超精密數控加工技術研究進展

劉麗明，李孝元

（武漢工程科技學院，湖北 武漢 430200）

目前的超精密數控加工技術主要分為4個領域：（1）超精密切削；（2）超精密磨削；（3）超精密拋光；（4）超精密非傳統加工（如電子束加工和離子束加工）。本文主要研究超精密切削、磨削和拋光。超精密切削是指使用金剛石等超硬材料制成的刀具，被加工表面的表面粗糙度達到數納米的切削技術。超精密切削有各種分支：超精密車削、銑削、鏜孔和復合加工（如超精密切削與超聲振動的組合）。超精密磨削是利用具有細/超細磨粒的砂輪和高性能磨床，實現材料去除率高、加工精度小于0.1 μm、表面粗糙度小于25nm的加工方法。在各種加工技術中，超精密磨削保證了加工精度、表面質量和效率。超精密拋光是在軟拋光工具、化學流體或電場/磁場的幫助下，結合精細磨料的機械和化學作用，通常用于獲得無/較少表面/亞表面損傷和高表面質量的超光滑表面。目前，超精密拋光是實現多個納米級加工精度和亞納米級表面粗糙度的主要加工方法。此外，在超精密拋光過程中去除的材料非常少（在幾個微米以下）。

1 超精密數控加工技術發展現狀

超精密數控加工技術是高技術產業的基礎，代表了現代制造科學的發展趨勢，是國防的支撐技術。在現代科學研究中，幾乎所有的實驗裝置和儀器都是以超精密數控加工技術為支撐的。目前，納米級制造處于該領域研究的前沿，越來越受到發達國家的關注。超精密數控加工技術的應用范圍廣泛，包括金屬（如軟金屬）、硬機械材料（如淬火鋼、不銹鋼、高速鋼和硬質合金），以及硬脆非金屬材料（如半導體材料、陶瓷、玻璃）。現代機械工業對數控加工精度的追求主要是由以下目標驅動的：（1）提高產品的性能、質量、穩定性和可靠性；（2）推動產品小型化；提高零部件的互換性，提高裝配效率和自動化程度。隨著現代工業和高科技產品對剛性精度和表面完整性的要求越來越高，超精密數控加工的研究顯得越來越重要。超精密數控加工技術也對其他高科技領域產生了重大影響，如核能、國防、航空航天等。超精密數控加工集機械技術最新成果集電子、光學、傳感器、計算機等新技術于一體，已成為一國經濟實力的指標。由于其日益重要的相關性，這一研究領域已引起許多發達國家政府的高度重視。因此，一些國家啟動了研究項目，包括2001年由美國實施的國家納米技術計劃、英國提出的納米技術跨學科研究合作（IRC）以及2000年在日本實施的納米技術支持項目。從宏觀制造業向微觀制造業的轉變被認為是相關產業的發展趨勢。綜上所述，超精密數控加工技術不僅處于現代制造技術的前沿，也是未來制造技術的基礎。目前，中國制造業產值居世界第四位，約占世界總產值的5%。然而，它的單位能源和物質消耗是世界上最高的（4-10倍于發達國家）。雖然中國有能力生產各種精密產品，但這些產品仍然有限，產量非常低。這是因為一些關鍵部件和設備，如航空發動機和高檔計算機數控（CNC）機，仍依賴進口。2002年，中國進口機器價值42億美元，每臺進口精密數控機床的平均價格為3.3 萬美元。相比之下，中國生產了600萬臺簡單、廉價、低精密的機器，總價值3.8 億美元；一臺機器的平均價格只有60美元，比進口機器的價格低550倍。一些大型精密機器和儀器在中國是被禁止的。此外，中國在超精密數控加工方面的發展還遠遠落后于發達國家，這意味著進口超精密機床的性能普遍優于國產機床。換句話說，中國制造業缺乏核心競爭力，無法支撐中國成為世界制造業的有力競爭者。因此，必須努力改善我國超精密數控加工技術的現狀。

