機(jī)械制造技術(shù)從提高精度與生產(chǎn)率兩個(gè)方面同時(shí)迅速發(fā)展起來(lái)。在提高生產(chǎn)率方面，提高自動(dòng)化程度是各國(guó)致力發(fā)展的方向，近年來(lái)，從C N C到C I M S發(fā)展迅速，并且在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工，這也是世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家致力發(fā)展的方向。其精度從微米到亞微米，乃至納米，其應(yīng)用范圍日趨廣泛，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。如激光核聚變系統(tǒng)、超大規(guī)模集成電路、高密度磁盤、精密雷達(dá)、導(dǎo)彈火控系統(tǒng)、慣導(dǎo)級(jí)陀螺、精密機(jī)床、精密儀器、錄象機(jī)磁頭、復(fù)印機(jī)磁鼓、煤氣灶轉(zhuǎn)閥等都要采用超精密加工技術(shù)。
　　它與當(dāng)代一些主要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有密切的關(guān)系，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，超精密加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。
　　1超精密加工技術(shù)概述
　　
　　超精密加工目前就其質(zhì)來(lái)說(shuō)是要實(shí)現(xiàn)以現(xiàn)有普通精密加工手段還達(dá)不到的高精度加工，就其量來(lái)說(shuō)是要加工出亞微米乃至毫微米級(jí)的形狀與尺寸賴皮并獲得納米級(jí)的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算得上超精密加工一段要視零件大小、復(fù)雜程度以及是否容易變形等因素而定。
　　超精密加工主要包括超精密切削(車、銑) 超精密磨削、超精密研磨
　　(機(jī)械研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、研拋、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等)以及超精密特種加工(電子束、離子束以及激光束加工等)。上述各種方法均能加工出普通精密加工所達(dá)不到的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。每種超精密加工方法都是針對(duì)不同零件的要求而選擇的。
　　1．1超精密切削加工
　　
　　超精密切削加工的特點(diǎn)是采用金剛石刀具。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，且能刃磨得非常鋒利(刃口圓弧半徑可小于 ρ0．01 μm，實(shí)際應(yīng)用一般ρ0，05 μm) 可加工出優(yōu)于Ra0．01 μm的表面粗糙度。此外，超精密切削加工還采用了高精度的基礎(chǔ)元部件(如空氣軸承、氣浮導(dǎo)軌等)、高精度的定位檢測(cè)元件(如光柵、激光檢測(cè)系統(tǒng)等)以及高分辨率的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。機(jī)床本身采取恒溫、防振以及隔振等措施，還要有防止污染工件的裝置。機(jī)床必須安裝在潔凈室內(nèi)。進(jìn)行超精密切削加工的零件材料必須質(zhì)地均勻，沒(méi)有缺陷。在這種情況下加工無(wú)氧銅，表面粗糙度可達(dá)到Ba0．005μm，加工φ800mm的非球面透鏡，形狀精度可達(dá)0．2／μm。超精密加工技術(shù)在航空航天、光學(xué)及民用等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛(見(jiàn)表1) 并向更高精度等方向發(fā)展(見(jiàn)表2)。
　　　　
　　1．2超精密磨削
　　
　　超精密磨削技術(shù)是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。超精密磨削不僅要提供鏡面級(jí)的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。為此，除要考慮各種工藝因素外，還必須有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基準(zhǔn)部件，消除各種動(dòng)態(tài)誤差的影響，并采取高精度檢測(cè)手段和補(bǔ)償手段。
　　目前超精密磨削的加工對(duì)象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，磨削加工的目標(biāo)是范成3—5nm的平滑表面，也就是通過(guò)磨削加工而不需拋光即可達(dá)到要求的表面粗糙度。作為納米級(jí)磨削加工，要求機(jī)床具有高精度及高剛度，脆性材料可進(jìn)行可延性磨削(Ductile Grinding)。納米磨削技術(shù)對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是對(duì)要求高疲勞強(qiáng)度材料(如飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技術(shù)。
　　此外，砂輪的修整技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。盡管磨削比研磨更能有效地去除
