淺論超精密加工快速發(fā)展的必要性及發(fā)展方向

李 婷，謝明軍，杜萬中

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，陜西 榆林 719000)

裝備制造業(yè)是一國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)；為國民經(jīng)濟和社會各行、各業(yè)提供技術(shù)裝備的產(chǎn)業(yè)。其關(guān)聯(lián)度較高、市場需求量較大、資本技術(shù)更為密集，裝備制造業(yè)的水平代表著一國的科技水平，創(chuàng)新能力以及工業(yè)實力。

自從我國將“裝備制造業(yè)”列為國家重點發(fā)展戰(zhàn)略以來，其制造技術(shù)水平已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)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(yè)總體水平相比于歐美、日韓等發(fā)達國家還有一定的差距，差距的關(guān)鍵就在于我國的超精密加工技術(shù)水平還不夠先進。

超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)；也是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的發(fā)展方向；更是現(xiàn)代國防和戰(zhàn)爭的關(guān)鍵技術(shù)。因為但凡以試驗為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，其試驗所需的儀器、儀表和設(shè)備都需要超精密加工技術(shù)來加工制造。因此要想使得我國在未來世界發(fā)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(shù)的發(fā)展速度已迫在眉睫。

1 超精密加工快速發(fā)展的必要性

1.1 超精密加工是一國制造業(yè)水平的重要標志之一

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50年代末60年初就已開始發(fā)展。如美國首先研發(fā)出了單點金剛石切削(Single Point Diamond Turning，簡稱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)進行加工。超精密加工技術(shù)發(fā)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(shù)正在向微納米級的方向發(fā)展。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)，除了涉及機械加工新技術(shù)外，還包括材料、測量、傳感、光學(xué)、現(xiàn)代電子，計算機等諸多高新技術(shù)。因此超精密加工技術(shù)是一國制造業(yè)技術(shù)水平的重要標志。

1.2 超精密加工是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵

先進制造技術(shù)(AMT)其實就是指電子技術(shù)、自動化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來的各種變化并組成新的制造系統(tǒng)。具體就是機械工程、電子工程、自動化控制工程，網(wǎng)絡(luò)信息工程等集多種工程為一體所產(chǎn)生的新技術(shù)、新設(shè)備和新系統(tǒng)的總稱。主要包含：CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAE(計算機輔助分析)、CAPP(計算機輔助工藝設(shè)計)以及CAM(計算機輔助制造)等工程；是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)對現(xiàn)代產(chǎn)品進行設(shè)計、加工、檢測、生產(chǎn)管理、銷售、使用和回收等產(chǎn)品全壽命技術(shù)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(chǎn)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(shè)備、三航裝備以及新能源設(shè)備等都是當(dāng)前先進裝備制造技術(shù)所涉及的行業(yè)和領(lǐng)域。而這些領(lǐng)域都離不開超精密加工技術(shù)；再比如美國提出的汽車制造業(yè)“2 mm工程”使其汽車的質(zhì)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(shù)是先進裝備制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1.3 超精密加工是我國國防工業(yè)快速發(fā)展的需求

現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭和防御靠的是先進的通訊、控制以及武器裝備技術(shù)等，而先進的武器、通訊、控制等設(shè)備的生產(chǎn)、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(dǎo)致美國當(dāng)時研制的激光陀螺儀在飛機上延遲使用20年；再如導(dǎo)彈頭罩等關(guān)鍵元器件的加工精度直接影響其命中率；再如飛控系統(tǒng)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(guān)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(shù)，因此超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代化國防和戰(zhàn)爭的關(guān)鍵技術(shù)支撐，它在現(xiàn)代化國防建設(shè)中起著至關(guān)重要的技術(shù)作用。

1.4 超精密加工是我國信息產(chǎn)品快速發(fā)展的需求

因為計算機技術(shù)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(dǎo)體晶片等；再如噴墨打印機的噴墨頭，復(fù)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(zhì)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(shù)水平在一定程度上約束著我國計算機工業(yè)的快速發(fā)展，因此我國信息產(chǎn)品的快速崛起亟需超精密加工技術(shù)。

1.5 超精密加工是我國民用產(chǎn)品快速發(fā)展的需求

超精密加工能使我國民用機電產(chǎn)品的使用壽命和可靠性，使用性能和質(zhì)量得到大幅度的提升。若要提高汽車、工程機械等裝備發(fā)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(fēng)扇、洗衣機、廚具油煙機等家電產(chǎn)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(chǎn)品提高的錄像、成像效果，就得提高其光學(xué)透鏡的加工精度，這些都需要靠超精密加工技術(shù)來完成。因此要想快速提升我國民用機電產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須更加重視其超精密加工技術(shù)的發(fā)展。

