微結構功能表面的金剛石超精密加工技術

超精密加工的發(fā)展經歷了如下三個階段。

(1)20世紀50年代至80年代為技術開創(chuàng)期。20世紀50年代末，出于航天、國防等尖端技術發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術，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，又稱為"微英寸技術"，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導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研究用途的產品加工為主。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備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學等也陸續(xù)推出產品，這些設備開始面向一般民間工業(yè)光學組件商品的制造。但此時的超精密加工設備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質金屬的金剛石車床外，可加工硬質金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術特點是使用高剛性機構，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然，其加工效率和機構的復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金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經典之作。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)界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設備的相關技術，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產機器設備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產型設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應用也逐漸增廣，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也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。

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量輕且熱傳導性良好的碳化硅，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的研究相對美、英來說起步較晚，卻是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。日本超精密加工的應用對象大部分是民用產品，包括辦公自動化設備、視像設備、精密測量儀器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，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，隨后是用于激光打印機等設備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學元件的超精密切削。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業(yè)界的廣泛關注，因為1枚非球面透鏡至少可替代3枚球面透鏡，光學成像系統(tǒng)因而小型化、輕質化，可廣泛應用于照相機、錄像機、工業(yè)電視、機器人視覺、CD、VCD、DvD、投影儀等光電產品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學產業(yè)界的研究熱點。

盡管隨時代的變化，超精密加工技術不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側重點有所不同，但促進超精密加工發(fā)展的因素在本質上是相同的。這些因素可歸結如下。

(1)對產品高質量的追求。為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好，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層。按美國微電子技術協(xié)會(SIA)提出的技術要求，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并對其發(fā)展趨勢進行了預測，以此為基礎，BYRNE描繪了20世紀40年代后加工精度的發(fā)展。

(2)對產品小型化的追求。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、半導體制造設備的運動精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質量及其完整性越來越重要。

(3)對產品高可靠性的追求。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。加工變質層的化學性質活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā)，要求加工產生的變質層盡量小。

(4)對產品高性能的追求。機構運動精度的提高，有利于減緩力學性能的波動、降低振動和噪聲。對內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。

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。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精加工技術。加之測量技術、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領域：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0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。

a.超精密切削

超精密切削以SPDT技術開始，該技術以空氣軸承主軸、氣動滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削，廣泛用于銅的平面和非球面光學元件、有機玻璃、塑料制品(如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。此外，MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達50～100μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須再縮小，其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。

b.超精密磨削

超精密磨削是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關鍵技術是金剛石砂輪的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工對象主要是脆硬的金屬材料、半導體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面，當前超精密磨削能加工出圓度0.01μm、尺寸精度0.1μm和表面粗糙度為Ra0.005μm的圓柱形零件。

c.超精密研磨

超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達0.025μm,表面粗糙度Ra達0.003μm。

d.超精密特種加工

超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細電火花加工、精細電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復合加工。激光、電子束加工可實現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標志；離子束加工可實現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細放電加工可以實現(xiàn)極微細的金屬材料的去除,可加工微細軸、孔、窄縫平面及曲面；精細電解加工可實現(xiàn)納米級精度,且表面不會產生加工應力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應力加工的場合。

超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技術”（1微英寸＝0.025μm），并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產的Nanocentre（納米加工中心）既可進行超精密車削，又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發(fā)展最快的國家。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達0.025μm的精密軸承、JCS—027超精密車床、JCS—031超精密銑床、JCS—035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內領先、國際先進水平。哈爾濱工業(yè)大學在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究，并有相應產品問世。我國超精密加工技術與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學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方面差距尤為明顯。