超精密数控加工技术研究进展

刘丽明，李孝元

（武汉工程科技学院，湖北 武汉 430200）

目前的超精密数控加工技术主要分为4个领域：（1）超精密切削；（2）超精密磨削；（3）超精密抛光；（4）超精密非传统加工（如电子束加工和离子束加工）。本文主要研究超精密切削、磨削和抛光。超精密切削是指使用金刚石等超硬材料制成的刀具，被加工表面的表面粗糙度达到数纳米的切削技术。超精密切削有各种分支：超精密车削、铣削、镗孔和复合加工（如超精密切削与超声振动的组合）。超精密磨削是利用具有细/超细磨粒的砂轮和高性能磨床，实现材料去除率高、加工精度小于0.1 μm、表面粗糙度小于25nm的加工方法。在各种加工技术中，超精密磨削保证了加工精度、表面质量和效率。超精密抛光是在软抛光工具、化学流体或电场/磁场的帮助下，结合精细磨料的机械和化学作用，通常用于获得无/较少表面/亚表面损伤和高表面质量的超光滑表面。目前，超精密抛光是实现多个纳米级加工精度和亚纳米级表面粗糙度的主要加工方法。此外，在超精密抛光过程中去除的材料非常少（在几个微米以下）。

1 超精密数控加工技术发展现状

超精密数控加工技术是高技术产业的基础，代表了现代制造科学的发展趋势，是国防的支撑技术。在现代科学研究中，几乎所有的实验装置和仪器都是以超精密数控加工技术为支撑的。目前，纳米级制造处于该领域研究的前沿，越来越受到发达国家的关注。超精密数控加工技术的应用范围广泛，包括金属（如软金属）、硬机械材料（如淬火钢、不锈钢、高速钢和硬质合金），以及硬脆非金属材料（如半导体材料、陶瓷、玻璃）。现代机械工业对数控加工精度的追求主要是由以下目标驱动的：（1）提高产品的性能、质量、稳定性和可靠性；（2）推动产品小型化；提高零部件的互换性，提高装配效率和自动化程度。随着现代工业和高科技产品对刚性精度和表面完整性的要求越来越高，超精密数控加工的研究显得越来越重要。超精密数控加工技术也对其他高科技领域产生了重大影响，如核能、国防、航空航天等。超精密数控加工集机械技术最新成果集电子、光学、传感器、计算机等新技术于一体，已成为一国经济实力的指标。由于其日益重要的相关性，这一研究领域已引起许多发达国家政府的高度重视。因此，一些国家启动了研究项目，包括2001年由美国实施的国家纳米技术计划、英国提出的纳米技术跨学科研究合作（IRC）以及2000年在日本实施的纳米技术支持项目。从宏观制造业向微观制造业的转变被认为是相关产业的发展趋势。综上所述，超精密数控加工技术不仅处于现代制造技术的前沿，也是未来制造技术的基础。目前，中国制造业产值居世界第四位，约占世界总产值的5%。然而，它的单位能源和物质消耗是世界上最高的（4-10倍于发达国家）。虽然中国有能力生产各种精密产品，但这些产品仍然有限，产量非常低。这是因为一些关键部件和设备，如航空发动机和高档计算机数控（CNC）机，仍依赖进口。2002年，中国进口机器价值42亿美元，每台进口精密数控机床的平均价格为3.3 万美元。相比之下，中国生产了600万台简单、廉价、低精密的机器，总价值3.8 亿美元；一台机器的平均价格只有60美元，比进口机器的价格低550倍。一些大型精密机器和仪器在中国是被禁止的。此外，中国在超精密数控加工方面的发展还远远落后于发达国家，这意味着进口超精密机床的性能普遍优于国产机床。换句话说，中国制造业缺乏核心竞争力，无法支撑中国成为世界制造业的有力竞争者。因此，必须努力改善我国超精密数控加工技术的现状。