2 超精密加工未來發(fā)展的趨勢

目前超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下七個方面：

1)向精密化方向發(fā)展

超精密加工技術(shù)的關(guān)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(dāng)加工精度要求nm級時，需采用超精密特種加工。如大規(guī)模，超大規(guī)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(zhì)量、性能以及可靠性，超精密加工向精密化方向發(fā)展是必走之路。

2)向智能化方向發(fā)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(tǒng)。智能制造系統(tǒng)能夠在零部件加工制造過程中進行構(gòu)思、推理、分析、判斷和決策等，通過專家與智能機器的協(xié)調(diào)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(yè)關(guān)鍵技術(shù)的超精密加工，向智能化方向發(fā)展是其必然趨勢。

3)向自動化方向發(fā)展

從20世紀初開始，制造業(yè)自動化技術(shù)由剛性自動化逐步向柔性自動化方向發(fā)展。自動化技術(shù)在制造業(yè)中的快速發(fā)展，不但很好的保證了被加工產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，而且有效地提高了其生產(chǎn)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(shè)備取代。如現(xiàn)代化礦井，其井下采煤工作正在向自動化、智能化方向發(fā)展。再如不適合加工技術(shù)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(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的超精密加工，向自動化程度越高的方向發(fā)展就顯得更為重要。

4)向高效化方向發(fā)展

現(xiàn)代加工制造技術(shù)要求，不僅要保證被加工零件精度，還要大幅提高其生產(chǎn)效率。如通訊電子產(chǎn)品、家電用品、電器元件、高精密儀器儀表等的加工。該類產(chǎn)品都屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，要提高其生產(chǎn)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(chǎn)品的加工主要靠超精密加工來完成，因此超精密加工技術(shù)必須向高效化方向發(fā)展[2]。

5)向信息化方向發(fā)展

加工制造的本質(zhì)就是對表述產(chǎn)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(chǎn)品實際上就是產(chǎn)品各種加工信息的物質(zhì)表現(xiàn)。在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，可以認為信息技術(shù)就是制造業(yè)中的一種產(chǎn)業(yè)，若加工信息能在制造業(yè)中最真實的反映到產(chǎn)品品質(zhì)上來，產(chǎn)品的質(zhì)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(chǎn)品成本的投入。因此超精密加工作為現(xiàn)代加工技術(shù)的主流，更應(yīng)向信息化方向發(fā)展。

6)向柔性化方向發(fā)展

所謂柔性化生產(chǎn)是指依靠以計算機數(shù)控機床為主的制造設(shè)備來進行大批量、多品種的生產(chǎn)方式。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進步和人類社會生活水平的日益提高，人們?nèi)粘Ｉ钏褂玫母鞣N機電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷在加快，這就要求現(xiàn)代加工制造企業(yè)必須具備不錯的柔性生產(chǎn)能力來滿足產(chǎn)品市場的需求。而超精密加工技術(shù)更是生產(chǎn)人們?nèi)粘Ｓ闷返闹髁骷夹g(shù)，更應(yīng)該快速地向柔性化方向發(fā)展[3]。

7)向集成化方向發(fā)展

制造業(yè)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(xié)調(diào)，功能和用途更為強大的新的制造系統(tǒng)。制造業(yè)集成首先通過頂層設(shè)計進行統(tǒng)一規(guī)劃，然后分析其原單一制造模塊的功用和相互關(guān)系并對其進行優(yōu)化重組[4]。集成化是未來加工制造業(yè)的主要生產(chǎn)方式，因此超精密加工更應(yīng)盡快向集成化方向發(fā)展。

3 結(jié) 語

超精密加工技術(shù)自50年代開始，已有近半個世紀的發(fā)展歷程。在我國現(xiàn)代裝備制造業(yè)中，各類武器裝備、機械設(shè)備以及機電產(chǎn)品使用的性能、質(zhì)量、壽命以及可靠性的提升，都離不開超精密加工技術(shù)。超精密加工技術(shù)在實現(xiàn)現(xiàn)代高新技術(shù)的過程中起著至關(guān)重要的作用；在未來國際技術(shù)競爭中占據(jù)十分重要的地位。而且隨著現(xiàn)代科技的進步和發(fā)展，以及新材料、新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)、將會對超精密加工技術(shù)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(shù)快速發(fā)展的必要性，七個方面闡述了未來超精密加工技術(shù)發(fā)展的方向。隨著我國制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷調(diào)整、相應(yīng)制度和措施的不斷完善，同時在全體制造業(yè)科研、技術(shù)人員的共同努力下，相信我國制造業(yè)的超精密加工技術(shù)會快速、健康地向正確方向發(fā)展。