2 國際超精密數控加工的發展

2.1 超精密數控加工技術的發展階段

目前，美國、歐洲和日本在超精密數控加工技術方面處于領先地位。西方國家，特別是美國的研究人員不斷投入巨資，對安裝在大型紫外或x射線望遠鏡上的大口徑反射鏡進行了加工研究。例如，美國宇航局推動的空間發展項目旨在探測短波信號（波長為0.1 -30.0 nm），這需要孔徑大于1m的精密反射鏡。選用導熱性好的輕質碳化硅作為鏡面材料，但其超高硬度顯著增加了加工難度。同時，日本開發的超精密數控加工技術主要集中在民用產品的加工上，如磁盤、辦公設備的多面鏡、光學元件的非球面透鏡等。因此，日本在小型和超小型電子和光學元件的超精密數控加工方面具有很強的競爭力。目前超精密數控加工技術的目標是實現終極加工指標，即輪廓和尺寸精度、表面粗糙度和表面完整性。影響加工精度的幾個因素，如加工機構、工件材料、加工設備和工具、夾具、誤差檢測和補償、加工環境（如溫度、振動、清潔度）、加工工藝。世界各地的研究人員進行了系統的研究，使這一領域不斷取得進展。

2.2 超精密數控加工基礎研究的發展

超精密數控加工是指每個局部加工點的微變形或材料去除效果的結合。當硬脆性材料（如陶瓷、單晶硅）表面用硬切削頭開槽時，會出現脆性損傷和大量微裂紋。將材料去除量控制到一定程度，就可以實現僅由塑料開槽造成延性損傷的材料去除過程。雖然在數控加工過程中可以在韌性區域獲得光滑的表面，但不能忽視位錯、滑移等亞表面損傷。如果材料去除率可以在分子上進一步控制，當材料去除過程在納米級時，會出現細觀物理現象，如小尺度效應和量子尺寸效應。宏觀切削理論不足以描述數控加工過程和細觀現象，難以解釋表面生成機理。要進一步研究機械加工過程，必須運用分子動力學、量子力學和原子物理學等現代基礎理論。然后，建立納米級材料去除模型，指導實際超精密車削過程。分子動力學仿真可以設置不同的加工參數、材料屬性和刀具幾何形狀，而不受加工設備和條件的限制。因此，基于分子動力學模擬的切削機理研究近年來受到越來越多的關注。目前在納米級切削過程分子動力學模擬中出現了一些問題，如分析原子數量少、模擬材料單一（主要集中于無缺陷的單晶材料，對多晶材料關注較少）、幾何模擬范圍小，加工表面的力學性能有限。目前，基于分子動力學模擬解釋納米級實際切削機理，并將模擬結果與實驗結果進行比較仍是一項艱巨的任務。在未來的研究中，應從微觀力學的角度考察材料去除機理，建立材料去除和表面生成機理的新理論。

2.3 超精密數控加工技術的發展

2.3.1 單點金剛石車削

基于靜壓氣體軸承主軸和滑塊、高剛度高精度工具、反饋控制和環境溫度調節，可實現納米級表面粗糙度。主要切削工具是大片的單晶金剛石，刃口直徑小（約20nm）。最初用于加工由銅制成的平面或非球面，但最終也被用于精密加工亞克力、塑料材料（如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡）、陶瓷等復合材料。多年后，多點金剛石車削法也得到了發展。通過微切削可獲得具有較少損傷層的光滑表面。最小切削深度取決于切削刃的半徑。切削刃的半徑越小，最小切削深度就越小。因此，具有納米尺度切削刃的超精密刀具的設計與制造是驅動超精密切削技術的關鍵技術之一。通過微切削可以獲得具有很薄受影響層的光滑表面。在這里，最小厚度取決于圓形切割邊緣半徑的金剛石刀具，這樣切割邊緣半徑越小，最小刀具厚度越小。目前，金剛石微刀具的理論圓角刃口半徑可達3nm。因此，納米尺度切削刃刀具的設計與制造是實現微切削目標的關鍵步驟之一。由于金剛石工具車削鋼時磨損嚴重，一些研究嘗試使用立方單晶氮化硼、超細晶粒金屬和陶瓷作為刀具材料。這些研究取得了一些進展，但尚未達到商業化的水平。在淬火鋼切削時，減少金剛石刀具磨損的一種可能方法是在刀具表面涂覆金剛石涂層。此外，在微電子機械系統組件等微部件的加工中還需要微工具。目前，微工具的尺寸在50～100μm之間，但這些尺寸仍然太大，特別是現在加工幾何形狀正在向亞微米甚至納米水平邁進。利用納米材料（如納米管）制造超小刀具或銑刀的一個趨勢是采用納米材料。因此，刀具材料和微細刀具的制造是未來超精密數控加工技術研究的重要課題。