2 国际超精密数控加工的发展

2.1 超精密数控加工技术的发展阶段

目前，美国、欧洲和日本在超精密数控加工技术方面处于领先地位。西方国家，特别是美国的研究人员不断投入巨资，对安装在大型紫外或x射线望远镜上的大口径反射镜进行了加工研究。例如，美国宇航局推动的空间发展项目旨在探测短波信号（波长为0.1 -30.0 nm），这需要孔径大于1m的精密反射镜。选用导热性好的轻质碳化硅作为镜面材料，但其超高硬度显著增加了加工难度。同时，日本开发的超精密数控加工技术主要集中在民用产品的加工上，如磁盘、办公设备的多面镜、光学元件的非球面透镜等。因此，日本在小型和超小型电子和光学元件的超精密数控加工方面具有很强的竞争力。目前超精密数控加工技术的目标是实现终极加工指标，即轮廓和尺寸精度、表面粗糙度和表面完整性。影响加工精度的几个因素，如加工机构、工件材料、加工设备和工具、夹具、误差检测和补偿、加工环境（如温度、振动、清洁度）、加工工艺。世界各地的研究人员进行了系统的研究，使这一领域不断取得进展。

2.2 超精密数控加工基础研究的发展

超精密数控加工是指每个局部加工点的微变形或材料去除效果的结合。当硬脆性材料（如陶瓷、单晶硅）表面用硬切削头开槽时，会出现脆性损伤和大量微裂纹。将材料去除量控制到一定程度，就可以实现仅由塑料开槽造成延性损伤的材料去除过程。虽然在数控加工过程中可以在韧性区域获得光滑的表面，但不能忽视位错、滑移等亚表面损伤。如果材料去除率可以在分子上进一步控制，当材料去除过程在纳米级时，会出现细观物理现象，如小尺度效应和量子尺寸效应。宏观切削理论不足以描述数控加工过程和细观现象，难以解释表面生成机理。要进一步研究机械加工过程，必须运用分子动力学、量子力学和原子物理学等现代基础理论。然后，建立纳米级材料去除模型，指导实际超精密车削过程。分子动力学仿真可以设置不同的加工参数、材料属性和刀具几何形状，而不受加工设备和条件的限制。因此，基于分子动力学模拟的切削机理研究近年来受到越来越多的关注。目前在纳米级切削过程分子动力学模拟中出现了一些问题，如分析原子数量少、模拟材料单一（主要集中于无缺陷的单晶材料，对多晶材料关注较少）、几何模拟范围小，加工表面的力学性能有限。目前，基于分子动力学模拟解释纳米级实际切削机理，并将模拟结果与实验结果进行比较仍是一项艰巨的任务。在未来的研究中，应从微观力学的角度考察材料去除机理，建立材料去除和表面生成机理的新理论。

2.3 超精密数控加工技术的发展

2.3.1 单点金刚石车削

基于静压气体轴承主轴和滑块、高刚度高精度工具、反馈控制和环境温度调节，可实现纳米级表面粗糙度。主要切削工具是大片的单晶金刚石，刃口直径小（约20nm）。最初用于加工由铜制成的平面或非球面，但最终也被用于精密加工亚克力、塑料材料（如照相机的塑料镜片、隐形眼镜）、陶瓷等复合材料。多年后，多点金刚石车削法也得到了发展。通过微切削可获得具有较少损伤层的光滑表面。最小切削深度取决于切削刃的半径。切削刃的半径越小，最小切削深度就越小。因此，具有纳米尺度切削刃的超精密刀具的设计与制造是驱动超精密切削技术的关键技术之一。通过微切削可以获得具有很薄受影响层的光滑表面。在这里，最小厚度取决于圆形切割边缘半径的金刚石刀具，这样切割边缘半径越小，最小刀具厚度越小。目前，金刚石微刀具的理论圆角刃口半径可达3nm。因此，纳米尺度切削刃刀具的设计与制造是实现微切削目标的关键步骤之一。由于金刚石工具车削钢时磨损严重，一些研究尝试使用立方单晶氮化硼、超细晶粒金属和陶瓷作为刀具材料。这些研究取得了一些进展，但尚未达到商业化的水平。在淬火钢切削时，减少金刚石刀具磨损的一种可能方法是在刀具表面涂覆金刚石涂层。此外，在微电子机械系统组件等微部件的加工中还需要微工具。目前，微工具的尺寸在50～100μm之间，但这些尺寸仍然太大，特别是现在加工几何形状正在向亚微米甚至纳米水平迈进。利用纳米材料（如纳米管）制造超小刀具或铣刀的一个趋势是采用纳米材料。因此，刀具材料和微细刀具的制造是未来超精密数控加工技术研究的重要课题。