　　物質(zhì)，但在磨削玻璃或陶瓷時(shí)很難獲得鏡面，主要是由于砂輪粒度太細(xì)時(shí)，砂輪表面容易被切屑堵塞。日本理化學(xué)研究所學(xué)者大森整博士發(fā)明的電解在線修整(ELID)鑄鐵纖維結(jié)合劑(CIFB)砂輪技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
　　當(dāng)前的超精密磨削技術(shù)能加工出0．0 1μm圓度， O．1μm尺寸精度和Ra0．005μm粗糙度的圓柱形零件，平面超精密磨削能加工出0．03μm／100mm的平面。
　　1．3超精密研磨
　　
　　超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨加工出的球面不球度達(dá)0．025ttm，表面粗糙度達(dá) RaO．003μm。利用彈性發(fā)射加工可加工出無(wú)變質(zhì)層的鏡面，粗糙度可達(dá)5A。最高精度的超精密研磨可加工出平面度為λ／200的零件。超精密研磨的的關(guān)鍵條件是幾乎無(wú)振動(dòng)的研磨運(yùn)動(dòng)、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。此外高精度檢測(cè)方法也比不可少。
　　1．4超精密特種加工
　　1．4．1電子束加工
　　
　　離子束加工是指在真空中將陰極(電子槍)不斷發(fā)射出來(lái)的負(fù)電子向正極加速，并聚焦成極細(xì)的、能量密度極高的束流，高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到工件表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走?？刂齐娮邮膹?qiáng)弱和偏轉(zhuǎn)方向，配合工作臺(tái) X Y方向的數(shù)控位移，可實(shí)現(xiàn)打孔、成型切割、刻蝕、光刻曝光等工藝。集成電路制造中廣泛采用波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短得多的電子束光刻曝光，所以可以達(dá)到高達(dá) O.25μm的線條圖形分辨串。
　　1．4．2離子束加工
　　
　　在真空將離子源產(chǎn)生的離子加速、聚焦使之撞擊工件表面。由于離子是帶正電荷且質(zhì)量比電子大數(shù)千萬(wàn)倍，加速以后可以獲得更大的動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的，可用于表面刻蝕、超凈清洗，實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的切削加工。
　　1．4．3激光束加工
　　
　　由激光發(fā)生器將高能量密度的激光進(jìn)一步聚焦后照．射到工件表面，光能被吸收瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)能量密度的高低，可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、加工精微防偽標(biāo)志等。
　　1．4．4微細(xì)電火花加工
　　
　　電火花加工是指在絕緣的工作液中通過(guò)工具電極和工件間脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)局部高溫來(lái)熔化和氣化去除金屬的。加工過(guò)程中工具與工件間沒(méi)有宏觀的切削力，只要精密地控制單個(gè)脈沖放電能量并配合精密微量進(jìn)給就可實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除，可加工微細(xì)軸、孔、窄縫、平面以及曲面等。
　　1．4．5微細(xì)電解加工
　　
　　導(dǎo)電的工作液中水離解為氫離子和氫氧根離子，工件作為陽(yáng)極，其表面的金屬原子成為金屬正離子溶入電解液而被逐層地電解下來(lái)，隨后即與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)形成金屬氫氧化物沉淀，而工件陰極并不損耗，加工過(guò)程中工具與工件間也不存在宏觀的切削力，只要精細(xì)地控制電流密度和電解部位，就可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的電解加工，而且表面不會(huì)加工應(yīng)力。常用于鏡面拋光、精密減薄以及一些需要無(wú)應(yīng)力加工的場(chǎng)合。
　　1．4．6復(fù)合加工
　　
　　復(fù)合加工是指采用幾種不同能量形式、幾種不同的工藝方法，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短、復(fù)合作用的加工技術(shù)，例如電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花、超聲切削加工等，可比單一加工方法更有效，適用范圍更廣。
　　2納米技術(shù)(Nanotechnology)
　　2．1概述
　　
　　隨著生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空、航天、精確制導(dǎo)彈藥、靈巧武器、先進(jìn)情報(bào)傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷發(fā)展，在結(jié)構(gòu)裝置微小型化方面不斷提出更新、更高的要求。目前，納米技術(shù)發(fā)展十分迅猛，它使人類在改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次。它將開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)能力，使單位體積物質(zhì)存儲(chǔ)和處理信息的能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，從而給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事能力帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。
