進行構思、推理、分析、判斷和決策等，通過專家與智能機器的協調合作，來取代人在零件加工制造過程中的部分腦力勞動[1]。因此作為加工制造業關鍵技術的超精密加工，向智能化方向發展是其必然趨勢。

3)向自動化方向發展

從20世紀初開始，制造業自動化技術由剛性自動化逐步向柔性自動化方向發展。自動化技術在制造業中的快速發展，不但很好的保證了被加工產品的質量和性能，而且有效地提高了其生產效率，而且很多不適合人去操作的高危工作都逐漸由自動化設備取代。如現代化礦井，其井下采煤工作正在向自動化、智能化方向發展。再如不適合加工技術操作人員長期接近的電火花加工等，其自動化程度就更為重要。因此作為制造業技術基礎的超精密加工，向自動化程度越高的方向發展就顯得更為重要。

4)向高效化方向發展

現代加工制造技術要求，不僅要保證被加工零件精度，還要大幅提高其生產效率。如通訊電子產品、家電用品、電器元件、高精密儀器儀表等的加工。該類產品都屬于大批量生產的產品，要提高其生產效率縮短非加工的輔助時間(如工件的裝夾、定位時間，編程時間等)就顯得尤為重要，同時又要保證被加工件的表面粗糙度，而此類產品的加工主要靠超精密加工來完成，因此超精密加工技術必須向高效化方向發展[2]。

5)向信息化方向發展

加工制造的本質就是對表述產品各種加工制造信息的采集、組合，輸入和處理的過程。最終加工制造出的產品實際上就是產品各種加工信息的物質表現。在現代加工制造業中，可以認為信息技術就是制造業中的一種產業，若加工信息能在制造業中最真實的反映到產品品質上來，產品的質量、性能、壽命以及使用的可靠性才能得到很好的保障，加工信息的作用越來越重要，它在很大程度上決定產品成本的投入。因此超精密加工作為現代加工技術的主流，更應向信息化方向發展。

6)向柔性化方向發展

所謂柔性化生產是指依靠以計算機數控機床為主的制造設備來進行大批量、多品種的生產方式。隨著現代科學技術的飛速進步和人類社會生活水平的日益提高，人們日常生活所使用的各種機電產品更新換代的速度不斷在加快，這就要求現代加工制造企業必須具備不錯的柔性生產能力來滿足產品市場的需求。而超精密加工技術更是生產人們日常用品的主流技術，更應該快速地向柔性化方向發展[3]。

7)向集成化方向發展

制造業的集成就是將原來多個獨立運行的單一制造模塊集成一個加工制造能相互協調，功能和用途更為強大的新的制造系統。制造業集成首先通過頂層設計進行統一規劃，然后分析其原單一制造模塊的功用和相互關系并對其進行優化重組[4]。集成化是未來加工制造業的主要生產方式，因此超精密加工更應盡快向集成化方向發展。

3 結 語

超精密加工技術自50年代開始，已有近半個世紀的發展歷程。在我國現代裝備制造業中，各類武器裝備、機械設備以及機電產品使用的性能、質量、壽命以及可靠性的提升，都離不開超精密加工技術。超精密加工技術在實現現代高新技術的過程中起著至關重要的作用；在未來國際技術競爭中占據十分重要的地位。而且隨著現代科技的進步和發展，以及新材料、新產品的不斷出現、將會對超精密加工技術提出更高的要求。

文章從五個方面論述了加快我國超精密加工技術快速發展的必要性，七個方面闡述了未來超精密加工技術發展的方向。隨著我國制造業發展戰略的不斷調整、相應制度和措施的不斷完善，同時在全體制造業科研、技術人員的共同努力下，相信我國制造業的超精密加工技術會快速、健康地向正確方向發展。