2.3.2 復雜的表面切割技術

切削技術已廣泛應用于復雜曲面的加工。近年來，隨著離軸、陣列等復雜非球面的廣泛應用，快速伺服（FTS）、慢速伺服（STS）和刀具法向輪廓等新型復雜非球面切削技術得到了發展。在FTS加工過程中，在T型車床上安裝FTS元件，這也表明工件的復雜表面被分解為旋轉對稱表面及其微觀結構。旋轉對稱曲面的切削軌跡由X軸和Z軸進給控制。刀具由FTS元件驅動，它在小范圍內以高頻率沿Z軸運動，產生微觀結構，該工藝適用于加工表面不連續或變化劇烈的復雜非球面。一次加工即可獲得較高的輪廓精度和較低的表面粗糙度值。然而，FTS也存在一些缺陷：主軸不受導伺服控制，位置估計誤差容易造成加工輪廓混亂。STS技術在T型機床上增加了一個C軸，以實現主軸的精確角位置。同時，直線導軌滑板采用液壓靜壓軸承和直線電機驅動，提高其運動頻率響應。STS控制可通過C軸與滑板相結合來實現。與FTS相比，STS腦卒中時間更長，但進食速度較慢；因此，后者更適合于非旋轉對稱連續曲面的加工。STS具有結構簡單、易于控制、加工精度好、加工周期短等優點，但對機床的要求相對較高。具體來說，需要無摩擦、電機和軸承（如靜壓軸承）的低熱量、高分辨率反饋系統和高帶寬位移控制系統。在普通T型機床上增加一個裝有刀架的旋轉B軸。在切削時，同時控制X、Z、B軸，并保持刀尖和工件表面法線，使整個非球面一次完成。但刀具圓弧上的切割點需要調整，使其與B軸的旋轉軸一致，這需要較長的時間。此外，用同一圓弧葉片的單點加工會造成嚴重的切削刃磨損。

2.3.3 微細切削和微細結構切削

微切削具有實現三維結構加工、加工靈活性高、工作效率高、加工成本低等優點。微結構切削是超精密切削的一個新的研究方向，目前德國和日本在該領域處于領先地位。通過使用單晶金剛石微銑刀，德國弗勞恩霍夫生產技術研究所制造微金字塔形狀棱鏡陣列結構的特征尺寸小于100μm以及微薄壁結構壁厚為1.5 μm和200μm的高度。日本東北大學利用FTS技術制作了微正弦網格面，表面輪廓由沿X軸和Y軸的正弦波組成，正弦波波長為300μm。利用金剛石刀具加工微結構的制造技術越來越受到人們的關注。

3 結論

基于我國的實際情況和發展趨勢，必須在超精密數控加工的幾個重要方面進行研究：（1）超精密切削、磨削、拋光的基本理論和工藝；（2）超精密機床關鍵技術、精度、動態特性和熱穩定性；（3）超精密數控加工的精度檢測、在線檢測及誤差補償；（4）超精密數控加工材料。如果微觀層次的加工生產和應用能夠穩定和擴大，我國在10-15年內有望達到國際先進水平。此外，納米加工技術和設備的研究可在國家各項計劃的支持下開展。在以下關鍵技術和裝備方面提出突破：（1）高效、超精密、無損傷加工技術和裝備；（2）超精密機床的精度和穩定性；（3）超精密機床的關鍵功能部件（如：主軸、導軌、微進給系統、直接驅動系統）；（4）高效率、超精密工具的設計與制造（如：無損、無污染工具）。