　　納米技術(shù)是指納米級(jí)(＜10納米)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展。開(kāi)創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米制造學(xué)、納米顯微學(xué)及納米測(cè)量等等新的高技術(shù)群。納米技術(shù)是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，有著廣闊的軍民兩用前景。美國(guó)、日本及西歐等國(guó)家均投入了大量的人力、物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并己在航空、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng)用。
　　2．1．1微型機(jī)電系統(tǒng)( microelectron—mechanical systems， MEMS)
　　
　　10年前，人們意識(shí)到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機(jī)械系統(tǒng)的微米尺度的樣機(jī)后，就在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開(kāi)始了新的研究，這導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以及各種閥門等。
　　MEMS 主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)、電于工業(yè)和航空、航天。如用靜電驅(qū)動(dòng)的微型電機(jī)控制計(jì)算機(jī)及通訊系統(tǒng)。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，微型傳感器可以測(cè)量各種化學(xué)物質(zhì)的流量、壓力和濃度。在軍事主要有以下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警傳感器、敵我識(shí)別、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲平臺(tái)等應(yīng)用。
　　2．1.2專用集成微型儀器( application specific integrated micro-instrument， ASIM)
　　
　　微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度結(jié)構(gòu)的傳感器和動(dòng)作器的設(shè)計(jì)、材料合成、微型機(jī)械加工、裝配、總成和封裝問(wèn)題。利用這項(xiàng)技術(shù)可以把傳感器、動(dòng)作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的基片上。微型機(jī)電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成，導(dǎo)致了專用集成微型儀器(ASIM)的出現(xiàn)。
　　具有亞微米特點(diǎn)的ASIM會(huì)使亞毫米器件降低研制與試驗(yàn)費(fèi)用、縮小體積、減輕重量，同時(shí)還可以降低對(duì)電源和溫控的要求，降低對(duì)振動(dòng)的靈敏性和通過(guò)冗余提高可靠性。 ASIM將在航天器和航天．系統(tǒng)技術(shù)方面引起一場(chǎng)革命，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)“納米衛(wèi)星”。
　　2．1．3材料工程及功能織物
　　
　　在材料工程方面，已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)與控制一種材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得所要求的宏觀性能。因此，對(duì)于材料的分子、原子結(jié)構(gòu)，以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測(cè)試，以成為當(dāng)今材料工程中不可缺少的技術(shù)。
　　利用納米粒子的催化特性、極大的化學(xué)活性、極大的表面積、優(yōu)異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品，如抗紫外線、抗可見(jiàn)光、抗紅外線、抗電磁等的功能織物。
　　此外，納米技術(shù)在微電子工程、生物遺傳工程、微機(jī)械光學(xué)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　2．2納米加工技術(shù)
　　
