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精密和超精密加工

国内外精密加工技术最新进展

袁哲俊

哈尔滨工业大学

摘要：

介绍了精密和超精密加工技术各主要领域国内外的最新进展。

提出应重视精密加工的研究和加大投入，加速提高我国的精密和超精密加工技术水平。

关键词：

精密和超精密加工技术，超精密切削，超精密机床，精密镜面磨削，精密研磨，微机械制造

1概述

精密和超精密加工技术的发展，直接影响尖端

技术和国防工业的发展。

世界各国在这方面都极为

重视，投入很大力量进行开发研究，同时技术保密，

控制出口。

由于航空航天、尖端技术、多种高精密仪

器仪表、惯导平台、光学和激光技术的迅速发展和多

领域的广泛应用，各种复杂高精度零件、光学零件、

高精度平面、曲面和复杂形状的加工，成为迫切任

务。

国外发展了多种精密和超精密车削、磨削、抛光

等机床设备，发展了新的精密加工技术、精密测量技

术。

我国现在已是一个制造大国，仅次于美国、日

本，最近又超过了德国，已处于世界第三位。

中国的

出口最近也接近德国，而成为世界第二出口大国。

中国的出口统计中，机电产品已占多数，但中国制造

业大而不强，是制造大国而不是制造强国，出口的机

电产品多数是技术含量较低、价格亦较低的产品，而

进口的则是技术水平高、价格昂贵的产品。

由于人

民币升值和实行新劳动法后，工人工资显著提高，我

国廉价劳动力的优势正在迅速丧失。

迫切需要提高

我国制造工业的技术水平，研发和生产先进的高水

平精密产品，只有这样才可能将我国从一个“制造

大国”转变成一个真正的“制造强国”。

我国的机床制造业最近几年虽发展很快，年产

量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国

和第一大进口国。

近年在精密加工技术和精密机床

设备制造方面，取得不小进展，但仍和国外有较大差

距。

从表1中我国机床生产、消费和进口情况的数

字可看出，我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数

控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本形势。

表l我国机床进出口情况（亿美元）

年度产值出口进口消费

由于一些重要的高精度机床设备和仪器，国外

对我们封锁禁运，而这些精密设备仪器正是国防和

尖端技术发展所迫切需要的，因此我们必须投入必

要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，将

我国的精密和超精密加工技术水平尽快提高到世界

前列，这样我国的国防和科技发展才不会受制于外

国，我们才能出口世界一流的高技术机电产品。

下

面将介绍国内外精密和超精密加工技术最近发展的

情况。

图1端士DIXI的卧式精密高速镗床

万方数据

图2瑞士MIKRON高速精密五轴Jjn-r中心

2精密机床技术的发展

精密机床是精密加工的基础。

现在精密机床技

术的发展方向是：

在继续提高精度的基础卜采用高

速切削以提高效率，同时采用数控使其自动化。

瑞

士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，现在该

厂生产的高精度镗床DHP40（图1）已加上多轴数控

系统成为加工中心，同时为使用高速切削，已将主轴

最高转速提高到24000r／rain。

图2所示是瑞士

MIKROM公司的高速精密五轴加工中心，它的主轴

最高转速为42000r／min，定位精度达到5ttm，已达到

过去坐标镗床的精度。

从这两台机床的性能看，现

在精密机床、加工中心和高速切削机床已不再有严

格的界限区分。

3金刚石刀具超精密切削

3．1超精密切削技术的进展

金刚石刀具超精密切削是超精密加工中的很重

要部份，不少围防尖端产品零件，如陀螺仪、各种平

面曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光

系统中的多种零件等，需要用超精密切削来加工。

超精密切削使用单晶金刚石刀具，在超精密机床

上可以加工出镜面。

超精密切削的切削厚度可以极

小，最小切削厚度可以到lnm（如图3所示）。

超精密

切削使用的单晶金刚石刀具是重要关键，要求刃口磨

得极为锋锐，刃口半径在0．5～0．011．an。

因刃口半径

甚小，过去测量极为困难，现在可以用原子力显微镜

（AFM）进行测量，测量就比较方便。

图4中是用AFM

测量金刚石刀具刃口半径得到的测量结果。

a=30rtraa；3rtma=lrtm

图3超精密切削的切削厚度（1kawa）