2.3.2 复杂的表面切割技术

切削技术已广泛应用于复杂曲面的加工。近年来，随着离轴、阵列等复杂非球面的广泛应用，快速伺服（FTS）、慢速伺服（STS）和刀具法向轮廓等新型复杂非球面切削技术得到了发展。在FTS加工过程中，在T型车床上安装FTS元件，这也表明工件的复杂表面被分解为旋转对称表面及其微观结构。旋转对称曲面的切削轨迹由X轴和Z轴进给控制。刀具由FTS元件驱动，它在小范围内以高频率沿Z轴运动，产生微观结构，该工艺适用于加工表面不连续或变化剧烈的复杂非球面。一次加工即可获得较高的轮廓精度和较低的表面粗糙度值。然而，FTS也存在一些缺陷：主轴不受导伺服控制，位置估计误差容易造成加工轮廓混乱。STS技术在T型机床上增加了一个C轴，以实现主轴的精确角位置。同时，直线导轨滑板采用液压静压轴承和直线电机驱动，提高其运动频率响应。STS控制可通过C轴与滑板相结合来实现。与FTS相比，STS脑卒中时间更长，但进食速度较慢；因此，后者更适合于非旋转对称连续曲面的加工。STS具有结构简单、易于控制、加工精度好、加工周期短等优点，但对机床的要求相对较高。具体来说，需要无摩擦、电机和轴承（如静压轴承）的低热量、高分辨率反馈系统和高带宽位移控制系统。在普通T型机床上增加一个装有刀架的旋转B轴。在切削时，同时控制X、Z、B轴，并保持刀尖和工件表面法线，使整个非球面一次完成。但刀具圆弧上的切割点需要调整，使其与B轴的旋转轴一致，这需要较长的时间。此外，用同一圆弧叶片的单点加工会造成严重的切削刃磨损。

2.3.3 微细切削和微细结构切削

微切削具有实现三维结构加工、加工灵活性高、工作效率高、加工成本低等优点。微结构切削是超精密切削的一个新的研究方向，目前德国和日本在该领域处于领先地位。通过使用单晶金刚石微铣刀，德国弗劳恩霍夫生产技术研究所制造微金字塔形状棱镜阵列结构的特征尺寸小于100μm以及微薄壁结构壁厚为1.5 μm和200μm的高度。日本东北大学利用FTS技术制作了微正弦网格面，表面轮廓由沿X轴和Y轴的正弦波组成，正弦波波长为300μm。利用金刚石刀具加工微结构的制造技术越来越受到人们的关注。

3 结论

基于我国的实际情况和发展趋势，必须在超精密数控加工的几个重要方面进行研究：（1）超精密切削、磨削、抛光的基本理论和工艺；（2）超精密机床关键技术、精度、动态特性和热稳定性；（3）超精密数控加工的精度检测、在线检测及误差补偿；（4）超精密数控加工材料。如果微观层次的加工生产和应用能够稳定和扩大，我国在10-15年内有望达到国际先进水平。此外，纳米加工技术和设备的研究可在国家各项计划的支持下开展。在以下关键技术和装备方面提出突破：（1）高效、超精密、无损伤加工技术和装备；（2）超精密机床的精度和稳定性；（3）超精密机床的关键功能部件（如：主轴、导轨、微进给系统、直接驱动系统）；（4）高效率、超精密工具的设计与制造（如：无损、无污染工具）。