1 前言

超精密加工技術，是現(xiàn)代機械制造業(yè)zui主要的發(fā)展方向之一。在提高機電產品的性能、質量和發(fā)展*中起著至關重要的作用，并且已成為在競爭中取得成功的關鍵技術。 
超精密加工是指亞微米級（尺寸誤差為0.3～0.03?m，表面粗糙度為Ra0.03～0.005?m）和納米級（精度誤差為0.03?m，表面粗糙度小于 Ra0.005?m）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0.1?m。如用掃描隧道電子顯微鏡（STM）加工，線寬可達2～5nm。
 
2 國外概況

美國是zui早研制開發(fā)超精密加工技術的國家。早在1962年，美國就開發(fā)出以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床，其主軸回轉精度為 0.125?m，加工直徑為?100mm的半球，尺寸精度為±0.6?m，粗糙度為Ra0.025?m。1984年又研制成功大型光學金剛石車床，可加工重1350kg，?1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達0.025?m，表面粗糙度為Ra0.042?m。在該機床上采用多項新技術，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位機的CNC系統(tǒng)，用摩擦式驅動進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，只用兩周的時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，實現(xiàn)切削厚度為1nm （納米）的加工。盡管如此，zui近美國政府還是繼續(xù)把微米級和納米級的加工技術作為國家的關鍵技術之一，這足以說明美國對這一技術的重視。 
英國是較早從事超精加工技術研究的國家之一。從1979年起，開發(fā)用于制造X射線望遠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 范圍內的表面凹凸達到6nm以下，整個鏡面的形狀精度達1?m以下。該機床為保證超精加工，采用了許多新技術。例如采用封裝合成花崗巖作為機床基礎（總重 48t），*磁鐵型DC力矩馬達驅動的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉精度為0.1?m，空氣軸承支承的旋轉工作臺，分辨率為0.015?m的 HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計算機等構成的X軸、Z軸工件尺寸及形狀精度的測量補償系統(tǒng)，壓電式刀具微進給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等。英國在80年代初就已開始實施納米計劃，成立了納米技術戰(zhàn)略委員會。Cranfield理工學院是*二個能制造出用于大型超精密加工機床的高剛度（2kN/?m）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的研究開發(fā)滯后于美國20年，但由于得到有關方面的重視和努力，發(fā)展較快。與美國不同，日本*是出于民用工業(yè)的考慮來發(fā)展超精密加工技術的，從多棱體反射鏡加工機床到磁頭微細加工機床，磁盤端面車床，發(fā)展到非球面加工機床和短波X射線反射鏡面加工機床。1986年日本已把納米技術作為*技術探索研究計劃中的六大課題之一。日本推行了一個從1991年起，為期 10年，投資250億日元的研究開發(fā)微型機械的大型國家科研計劃。在這個計劃中，F(xiàn)ANUC公司和電氣通信大學合作研制的車床型超精密銑床，在世界上用切削方法實現(xiàn)了自由曲面的微細加工。這臺銑床具有無摩擦伺服系統(tǒng)和用于微細加工的CAD/CAM 系統(tǒng)，zui小數(shù)控分辨率為1nm。在對直徑為1mm高度差為30?m的復雜曲面進行的微細銑削加工中，獲得了Ra0.058?m的表面粗糙度。機床的主要性能：X、Z軸的zui小分辨率為1nm，C、B軸的zui小分辨率分別為0.0001°和0.00001°，當主軸的zui大供氣壓力為6×106Pa 時，回轉速度為55000r/min。微細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。日本的超精加工機床生產廠家有十多家，產品大多采用0.01?m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，居世界地位。超精加工機床的加工精度已達亞微米級（0.1?m以下），粗糙度達Ra0.01?m，zui高水平的機床已用于制造超大規(guī)模集成電路，刻線寬度可達0.3?m。 
德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機床，也都處于*水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精車床，zui大加工直徑?200mm，長度200mm，其加工形狀精度為0.5?m，表面粗糙度Ra0.02?m。而德國主要研究超精密測量技術。 
目前世界上超精密加工達到的zui高技術水平如下：加工精度0.025?m，表面粗糙度Ra0.0045?m，即已進入了納米級加工精度的時代。在測量技術方面，對小位移的測量：電容式測頭分辨率可做到0.5nm（量程為15?m）和0.1nm（量程為5?m），線性誤差小于0.1%；光電子纖維光學測頭的分辨率可到0.5nm（量程為30?m），線性誤差為5%；掃描隧道顯微鏡（STM）的分辨率可達0.01nm（量程20mm時）；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm（量程200?m時）。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（實驗室）的分辨率可做到0.01?m（量程為2mm）；莫爾條紋光學尺的分辨率可做到10nm（量程1m），精度為1?m/m。對角度測量，莫爾條紋角度光學尺的分辨率可做到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要求。 

