超精機(jī)床高速在線激光測(cè)量的交互干涉技術(shù)

超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。

(1)20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開(kāi)創(chuàng)期。20世紀(jì)50年代末，出于航天、國(guó)防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)了金剛石刀具超精密切削--單點(diǎn)金剛石切削(Single point diamond tuming，SPDT)技術(shù)，又稱(chēng)為"微英寸技術(shù)"，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國(guó)的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國(guó)LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出

各自的超精密金剛石車(chē)床，但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗(yàn)研究，并以國(guó)防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時(shí)期，金剛石車(chē)床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱(chēng)形狀的工件例如非球面鏡等。

(2)20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)政府推動(dòng)數(shù)家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開(kāi)始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開(kāi)始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時(shí)的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專(zhuān)用機(jī)的形式訂作。在這一時(shí)期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車(chē)床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。該技術(shù)特點(diǎn)是使用高剛性機(jī)構(gòu)，以極小切深對(duì)脆性材料進(jìn)行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級(jí)表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無(wú)法和金剛石車(chē)床相比。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)通過(guò)能源部"激光核聚變項(xiàng)目"和陸、海、空三軍"先進(jìn)制造技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃"對(duì)超精密金剛石切削機(jī)床的開(kāi)發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車(chē)床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為1.625m的立式車(chē)床，定位精度可達(dá)28nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。

(3)20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從1990年起，由于汽車(chē)、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)的需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤(pán)基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見(jiàn)的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平，加工行程變得更大，加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車(chē)床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且可以加工非軸對(duì)稱(chēng)非球面的光學(xué)鏡片。

世界上的超精密加工強(qiáng)國(guó)以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開(kāi)發(fā)的重視，特別是美國(guó)，幾十年來(lái)不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、x射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。如美國(guó)太空署(NASA)推動(dòng)的太空開(kāi)發(fā)計(jì)劃，以制作1m以上反射鏡為目標(biāo)，目的是探測(cè)x射線等短波(O.1~30nm)。由于X射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達(dá)到埃級(jí)來(lái)提高反射率。此類(lèi)反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來(lái)說(shuō)起步較晚，卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，具有優(yōu)勢(shì)，甚至超過(guò)了美國(guó)。日本超精密加

工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開(kāi)始，而后集中于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)磁片的大批量生產(chǎn)，隨后是用于激光打印機(jī)等設(shè)備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學(xué)元件的超精密切削。l982年上市的EastnlanKodak數(shù)碼相機(jī)使用的一枚非球面透鏡引起了日本產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，因?yàn)?枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡，光學(xué)成像系統(tǒng)因而小型化、輕質(zhì)化，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、錄像機(jī)、工業(yè)電視、機(jī)器人視覺(jué)、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產(chǎn)品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學(xué)產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

盡管隨時(shí)代的變化，超精密加工技術(shù)不斷更新，加工精度不斷提高，各國(guó)之間的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同，但促進(jìn)超精密加工發(fā)展的因素在本質(zhì)上是相同的。這些因素可歸結(jié)如下。

(1)對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發(fā)揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質(zhì)層。按美國(guó)微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求，下一代計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2nm，磁盤(pán)要求表面劃痕深度h≤lnm，表面粗糙度Ra≤0.1nmp。1983年TANIGUCHI對(duì)各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以此為基礎(chǔ)，BYRNE描繪了20世紀(jì)40年代后加工精度的發(fā)展。

(2)對(duì)產(chǎn)品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。從1989~2001年，從6.2kg降低到1.8kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質(zhì)量及其完整性越來(lái)越重要。

(3)對(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承等一邊承受載荷一邊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命。高速高精密軸承中使用的Si3N4。陶瓷球的表面粗糙度要求達(dá)到數(shù)納米。加工變質(zhì)層的化學(xué)性質(zhì)活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā)，要求加工產(chǎn)生的變質(zhì)層盡量小。

(4)對(duì)產(chǎn)品高性能的追求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的提高，有利于減緩力學(xué)性能的波動(dòng)、降低振動(dòng)和噪聲。對(duì)內(nèi)燃機(jī)等要求高密封性的機(jī)械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰(zhàn)后，航空航天工業(yè)要求部分零件在高溫環(huán)境下工作，因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。