　　正如制造技術(shù)在當(dāng)今各領(lǐng)域所起的重要作用一樣，納米加工技術(shù)在納米技術(shù)的各領(lǐng)域中也起著關(guān)鍵作用。納米加工技術(shù)包含機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工以及 STM加工等許多方法。關(guān)于納米加工技術(shù)目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，尺寸為納米級(jí)(＜10納米)的材料的加工和使用稱為納米加工。加工表面粗糙度為納米級(jí)的也稱為納米加工。筆者認(rèn)為所謂納米加工技術(shù)是指零件加工的尺寸精度、形狀精度以及表面粗糙度均為納米級(jí)(＜10納米)。通過(guò)以下加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工。
　　2．2．1超精密機(jī)械加工技術(shù)
　　
　　超精密機(jī)械加工方法有單點(diǎn)金剛石和CBN超精密切削、金剛石和CBN超精密磨削等多點(diǎn)磨料加工，以及研磨、拋光、彈性發(fā)射加工等自由磨料加工或機(jī)械化學(xué)復(fù)合加工等。
　　目前利用單點(diǎn)金剛石超精密切削加工已在實(shí)驗(yàn)室得到了3納米的切屑，利用可延性磨削技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)磨削，而通過(guò)彈性發(fā)射加工等工藝則可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的去除，得到埃級(jí)的表面粗糙度。
　　2．2．2能量束加工技術(shù)
　　
　　能量束加工可以對(duì)被加工對(duì)象進(jìn)行除、添加和表面處理等工藝，主要包括離子束加工、電子束加工和光束加工等，此外電解射流加工、電火花加工、電化學(xué)加工、分子束外延、物理和化學(xué)氣相淀積等也屬于能量束加工。
　　離子束加工濺射去除、沉淀和表面處理，離子束輔助蝕刻亦是用于納米級(jí)加工的研究開(kāi)發(fā)方向。與固體工具切削加工相比，離子束加工的位置和加工速率難以確定，為取得納米級(jí)的加工精度，需要亞納米級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)與加工位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電子束加工是以熱能的形式去除穿透層表面的原子，可以進(jìn)行刻蝕、光刻曝光、焊接、微米和納米級(jí)鉆削和銑削加工等。
　　2．2．3 LIGA技術(shù)( Lithographie， Galvanoformung， Abformung)
　　
　　LIGA工藝是由深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型、塑鑄成型等技術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)，其最基本和最核心的工藝是深度同步輻射光刻，而電鑄和塑鑄工藝是LIGA產(chǎn)品實(shí)用化的關(guān)按。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相比， LIGA技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要有：
　　(1)用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。
　　(2)可以制作高度達(dá)數(shù)百微米至一千微米，高度比大于200的三維立體微結(jié)構(gòu)。
　　(3)橫向尺寸可以小到O．5μm，加工精度可達(dá)0.1μm
　　(4)可實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制、生產(chǎn)，成本低。
　　用LIGA 技術(shù)可以制作各種微器件、微裝置，己研制成功或正在研制的LIGA產(chǎn)品有微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、集成光學(xué)和微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械、納米技術(shù)元件及系統(tǒng)等。 LIGA產(chǎn)品的應(yīng)用涉及面廣泛，如加工技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、汽車及交通技術(shù)、電力及能源技術(shù)、航空及航天技術(shù)、紡織技術(shù)、精密工程及光學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和化學(xué)工程等。
　　2.2．4掃描隧道顯微鏡( STM)技術(shù)
　　
　　
　　C．binning和H．Robrer發(fā)明的掃描隧道顯微鏡不但使人們可以以單個(gè)原子的分辨率觀測(cè)物體的表面結(jié)構(gòu)，而且也為以單個(gè)原子為單位的納米級(jí)加工提供了理想途徑。應(yīng)用掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以進(jìn)行原于級(jí)操作、裝配和改型。S T M將非常尖銳的金屬針接近試件表面至1nm左右，施加電壓時(shí)隧道電流產(chǎn)生，隧道電流每隔0．1nm變化一個(gè)數(shù)量級(jí)。保持電流一定掃描試件表面，即可分辨出表面結(jié)構(gòu)。一般隧道電流通過(guò)探針尖端的一個(gè)原子，因而其橫向分辨率為原于級(jí)。
　　掃描隧道顯微加工技術(shù)不僅可以進(jìn)行單個(gè)原于的去除、添加和移動(dòng)，而且可以進(jìn)行STM光刻、探針尖電子束感應(yīng)的沉淀和腐蝕等新的 S T M加工技術(shù)。