3 用STM進行微細加工

掃描隧道顯微鏡（STM）在納米級尺度上對各種表面進行刻蝕與修飾，實現(xiàn)納米加工，這是其應用的一個重要領域。 
用STM進行表面加工的方法主要有兩類：*類是在金屬、半導體或絕緣體表面上直接寫入點、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、丘等結構變化。 
第二類方法是通過STM的電子束引起化學反應，在針尖下的表面微區(qū)淀積金屬材料。 
*臺STM是G·Bining等于1981年研制成功的。現(xiàn)在裝置的結構、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行平面制版加工。其優(yōu)點是能顯示表面的結構形貌，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；結構遠比需聚焦、偏轉的離子、電子束裝置簡單，如直接用于平面結構的制版加工，使現(xiàn)有的VLSI微細工藝水平提高到一個新的量級，對科學技術發(fā)展將產生巨大影響。假定寫入點的直徑為1nm，點中心間距為2nm，數(shù)據(jù)存貯器的記憶密度可達1013bits/cm2，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。 

4 我國對超精密加工技術的研究

我國對超精密加工技術的研究起步不晚?；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0.3?m，表面粗糙度Ra0.01?m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Ra0.025?m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，主軸回轉精度值優(yōu)于0.2?m，還有超精球面車床。進入80年代，研制了回轉精度達 0.025?m的精密軸系，單晶金剛石刀切削的超精車床和超精銑床，zui高分辨率為0.01?m的CNC數(shù)控超精密車床等產品，可加工球面和拋物面體、菲涅爾鏡等零件。加工形狀精度達0.1?m，表面粗糙度達Ra0.025?m以下。zui近哈爾濱工業(yè)大學研制成功HCM-1亞微米超精密加工機床，其技術性能如表所示。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。 國內外典型超精密車床性能指標 型號（生產廠家） HCM-1
（中國哈工大） M-18AG
（美國Moore Special Tool Co.） 超精密CNC機床
（日本Toshiba Co.） 超精密車床
（德國IPT） 
主
軸 徑向跳動（?m）   ≤0.075 ≤0.05（500r/min） ≤0.048 
軸向跳動（?m）   ≤0.05 ≤0.05（500r/min）    
徑向剛度（N/?m） 200   100   
軸向剛度（N/?m） 160   200   
Z向（主軸）直線度 <0.2?m/100mm  ≤0.5?m/230mm   0.044?m/80mm 
X向（刀架）直線度 <0.2?m/100mm  ≤0.5?m/410mm   0.044?m/80mm 
X、Z向垂直度（"） ≤1  1     
重復定位精度（?m）   1（全程）0.5（25.4mm）     
加工工
件精度 形面精度（?m） 圓度：0.1  平面度：0.3 <0.1（P-V值） 0.1 
表面粗糙度（?m） Ra0.0042 0.0075（P-V值） Ra0.002 0.002～0.005RMS 
位置反饋系統(tǒng)分辨率（?m）   25 2.5 10 
溫控精度（X） ≤0.004 ±0.006 ±0.1   
隔振系統(tǒng)固有頻率（HZ） ≤2 2     
加工范圍（mm） ?320 ?356 ?650×?250   

5 加強我國超精加工技術開發(fā)的若干建議

把發(fā)展我國超精密加工技術作為一個科技戰(zhàn)略任務來抓，在發(fā)展我國超精密加工技術時，應當?shù)玫絿拦I(yè)部門及有關研究單位的大力關心和支持。 
“十五”期間，在生產線上實現(xiàn)亞微米級、納米級加工精度，在大型超精加工商品化機床上實現(xiàn)超精加工的自動化。再用10年左右的時間，大體達到美國目前的水平。 
單晶金剛石刀具鏡面切削作為實現(xiàn)超精密加工的主要方向。 
必須抓好以下6個方面的研究工作： 
提高主軸回轉精度，如開發(fā)高精度（回轉誤差小于0.02?m甚至8nm），高剛度（大于2kN/?m）的新型軸承和主軸系。 
提高直線運動精度，結構上采用空氣靜壓（直線度可達0.1～0.2?m/250mm）和液體靜壓導軌，并利用均化作用提高運動精度。如盡快開發(fā)高分辨率（如設定值≤0.01?m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)，以實現(xiàn)微量進給的驅動系統(tǒng)。 
大力開展在線檢測技術的研究，主要抓以下三個方面：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：檢測技術中，主要開發(fā)納米精度的長度測量技術和具有?級或亞?級（0.01nm）分辨率的表面形貌測量技術；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償技術；掃描探針顯微鏡（SPM）的多功能化檢測。 
環(huán)境保障技術的開發(fā)研究：主要研究加工設備和地基的低頻（低于25Z）隔振技術；保證±0.01～0.005℃的恒溫技術；加工環(huán)境的高度清潔和凈化（潔凈度為20000～3000級以下）技術等。 
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）技術進行分子外延結晶或分子剝除加工技術；可延性磨削；能束加工；納米級微切削過程的分子動力學分析方法等。