超精機床高速在線激光測量的交互干涉技術(shù)項目摘要

超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個階段。

(1)20世紀50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀50年代末，出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削--單點金剛石切削(Single point diamond tuming，SPDT)技術(shù)，又稱為"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，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出

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

(2)20世紀80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀80年代，美國政府推動數(shù)家民間公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設(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)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，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發(fā)出來。該技術(shù)特點是使用高剛性機構(gòu)，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀80年代后期，美國通過能源部"激光核聚變項目"和陸、海、空三軍"先進制造技術(shù)開發(fā)計劃"對超精密金剛石切削機床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研制出的大型光學(xué)金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺最大加工直徑為1.625m的立式車床，定位精度可達28nm，借助在線誤差補償能力，可實現(xiàn)長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。

(3)20世紀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、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、磁盤驅(qū)動器磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時期，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)動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機器設(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，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學(xué)鏡片。

世界上的超精密加工強國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點并不一樣。歐美出于對能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費，對大型紫外線、x射線探測望遠鏡的大口徑反射鏡的加工進行研究。如美國太空署(NASA)推動的太空開發(fā)計劃，以制作1m以上反射鏡為目標，目的是探測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到埃級來提高反射率。此類反射鏡的材料為質(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。日本對超精密加工技術(shù)的研究相對美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應(yīng)用對象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測量儀器、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，甚至超過了美國。日本超精密加

工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而后集中于計算機硬盤磁片的大批量生產(chǎn)，隨后是用于激光打印機等設(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，因為1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、錄像機、工業(yè)電視、機器人視覺、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。

盡管隨時代的變化，超精密加工技術(shù)不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側(cè)重點有所不同，但促進超精密加工發(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)對產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲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。按美國微電子技術(shù)協(xié)會(SIA)提出的技術(shù)要求，下一代計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2nm，磁盤要求表面劃痕深度h≤lnm，表面粗糙度Ra≤0.1nmp。1983年TANIGUCHI對各時期的加工精度進行了總結(jié)并對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測，以此為基礎(chǔ)，BYRNE描繪了20世紀40年代后加工精度的發(fā)展。

(2)對產(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)備的運動精度。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)量及其完整性越來越重要。

(3)對產(chǎn)品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運動的零件，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)對產(chǎn)品高性能的追求。機構(gòu)運動精度的提高，有利于減緩力學(xué)性能的波動、降低振動和噪聲。對內(nèi)燃機等要求高密封性的機械，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。