1 前言 2oNV=b[ #1l7 FT?q 超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。 超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03µm，表面粗糙度為Ra0.03～0.005µm)和納米級(精度誤差為0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm) 精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。 超精密加工主要包括三個(gè)領(lǐng)域： 超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。 超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1µm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)2～5nm。
w ~v<v& 5fq. *1f 2 國外概況 >6K4b/.5 w M]0^ ind 美國是最早研制開發(fā)超精密加工技術(shù)的國家。早在1962年，美國就開發(fā)出以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床，其主軸回轉(zhuǎn)精度為 0.125µm，加工直徑為Ø100mm的半球，尺寸精度為±0.6µm，粗糙度為Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光學(xué)金剛石車床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達(dá)0.025µm，表面粗糙度為Ra0.042µm。在該機(jī)床上采用多項(xiàng)新技術(shù)，如多光路激光測量反饋控制，用靜電電容測微儀測量工件變形，32位機(jī)的CNC系統(tǒng)，用摩擦式驅(qū)動進(jìn)給和熱交換器控制溫度等。 美國利用自己已有的成熟單元技術(shù)，只用兩周的時(shí)間便組裝成了一臺小型的超精密加工車床(BODTM型)，用刀尖半徑為5～10nm的單晶金剛石刀具，實(shí)現(xiàn)切削厚度為1nm (納米)的加工。盡管如此，最近美國政府還是繼續(xù)把微米級和納米級的加工技術(shù)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說明美國對這一技術(shù)的重視。 英國是較早從事超精加工技術(shù)研究的國家之一。從1979年起，開發(fā)用于制造X射線望遠(yuǎn)鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀車床。要求反射鏡的精度在30mm 范圍內(nèi)的表面凹凸達(dá)到6nm以下，整個(gè)鏡面的形狀精度達(dá)1µm以下。該機(jī)床為保證超精加工，采用了許多新技術(shù)。例如采用封裝合成花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)(總重 48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達(dá)驅(qū)動的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為0.1µm，空氣軸承支承的旋轉(zhuǎn)工作臺，分辨率為0.015µm的 HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的X軸、Z軸工件尺寸及形狀精度的測量補(bǔ)償系統(tǒng)，壓電式刀具微進(jìn)給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等。英國在80年代初就已開始實(shí)施納米計(jì)劃，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會。Cranfield理工學(xué)院是世界上第二個(gè)能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度(2kN/µm)氣浮精密軸承和主軸系統(tǒng)的單位。 日本的超精密加工技術(shù)的研究開發(fā)滯后于美國20年，但由于得到有關(guān)方面的重視和努力，發(fā)展較快。與美國不同，日本完全是出于民用工業(yè)的考慮來發(fā)展超精密加工技術(shù)的，從多棱體反射鏡加工機(jī)床到磁頭微細(xì)加工機(jī)床，磁盤端面車床，發(fā)展到非球面加工機(jī)床和短波X射線反射鏡面加工機(jī)床。1986年日本已把納米技術(shù)作為先進(jìn)技術(shù)探索研究計(jì)劃中的六大課題之一。日本推行了一個(gè)從1991年起，為期 10年，投資250億日元的研究開發(fā)微型機(jī)械的大型國家科研計(jì)劃。在這個(gè)計(jì)劃中，F(xiàn)ANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首次用切削方法實(shí)現(xiàn)了自由曲面的微細(xì)加工。這臺銑床具有無摩擦伺服系統(tǒng)和用于微細(xì)加工的CAD/CAM 系統(tǒng)，最小數(shù)控分辨率為1nm。在對直徑為1mm高度差為30µm的復(fù)雜曲面進(jìn)行的微細(xì)銑削加工中，獲得了Ra0.058µm的表面粗糙度。機(jī)床的主要性能：X、Z軸的最小分辨率為1nm，C、B軸的最小分辨率分別為0.0001°和0.00001°，當(dāng)主軸的最大供氣壓力為6×10