　　2．3納米測(cè)控技術(shù)
　　
　　實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工離不開(kāi)納米級(jí)的測(cè)量技術(shù)，而這二者都離不開(kāi)控制技術(shù)，超高精度的定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制的關(guān)鍵。
　　2．3．1納米測(cè)量技術(shù)
　　
　　以表面性貌等為測(cè)量對(duì)象，納米級(jí)測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向有光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描顯微技術(shù)。
　　·光外差干涉儀：通常利用干涉條紋圖的測(cè)量方法進(jìn)行納米級(jí)測(cè)量有其很大的局限性，而利用外差干涉測(cè)量技術(shù)可以得到O．1nm的空間分辨率，測(cè)量范圍可達(dá)50mm。
　　· X射線干涉儀：可見(jiàn)光和紫外光的干涉條紋間距為數(shù)百納米，不易測(cè)量納米級(jí)的微小位移，而利用 X射線的超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)O．Olnm分辨率的位移測(cè)量。測(cè)量范圍可達(dá)200μm。
　　·頻率跟蹤F—P標(biāo)準(zhǔn)具：而基于 F—P標(biāo)準(zhǔn)具的測(cè)量技術(shù)具有極高的
　　靈敏度和準(zhǔn)確度，其精度可達(dá)到10—3nm，但測(cè)量范圍僅為O．1μm，其受限于激光器的調(diào)頻范圍。
　　·激光頻率分裂測(cè)長(zhǎng)：激光頻率分裂的值與分裂元件的位移有關(guān)，通過(guò)測(cè)頻率測(cè)位移，精度己達(dá)到1nm，進(jìn)一步激光穩(wěn)頻可達(dá)0．Olnm，測(cè)量范圍150μm。
　　掃描隧道顯微鏡可以直接觀測(cè)原子尺度結(jié)構(gòu)，垂直分辨率達(dá)到O．1nm，近年來(lái)在 S T M的基礎(chǔ)上又派生出一系列的掃描探針顯微技術(shù)，如光子掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯'微鏡(MFM) 掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM) 橫向力顯微鏡(LFM)、彈導(dǎo)電子發(fā)射顯微鏡(BEEM) 光于掃描隧道顯微鏡(PSTM)、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)等等。
　　2．3．2納米定位控制技術(shù)
　　
　　在納米級(jí)測(cè)量與加工中，需要納米級(jí)的三維定位與控制。目前用一個(gè)執(zhí)行元件來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的納米級(jí)定位是比較困難的。因此，實(shí)際的定位機(jī)構(gòu)多采用大位移用的執(zhí)行元件和納米定位用的執(zhí)行元件相組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)三維定位與控制，目前普遍采用壓電陶瓷致動(dòng)器件，它在微米級(jí)的極小范圍內(nèi)通過(guò)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)近似的三維驅(qū)動(dòng)。此外，利用電致材料、靜電或磁軸承式結(jié)構(gòu)，以及靜電致動(dòng)的高精度定位控制技術(shù)也向納米級(jí)精度發(fā)展，也可采用摩擦驅(qū)動(dòng)裝置和絲杠定位元件通過(guò)特殊的方法也納米級(jí)的定位。
　　3非球面曲面超精密加工技術(shù)
　　3．1概述
　　
　　非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，最常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件具有球面光學(xué)零件所無(wú)可比擬的良好的成象質(zhì)量。應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種象差，改善儀器成象質(zhì)量，提高儀器鑒別能力，增大作用距，它能以一個(gè)或幾個(gè)少量的非球面零件代替較多的球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本，并有效的減輕儀器重量，在航空、航天等領(lǐng)域，由于近年來(lái)非球面雷達(dá)天線、非球面透鏡、反射鏡的應(yīng)用，使產(chǎn)品的性能得到了極大提高。衛(wèi)星中的先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、高分辨串的電視攝像系統(tǒng)、高靈敏度的紅外傳感系統(tǒng)等，其光學(xué)系統(tǒng)中都離不開(kāi)非球面透鏡。慣導(dǎo)器件的關(guān)鍵部件激光陀螺中由于采用了非球面反射鏡，不僅大大縮小了體積，更重要的是大大提高了控制精度以及控制穩(wěn)定