工具技术

图4使用AFM检测金刚石刀具刃口半径

3．2超精密切削机理的研究

超精密切削机理的研究近年来亦有不少进展。

例如超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生

脆性破裂痕迹而得到镜面，这涉及极薄切削时的脆

性材料塑性切除的脆塑转换问题，最近提出不少新

见解。

图5中所示，是超精密切削玻璃时的实验结

果，可见到开始时切削厚度甚小，切除为理性去除，

加工表面无脆性破损痕迹。

随切削厚度增加，塑性

切除逐渐转化成脆性破裂去除，加工表面可看到明

显的脆性破损痕迹．

图5超精密切削玻璃时的脆塑转变

图6超精密切削表面形貌的仿真

图7超精密切削的分子动力学模拟

对于超精密切削的过程机理研究，现在使用计算

机仿真和分子动力学模拟等方法，获得很好的效果，

它一方面可以加深对极薄层材料切削去除机理的认

识，同时可对切削效果作预报。

图6中所示是超精密

切削时所形成的加工表面的计算机仿真模拟预测。

图7中所示，是对超精密切削过程的计算机仿真分

万方数据

2006年第42卷Nol0

子动力学模拟，采用该方法可看到切削极薄层材料时

的动态切除过程，能对切除过程作动画演示。

超精密切削单晶材料时，由于单晶材料的各向

异性、晶向不同，将明显影响加工表面质量和切削

力。

图8中所示，是超精密车削单晶LiNb03端面，

可明显看到由于晶向不同而使表面粗糙度有差别。

图9所示，是超精密车削单晶铜的不同晶面时实测

所得切削力，可看到晶向不同时切削力有较大差别。

计算机仿真预测超精密切削单晶铜的不同晶面时的

切削力，得到类似的结果。

图8超精密车削单晶uNb吗（1如）晶面时的表面粗糙度

（a）（110）晶面（b）（100）晶面（c）（1i1）品面

图9超精密切削单晶铜时不同晶面的切削力

3．3金刚石刀具晶体的新定向方法

单晶金刚石刀具由于金刚石硬度极高。

且晶体

各向异性，刃磨极为不易。

制造金刚石刀具和刃磨

都需要晶体定向，过去使用x光晶体定向仪来定

向，需要很贵重的仪器并且定向很费事。

哈尔滨工

业大学研制成功激光晶体定向新方法，设备较简单，

且操作方便，使金刚石晶体的定向大大简化。

图10

是金刚石激光晶体定向原理图，图11中是金刚石不

同晶面的代表符号（上）、不同晶面的激光定向图像

（中）和显示晶体结构的各晶面的扫描电子显微镜

（SEM）图像（下）。

图lO金刚石激光晶体定向原理

困◇△

【1DO）晶面【UUJ品面（1llJ品面

图11金刚石不同晶面激光定向图像

4超精密机床的进展

4．1国外超精密机床发展情况

发展超精密机床是发展超精密加工的极重要内

容。

各发达国家都发展了多种超精密机床。

超精密

机床的发展方向：

进一步提高超精密机床的精度，发

展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密

机床。

美国、英国、德国等在上个世纪70年代、日本在

80年代，即开始生产超精密机床产品，可以批量供

应。

大型超精密机床方面，美国于1986年由LLL国

家实验室研制成功加工直径2．1m的卧式DTM一3

金刚石车床和加工直径1．65m的LoIYrM立式大型

光学金刚石车床等两台大型超精金刚石车床，其中

LOIYrM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上

精度最高的超精密机床。

美国后来又研制了大型6

轴数控精密研磨机，用于加工大型光学反射镜。

英国Cranfield精加工中心于1991年研制成OAGM一2500（工作台面积2‰×25‰）多功能

三坐标联动数控磨床，可加工（磨削、车削）和测量精

密自由曲面，并且用此机床采用加工件拼合方法，加

工成天文望远镜中的直径7．5m的大型反射镜。

日本的多功能和高效专用超精密机床发展较

好，促进了日本微电子和家电工业的发展。

现在国外生产的中型超精密机床产品的精度已

明显提高，美国Moore公司2000年生产的五轴联动

500FG超精密机床（见图12），可作为典型代表，该机

床不仅可加工精密回转体非球曲面，并可加工精密

自由曲面。

机床空气轴承主轴转速20—2000r／min，

主轴回转误差≤0．025tan。

液体静压导轨由无刷直

线电机驱动，直线度误差GO．3tnn／300mm，定位精度

万方数据

0．3wno

图12美国Moore的500FG五轴超精密机床

乌克兰某研究所研制成新工作原理超精密机

床，如图13a所示，工作原理如图13b所示。

工作时

金刚石车刀围绕刀具转轴0—02旋转，刀尖的运动

轨迹为通过工件中心点的一个圆，工件旋转而形成

加工的球面。