6Pa 時(shí)，回轉(zhuǎn)速度為55000r/min。微細(xì)切削用刀具是一種單晶金剛石偽球頭立銑刀。刀尖半徑為0.01mm，半刀尖角為75°，刀尖圓弧中心與軸心線有 0.1mm的偏移量。日本的超精加工機(jī)床生產(chǎn)廠家有十多家，產(chǎn)品大多采用0.01µm高分辨率的CNC系統(tǒng)和激光干涉儀測量，納米級光刻已超過了美國，居世界領(lǐng)先地位。超精加工機(jī)床的加工精度已達(dá)亞微米級(0.1µm以下)，粗糙度達(dá)Ra0.01µm，最高水平的機(jī)床已用于制造超大規(guī)模集成電路，刻線寬度可達(dá)0.3µm。 德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機(jī)床，也都處于世界先進(jìn)水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精車床，最大加工直徑Ø200mm，長度200mm，其加工形狀精度為0.5µm，表面粗糙度Ra0.02µm。而德國主要研究超精密測量技術(shù)。 目前世界上超精密加工達(dá)到的最高技術(shù)水平如下：加工精度0.025µm，表面粗糙度Ra0.0045µm，即已進(jìn)入了納米級加工精度的時(shí)代。在測量技術(shù)方面，對小位移的測量：電容式測頭分辨率可做到0.5nm(量程為15µm)和0.1nm(量程為5µm)，線性誤差小于0.1%；光電子纖維光學(xué)測頭的分辨率可到0.5nm(量程為30µm)，線性誤差為5%；掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨率可達(dá)0.01nm(量程20mm時(shí))；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm(量程200µm時(shí))。對大長度尺寸的測量，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)；氦氖激光(實(shí)驗(yàn)室)的分辨率可做到0.01µm(量程為2mm)；莫爾條紋光學(xué)尺的分辨率可做到10nm(量程1m)，精度為1µm/m。對角度測量，莫爾條紋角度光學(xué)尺的分辨率可做到0.005"(360°范圍)，精度0.1"，因此測量方面基本上滿足了納米級加工技術(shù)要求。
4 ?2g&B\ Gm@iV,F%R 3 用STM進(jìn)行微細(xì)加工 r
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7:#XQ q }R lo/R 掃描隧道顯微鏡(STM)在納米級尺度上對各種表面進(jìn)行刻蝕與修飾，實(shí)現(xiàn)納米加工，這是其應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。 用STM進(jìn)行表面加工的方法主要有兩類：第一類是在金屬、半導(dǎo)體或絕緣體表面上直接寫入點(diǎn)、線或規(guī)定的圖形符號。具體方法通常是在STM的恒流模式工作狀態(tài)下，在針尖上加一定的電壓脈沖，或突然縮短針尖與樣品間的距離，使針尖下樣品表面形成坑、丘等結(jié)構(gòu)變化。 第二類方法是通過STM的電子束引起化學(xué)反應(yīng)，在針尖下的表面微區(qū)淀積金屬材料。 第一臺STM是G·Bining等于1981年研制成功的�，F(xiàn)在裝置的結(jié)構(gòu)、防震、穩(wěn)定性和分辨率等方面都日趨完善。在原理上，STM與通常的電子束一樣，在固體器件制造中可用來進(jìn)行平面制版加工。其優(yōu)點(diǎn)是能顯示表面的結(jié)構(gòu)形貌，具有原子尺度的分辨率；所涉及的電子能量低(<100eV)，對材料的損傷少；可以在真空、大氣、甚至液體中工作；結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比需聚焦、偏轉(zhuǎn)的離子、電子束裝置簡單，如直接用于平面結(jié)構(gòu)的制版加工，使現(xiàn)有的VLSI微細(xì)工藝水平提高到一個(gè)新的量級，對科學(xué)技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生巨大影響。假定寫入點(diǎn)的直徑為1nm，點(diǎn)中心間距為2nm，數(shù)據(jù)存貯器的記憶密度可達(dá)10