　　性。紅外拋物面反射鏡是紅外探測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其加工精度對(duì)導(dǎo)彈引爆距離的一致性影響很大。在民用方面激光核聚變可以提供長(zhǎng)期的、清潔的、經(jīng)濟(jì)的能源，生產(chǎn)廉價(jià)的核燃料。其中關(guān)鍵部件之一的激光核聚變反射鏡即為一非球面反射鏡，采用非球面反射鏡替代成組透鏡，主要減少了反射次數(shù)，減小了功率損失?？臻g探測(cè)用的哈勃宇宙望遠(yuǎn)鏡中直徑2．4ln，重達(dá)卯OK8的大型非球面反射鏡采用了磨削、拋光加工，形狀精度可達(dá)O．01LLm。
　　非球面光學(xué)零件在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用更為廣泛，其范圍涉及到攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、錄象機(jī)鏡頭、錄象和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光釬通信的光釬接頭、醫(yī)療儀器等等。
　　從上述的論述中我們可以看到無(wú)論在機(jī)載設(shè)備、衛(wèi)星、慣性制導(dǎo)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光制導(dǎo)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)、激光核聚變等方面都離不開(kāi)非球面零件，所以盡快提高我國(guó)非球面曲面的超精密加工技術(shù)成了當(dāng)務(wù)之急，這有利于提高我國(guó)的航空、航天、武器系統(tǒng)等國(guó)防工業(yè)的水平。
　　八十年代以來(lái)，出現(xiàn)了許多新的現(xiàn)代的非球面加工技術(shù)，它們主要
　　是：
　　(1)計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛車削技術(shù)：
　　(2)計(jì)算機(jī)數(shù)控箱磨拋光技術(shù)；
　　(3)計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成型技術(shù)：
　　(4)計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)：
　　(5)計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)：
　　(6)光學(xué)玻璃非球面透鏡模壓技術(shù)：
　　(7)塑料透鏡模壓技術(shù)；
　　(8)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)制非球面技術(shù)：
　　這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡的加工問(wèn)題，前五種方法都運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，加工零件精度較高，加工效率高，能批量生產(chǎn)。非球面曲面根據(jù)材料的不同采用不同的加工方法。對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，目前可以利用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)進(jìn)行超精密加工。對(duì)于玻璃或塑料等，目前的加工方法主要是首先超精密加工其模具，然后用成型的方法生產(chǎn)非球面曲面。對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料目前是主要通過(guò)超精密磨削和超精密研磨、拋光進(jìn)行加工。此外，還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。
　　3．2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
　　
　　非球面曲面的精密、超精密加工要從CNC超精密機(jī)床談起。 CNC超精密加工技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)得到了很大發(fā)展，主要都是基于航空、航天、軍事、能源等方面的應(yīng)用，英國(guó)Cranfield大學(xué)的精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛石鏡面切削機(jī)床可以加工大型X射線天體望遠(yuǎn)鏡所用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長(zhǎng)度 600mm的圓錐鏡)。
　　該研究所還研制成功了可加工X射線望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面的金剛石切削機(jī)床。哈勃望遠(yuǎn)鏡上的大型非球面反射鏡超精密加工所用的 OAGM2500六軸 CNC超精密磨床的研制也正是出自該實(shí)驗(yàn)室，該機(jī)床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，其加工形狀精度可達(dá)到0．1μm。代表當(dāng)今最高水平的超精密金剛石車床LODTM于1984年在美國(guó)勞倫斯．利佛莫爾(LLNl)實(shí)驗(yàn)室研制成功，它可加工直徑達(dá)2l00mm，重達(dá)4500Kg的工件，其加工精度可達(dá) 0．25μm，表面粗糙度Rmax0．0076μm，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于激光核聚變工程的零件，紅外線裝置用零件以及大型天體反射鏡的加工。荷蘭PHILPHS公司于1978年研制成功了CNC超精密金剛石車床COLATH，主要用于非球面塑料透鏡的加工，加工精度在0．5μm以下，表面粗