调整刀具转轴箱轴心002，以得到不

同的转角口，可以加工出不同曲率半径的球面。

为正值时，加工出的工件表面为凹球面；0=0时，

可切出工件的平端面；0为负值时，加工出的工件表

面为凸球面。

加工非球曲面时，先将机床调整到接

近的球面，加工时金刚石车刀再作补充进给厂，即可

加工出要求的非球曲面。

这机床的主要优点是加工

球面和平面时，完全不需导轨的直线运动（直线导轨

很难加工到如此高的精度），故加工精度和表面质量

都很高，此外这种机床结构比较简单和紧凑。

（a）机床外观

（b）工作原理

图13乌克兰新工作原理超精密机床

Eo．

工具技术

4．2我国超精密机床发展情况

过去相当长时期，由于受到禁运限制，我们难

以进I=I国外的超精密机床。

但在1998年我国数控

超精密机床研制成功后，国外马上对我国开禁，我国

现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈

尔滨工业大学等单位，现在已能生产若干种超精密

数控金刚石机床。

图14a所示是北京机床研究所制

成的加工直径800ram的超精密车床，图14b所示是

哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床有

两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，

可加工非球回转曲面。

图14c所示是哈尔滨工业大

学研制的加工KDP晶体大平面的超精密铣床。

KDP

晶体可用于激光倍频，是大功率激光系统中的苇要

元件。

在超精密机床技术方面，必须承认我们和国

外相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量

尚待继续提高。

（a）超精密数控车床（北京机床所）

（b）超精密数控车床（哈工大）

（cl加工I①P超精密铣床（哈工大）

图14国产金刚石超精密机床

美国、英国、俄罗斯等三国都自己研制并拥有大

型超精密机床。

我国过去没有大型超精密机床，因

万方数据

2008年第42卷NolO

而无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，

这些大型超精密零件国外不卖给我们，因而对发展

国防尖端技术受到很大限制。

现在我国正在研制加

工直径lm以上的立式超精密机床。

目前我国在多功能和高效专用超精密机床方面

基本还是空白。

5精密磨削和研磨技术的发展

5．1精密镜面磨削技术的发展

精密磨削和精密研磨技术国外这几年也有不少

进展。

日本国家理化学研究所的大森整教授研制成

功在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺，可以对多

种不同材料零件（如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅

片等）的平面、外圆和内孔进行磨削，达到镜面。

图

15a是ELI]）镜面磨削的原理图。

使用专制的铁基结

合剂的细粒度金刚石（或CBN）砂轮，在磨削时在线电

解修整砂轮，电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削

液，要求电解液不腐蚀机床。

图15b中是用ELID镜

面磨削新工艺磨出的不同试件：

光学玻璃平面、硅片

平面和陶瓷内孔，磨削表面粗糙度可以达到镜面R。

=0．02～0．005pm。

这是一项极有生产应用前景的精

密磨削新工艺，我国哈尔滨工业大学等单位研究并已

掌握了这项ELlD精密镜面磨削新工艺。

（a）ELID镜面磨削新工艺的原理

光学玻璃t面硅片f面陶瓷内孔

（b）ELID镜面膊削新工艺磨出的样件

图15ELID镜面磨削新工艺的原理和磨出的样件

5．2精密平面研磨技术的发展

精_______密研磨技术近年来亦有不少进展，特别是精

研大直径硅基片（用于大规模集成电路）的技术有很

大提高。

硅基片要求极严，不仅要求表面粗糙度值

极小、没有划伤、平面度好，而且要求表面没有加工

变质层。

我国现在己能生产8一10寸的硅基片，正

研制加工12寸的硅基片，但都是采用国外引进的工

艺，使用进口的设备。

亟需自主研究开发lO—12寸

硅基片的制造工艺和生产设备。

6非球曲面精密加工技术的进展

6．1非球曲面磨削技术的发展

高精度非球曲面和自由曲面现在应用日广，相

应的加工制造技术亦发展迅速。

高精度非球曲面和自由曲面可以用磨削方法加

工。

日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削