13bits/cm
2，可以存下300頁的書100萬本；對于3.5英寸大小的軟盤，存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國省級圖書館的全部藏書。
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GP #Vz Rkr^Z?/GH 4 我國對超精密加工技術(shù)的研究 s*{mT6s+T K50t%yu#T] 我國對超精密加工技術(shù)的研究起步不晚�；咀龇ㄅc日本有類似之處，先從電子工業(yè)開始，用于加工磁盤、磁鼓、磁頭。1965年前后研制出鏡面外圓磨床，加工圓度優(yōu)于0.3µm，表面粗糙度Ra0.01µm以下。1968年研制成功單晶金剛石刀鏡面車床，可使黃銅件的表面粗糙度達(dá)Ra0.025µm以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盤車床。SI-235型超精密車床，主軸回轉(zhuǎn)精度值優(yōu)于0.2µm，還有超精球面車床。進(jìn)入80年代，研制了回轉(zhuǎn)精度達(dá) 0.025µm的精密軸系，單晶金剛石刀切削的超精車床和超精銑床，最高分辨率為0.01µm的CNC數(shù)控超精密車床等產(chǎn)品，可加工球面和拋物面體、菲涅爾鏡等零件。加工形狀精度達(dá)0.1µm，表面粗糙度達(dá)Ra0.025µm以下。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功HCM-1亞微米超精密加工機(jī)床，其技術(shù)性能如表所示。還研制成CSPM-930型STM、AFM 等一批掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。但與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術(shù)方面差距尤為明顯。
;x RjQR Bb_}YU2# 5 加強(qiáng)我國超精加工技術(shù)開發(fā)的若干建議 RR'(9QJ$
"0<Sd?Sz - 把發(fā)展我國超精密加工技術(shù)作為一個(gè)科技戰(zhàn)略任務(wù)來抓，在發(fā)展我國超精密加工技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)?shù)玫絿拦I(yè)部門及有關(guān)研究單位的大力關(guān)心和支持。
- “十五”期間，在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)亞微米級、納米級加工精度，在大型超精加工商品化機(jī)床上實(shí)現(xiàn)超精加工的自動化。再用10年左右的時(shí)間，大體達(dá)到美國目前的水平。
- 單晶金剛石刀具鏡面切削作為實(shí)現(xiàn)超精密加工的主要方向。
- 必須抓好以下6個(gè)方面的研究工作： [list=1]
- 提高主軸回轉(zhuǎn)精度，如開發(fā)高精度(回轉(zhuǎn)誤差小于0.02µm甚至8nm)，高剛度(大于2kN/µm)的新型軸承和主軸系。
- 提高直線運(yùn)動精度，結(jié)構(gòu)上采用空氣靜壓(直線度可達(dá)0.1～0.2µm/250mm)和液體靜壓導(dǎo)軌，并利用均化作用提高運(yùn)動精度。如盡快開發(fā)高分辨率(如設(shè)定值≤0.01µm至納米級的定位分辨率)和跟蹤誤差為零的數(shù)控伺服系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給的驅(qū)動系統(tǒng)。
- 大力開展在線檢測技術(shù)的研究，主要抓以下三個(gè)方面：①提高檢測精度：由于加工精度向紫外線、X射線波長區(qū)域移動，所以要不斷提高檢測精度。②在線檢測變被動測量為主動測量。這是實(shí)現(xiàn)超精加工自動化的重要手段。③發(fā)展動態(tài)測量：檢測技術(shù)中，主要開發(fā)納米精度的長度測量技術(shù)和具有Å級或亞Å級(0.01nm)分辨率的表面形貌測量技術(shù)；環(huán)境溫度引起的熱漂移及其它誤差的在線檢測和自動補(bǔ)償技術(shù)；掃描探針顯微鏡(SPM)的多功能化檢測。
- 環(huán)境保障技術(shù)的開發(fā)研究：主要研究加工設(shè)備和地基的低頻(低于25Z)隔振技術(shù)；保證±0.01～0.005℃的恒溫技術(shù)；加工環(huán)境的高度清潔和凈化(潔凈度為20000～3000級以下)技術(shù)等。
- 材料的超精加工性研究。
- 加工理論和工藝方法研究：如借助于“隧道”和“原子力”等掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)進(jìn)行分子外延結(jié)晶或分子剝除加工技術(shù)；可延性磨削；能束加工；納米級微切削過程的分子動力學(xué)分析方法等。