　　糙度Ra O．02μm。此外，對(duì)于硬脆材料的非球面形狀的加工，超精密研磨、拋光也是一種有效的手段，日本在這方面投入的資金和人員較多，取得了一定成果。運(yùn)用特種加工技術(shù)如離子束拋光、彈性發(fā)射加工等，可明顯提高加工表面質(zhì)量。美國(guó) Frankfurt兵工廠采用氬離子束拋光火控系統(tǒng)用的高精度非球面鏡，精度達(dá)到O．02λ。
　　目前，國(guó)外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集一體，開(kāi)發(fā)研制出復(fù)合超精密加工機(jī)床。 Rank Pneumo公司生產(chǎn)的NANOFORM600以及CUPE研制的NANOCENTRE都具有以上加工功能，這樣使非球面零件的加工更加靈活。
　　目前國(guó)外各種非球面加工工藝正處于比較成熟階段，從大到幾米直徑小到幾毫米直徑，從單件到大批量，從高精度到一般精度的非球面光學(xué)零件都能加工。相比之下，我國(guó)仍主要采用傳統(tǒng)的加工工藝，需依賴有經(jīng)驗(yàn)的非球面加工技術(shù)工人，利用刀口儀和箱密拋光工具，逐點(diǎn)修磨拋光加工出非球面曲面。工藝需要幾個(gè)月，重復(fù)性差，加工成本高，只適用于單件和極小批量的生產(chǎn)，僅能滿足研究所和學(xué)校的單件試制要求。
　　國(guó)內(nèi)從八十年代初開(kāi)始了超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了二十年。其中開(kāi)展研究工作較好的單位有北京密云機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)防科工委于1992年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所建立了國(guó)內(nèi)第一家超精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這些單位為我國(guó)超精密加工技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)，但對(duì)于非球面加工來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)基本還是一片空白。長(zhǎng)春光機(jī)所前幾年引進(jìn)了Rank Pneumo公司的MSG—325 CNC超精密車床，主要用來(lái)加工一些金屬、光學(xué)零件，但這臺(tái)設(shè)備目前看來(lái)己落后于國(guó)際水平，不能滿足國(guó)防工業(yè)的需要，而繼續(xù)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，一是受到許多限制，二是這樣只能永遠(yuǎn)落后于別人，不利于我國(guó)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展。所以國(guó)家必須投入充足的人力、物
　　力，才能使我國(guó)的超精密加工技術(shù)特別是非球面的超精密加工技術(shù)在較短時(shí)間內(nèi)能很快適應(yīng)航空、航天、武器等國(guó)防現(xiàn)代化的需要。
　　3.3研究?jī)?nèi)容
　　
　　非球面曲面的超精密加工技術(shù)涉及面寬，經(jīng)費(fèi)投入量大，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情，應(yīng)首先開(kāi)展以下幾項(xiàng)研究：
　　(1)超精密靜壓主軸的研究;
　　(2)導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)裝置的研究;
　　(3)機(jī)床位移測(cè)量裝置的研究;
　　(4)高精度數(shù)控系統(tǒng)的研究：
　　(5)非球面曲面型面精度的在線測(cè)量裝置的研究：
　　(6)可延性磨削裝置的研究;
　　(7)恒溫供油裝置的研究;
　　(8)進(jìn)行非球面曲面加工工藝及相關(guān)技術(shù)的研究，其中包括金剛石刀
　　具研磨技術(shù)的研究，同時(shí)還將進(jìn)行環(huán)境技術(shù)等方面的研究。
　　利用上述技術(shù)可以綜合成集CNC超精密車、磨加工于一體的復(fù)合加工裝置，這臺(tái)CNC超精密復(fù)合加工裝置應(yīng)達(dá)到的具體指標(biāo)如下：
　　主軸精度：徑向、軸向0．03—0．05μm：
　　導(dǎo)軌精度：0．1—0．2μm／lOOmm
　　CNC數(shù)控系統(tǒng)：分辨串O．0025——O．010μm；
　　溫控技術(shù)達(dá)到控制精度為±0．Ol℃
　　機(jī)床位移測(cè)量裝置分辨率： O．O05μm—O．01μm
　　型面精度在線測(cè)量裝置分辨率： O．002μm
　　在該CNC超精密復(fù)合加工裝置上加工出的非球面曲面，達(dá)到：
　　加工型面精度：0．3——O．5μm；
　　加工表面粗糙度： Ra0．005—0．020μm；
　　4精密偶件超精密加工技術(shù)
　　4．1概述
　　
　　精密偶件技其形狀可分為圓柱面偶件、平面偶件、球面偶件和導(dǎo)形柱面偶件。精密偶件在航空航天、精密機(jī)械、精密儀器、能源交通等部門的應(yīng)用十分廣泛，就其專業(yè)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，液壓工業(yè)應(yīng)用最多。根據(jù)偶件的材料、精度、使用場(chǎng)合及批量的不同有各種加工方法。對(duì)于平面偶件，主要采用超精密磨削、研磨或超精密車削等，對(duì)于圓柱面及球面偶件主要采用研磨、磨削、滾壓、傷磨、金剛石及CBN鉸削等工藝。