技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控

镜面磨床（见图16）；后来又发展了三坐标联动数控

ELID精密镜面磨床，可加工精密自由曲面，达到镜

面。

现在国外生产的超精密数控金刚石车床，一般

都带有磨头，可以用磨头代替金刚石车刀来磨制回

转体非球曲面。

国外还发展了多种多坐标数控磨

床，可用于磨制各种精密自由曲面。

6．2精密自由曲面抛光技术的发展‘

（1）精密自由曲面抛光技术的发展

高精度自由曲面现在多数最后使用抛光工艺。

国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛

光机床，图17所示是El本C,anorl公司的一台用于最

后抛光曲面光学镜片的精密曲面抛光机床，它具有

三坐标数控系统，使用在线测量。

加工曲面时，可根

据实测的镜片曲面的误差，控制抛光头的抛光时间

和压力，使曲面抛光工艺达到半自动化。

图16ELID非球曲面镜面磨床

美国过去研制了大型6轴数控精密研磨机，已

用于加工大型光学反射镜。

不久前美国在南卡里罗

那州又研制成直径8．4m的大型光学反射镜，如图

18所示。

制造此大型光学反射镜，没有制造大型研

磨抛光机床，采用现场光学玻璃熔化铸造，在现场

用多路激光对型面进行在线精度检测，根据测得的

几何形状误差，用带研磨头的小设备进行局部研磨

万方数据

抛光，用蚂蚁啃骨头的方法研制成大型高精度光学

反射镜。

国外最近发展了几种曲面的精密研磨抛光新加

工方法：

磁流体抛光、气囊抛光和应力盘抛光。

固定支承

图17精密曲面抛光机{Canon公司）

图18美国新研制的8．4m大反射镜

（2）精密曲面磁流体抛光技术

磁流体抛光的原理是用永久磁铁或电磁铁工

具，将混有磨料的磁流体吸附在工具端部，对工件

表面进行抛光。

图19a所示为磁流体抛光用的电

磁铁工具，通电后磁流体叮吸附在这工具的端部，进

行抛光加工。

图19b为另一种形式的磁流体抛光加

工系统，原理都是类似的。

由于磁流体外形可以随

工件外形而自动变化，因此对磁铁工具外形要求不

严格，较容易加工制造。

可以用平面或球面工具吸

附磁流体进行抛光。

也可用杆状工具，一端吸附磁

流体，代替立铣刀在多轴联动数控机床上对自由曲

面进行抛光。

磁流体抛光可使加工表面达到很高的

质量。

（3）精密曲面气囊抛光技术

气囊抛光新工艺方法是不久前英国Zeeko公司

研制成功的，这是一种加工精密曲面的新工艺方法。

图20a所示是Zeeko气囊抛光曲面方法的工作原理。

抛光工具工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气

囊，抛光工具结构如图20b所示。

抛光工作时，工

具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作

工具技术

相对的进给运动，（一般是工件作三轴联动的进给

运动），使工件的伞部表面都被能抛光加工到。

抛光

工作时，工具气囊还需同时作摆动（摆动中心为汽

囊曲面的曲率中心），使磨料薄膜层的磨损均匀。

由

于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的

曲面形状，故同一工具可用于抛光外形曲率不同（但

相近）的曲面。

这新的曲面抛光方法可以加工非球

回转曲面，也可加工自由曲面，加工出的抛光表面可

达很高的表面质量。

（a）磁流体抛光的电磁铁工具

（b）磁流体抛光系统设备

图19磁流体抛光

（a）抛光原理（b）气囊抛光工具结构

图20Zeeko气囊抛光原理

（4）精密曲面应力盘抛光

这方法用大尺寸弹性盘为工具基盘，在周边可

变应力的作用下，盘的面形可以实时地变形成所需

要的面形，与非球面工件的局部面形相吻合，进行研

磨抛光加工。

应力盘抛光技术具有优先去除表面最

高点或部位的特别点，具有平滑中高频差的趋势，因

此不仅加工表面质量好，并且有较高的加工效率。

图21a中是这种应力盘抛光设备，图21b是应力盘

实现方法的原理结构图。

万方数据

2008年第42卷Nol0

（a）原始测量面（b）基准形貌曲面（c）经分离后的粗糙度表面

图23自由曲面测量面的粗糙度评定

图2l应力盘抛光设备及应力盘实现方法

7超大规模集成电路制造技术的进展

6．3精密自由曲面的检测

精密自由曲面的检测技术是一个技术难题，近

年有较大进展。

现在常用非接触式激光干涉形貌测

量法，如WykoNt8000型非接触式激光干涉形貌测

量仪，测量分辨率0．1nm，测高量程8mm，在低分辨

率测量挡时，测量范围更大。

用精密形貌测量仪测

出表面廓形上各点的坐标尺寸，再将测量结果转化

为三维立体彩色图形。

图22所示，就是将激光干涉

形貌测量结果进行计算机图形处理，得到三维立体

彩色图形的过程。

（a）测得的十涉条纹网

（c）高度的市体唑标I冬}

（b）高度的平面彩色图

（d）立体彩色外观图

图22激光干涉形貌测量结果的计算机图形处理

自由曲面测量结果的评定，将因自由曲面性质

不同而异。

自由曲面可分为已知设计模型（CAD模

型）和未知设计模型两类，这是一项较难的技术，需

将实际测得的工件廓形和理论正确的廓形对比，而

得出工件廓形的误差，这需要进行极为复杂的数学

计算。

但由于近年来计算技术的迅速发展，现在已

有多种软件可进行测量结果的评定。

激光干涉形貌测量仪的测量分辨率很高，测出

的自由曲面的表面轮廓图形是包含了表面形貌和表

面粗糙度（微观形貌）的综合图形，因此不能像测平

面那样直接根据被测表面的微观廓形作其表面粗糙

度的评定，而需要将该表面的基准自由曲面进行分

离，然后才能得到能作表面粗糙度评定的表面微观

廓形。

图23所示为测量自由曲面时粗糙度评定的

实例，其中图23a所示为用激光干涉形貌测量仪测

得的原始测量面，图23b所示为该自由曲面的理论

基准曲面，图23c所示为经理论基准曲面分离后的

可进行粗糙度评定的微观廓形表面。

过去30年集成电路技术获得飞跃的发展，现以

全球最大的芯片制造商英特尔公司（Intel）的计算机

芯片为例说明集成电路的发展。

英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以

来，已更新换代十多次。

芯片的性能和集成度，在这

一次次的更新换代中得到大幅度提高。

1971年英

特尔公司的4004芯片，时钟速度仅为108kHz，内含

晶体管2300个，最小线宽为10tan；1999年英特公司

的Pentium1II芯片（奔腾III芯片），时钟速度已经高

达1GI-Iz，在面积为217ⅡⅡn2的芯片内，有晶体管

2800万个，最小线宽为0．18舯。

2001年3月英特

尔公司推出的Pentium4电脑的时钟速度达1．7

GHz，最小线宽为0．13tan，在面积为116ram2的芯

片内，晶体管数超过4200万个。

计划到2011年，

时钟速度达到10GHz，30年来计算机芯片速度和集

成度提高了13000倍，线宽从1971年的10脚缩小

到0．13—0．1tan。

最近新的芯片时钟速度已高达

2．8—3．2G1七。

现在制造集成电路的光刻技术使用的光波是紫

外光（光波长为0．24／an），已达到的最小线宽为

0．13一O．1哪。

从理论分析该光刻加工技术的极限

线宽为O．08／an。

光刻中最小的光刻线宽和光波的

波长有关，光刻时的光斑直径等于半波长。

国外正

在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻的

线宽，这需要使用更短波长的超紫外光曝光光源。

使用超紫外光的光刻方法，将有可能使光刻的线宽

达到70am以下。

但是超紫外光会被空气吸收，因

此，光刻需在真空中进行，这对大规模工业生产将增

添困难。

国外现在制造超大规模集成电路使用12”

晶片，制造时用数字控制柔性生产线加工，因此，新

设计的集成电路块能很快试制出来，并且能接受生

产批量不很大的集成电路，价格也不很贵。

我国微电子工业近年获得飞跃发展，已能生产

多种较复杂的大规模集成电路芯片，但使用的设备

和生产工艺基本都是从国外引进，一些最新技术和

加工设备，国外还对我们封锁保密。

我国现在制造

大规模集成电路的水平是：

已能用10"硅晶片生产制

万方数据

造大规模集成电路，光刻能达到的最小线宽为0．18

—0．13／nn。

我们正在努力自主研究开发12”晶片和

线宽0．13～0．1／an的超大规模集成电路的制造技

术，希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先

进水平。

‘8微型零件、微型机械和微机电系统的

精密制造技术新进展

随着纳米技术的迅速发展和扩大应用，微型机

械和微机电系统技术亦迅速发展并应用日广，相应

的精密微细加工和微型零件及微机械的精密制造技

术亦获得迅速的发展。

为了制造微型零件和微机

械，精微机械加工发展迅速，现己达较高水平。

精微

电火花加工、精微超声振动加工、精微准分子激光加

工、精微塑性成型加工等，均已用于加工精密微米级

尺度的微小机构零件。

此外还发展了不少专用的新

工艺：

例如立体光刻技术、LIGA技术、牺牲层工艺

等。

并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机

械制造厂等。

这里只介绍精密微细机械加工技术的