　　精密偶件制造技術(shù)的發(fā)展也是精密加工、超精密加工技術(shù)時(shí)發(fā)展過(guò)
　　程，60年代美國(guó)制成第一臺(tái)具有0．025μm的進(jìn)給分辨率、加工圓度到O．125μm的外圓磨床，精密偶件的加工逐漸步入了超精密加工范疇，隨后各種精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展使精密偶件的制造技術(shù)不斷發(fā)展。
　　用超精密加工技術(shù)解決精密偶件的加工，己引起了國(guó)外的重視，特別是在軍事工業(yè)中投入了大量人力、物力來(lái)解決精密偶件的制造技術(shù)問(wèn)題。目前利用超精密加工技術(shù)來(lái)解決精密偶件制造中的關(guān)鍵問(wèn)題，尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)一些單位主要利用高精度磨床進(jìn)行偶件磨別，也利用超精密技術(shù)改裝原有精密設(shè)備使之提高精度，國(guó)內(nèi)尚無(wú)真正的超精密磨床、超精密研磨機(jī)等超精密加工設(shè)備。目前，三O三所針對(duì)航空、航天、艦艇及武器系統(tǒng)等制造技術(shù)的需要，在國(guó)防科技超精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，研制了一系列的超精密加工設(shè)備(包括超精密車、鏜、外圓磨、超精密平磨、超精密研磨機(jī)、超精密金剛石研磨機(jī))以及軸向配磨裝置等，并進(jìn)一步進(jìn)行工藝研究。
　　4．2研究?jī)?nèi)容
　　4．2.1內(nèi)、外圓柱偶件及平面偶件超精密車削、 鏜削及磨削技術(shù)研究
　　
　　該項(xiàng)技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)，如陀螺儀零件、油泵轉(zhuǎn)子、配油盤、平面反射鏡等生產(chǎn)，解決有色金屬圓柱形偶件及平面偶件的加工。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　圓柱度：0．1——O.3μm
　　圓度： O．05——O．1μm
　　尺寸精度： O.1——O．5μm
　　粗糙度： Ra0．005——O.02μm
　　平面度：λ／5(φl(shuí)OOmm)
　　4．2．2圓柱偶件的外因磨削技術(shù)研究
　　
　　進(jìn)行超精密外因磨削的裝置的研究，并研究超精密磨削中的砂輪修
　　整、動(dòng)平衡、尺寸控制、溫度控制及超精密磨削工藝。上述技術(shù)可直接用于工廠生產(chǎn)，如伺服伺服閥柱塞、慣導(dǎo)零件、振動(dòng)筒等生產(chǎn)，可用于黑色金屬及其它高硬度材料的圓柱形偶件的加工。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　圓柱度： O．1——O．3μm
　　徑向配合精度： O．3——0．8μm
　　粗糙度： Ra0．O05——0．02μm
　　4．2．3大批量外因、柱體、球及平面偶件的超精密研磨技術(shù)
　　
　　進(jìn)行可用于大批量生產(chǎn)用的研磨圓柱體、球及平面的超精密研磨裝置及其相應(yīng)加工工藝的研究，此技術(shù)可用于柱塞泵、慣導(dǎo)中超精密軸承精化、平面反射鏡等元件的加工，可直接用于生產(chǎn)。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　圓柱度：0．3——O．5μm
　　球度： O．05——O．1μm
　　平面度：0．05——O．1μm
　　尺寸精度：0．1——O．5μm
　　粗糙度：0．01——O．02μm
　　4．2．4內(nèi)孔的金剛石及CBN超硬磨料超精密研、珩技術(shù)研究
　　
　　進(jìn)行超精密外因磨削工藝與ELID修整工藝的研究，使研珩工具的精度達(dá)到超精密水平，從而使加工零件達(dá)到更高水平以解決現(xiàn)在圓拄內(nèi)孔加工的技術(shù)難點(diǎn)。研制出一套超精密研、珩工具及加工工藝方法，提供超精密研、珩工具及夾具，可直接用于生產(chǎn)。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　圓柱度： O．1——O．5μm
　　尺寸精度：0．3——0．8μm
　　粗糙度：RaO．01——0．04μm
　　4．2．5內(nèi)、外徑高精度尺寸測(cè)量技術(shù)研究
　　
　　研究一種內(nèi)、外徑尺寸測(cè)量的方法及儀器。其技術(shù)指標(biāo)如下：
　　分辨率： O．Ol——O．02μm
　　穩(wěn)定性：0．02μm／2小時(shí)
　　測(cè)量不穩(wěn)定性：土0．05μm
　　5 結(jié)論
　　
　　超精密加工技術(shù)自五十年代發(fā)展至今，已有四十年的歷史。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及零件的出現(xiàn)、更高精度要求的提出等都需要超精密加工技術(shù)在原有的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，如提高傳統(tǒng)超精密加工的精度，并提出新的超精密加工工藝，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。
　　
　　
　　
　　
　　來(lái)源：《超精密加工與測(cè)控技術(shù)論文集》
　　作者：楊輝 吳明根