超精密加工与光学器件制造

超精密加工的原理概述超精密加工是一种高精度、高效率的加工方法，广泛应用于电子、光学、航空航天等领域。

本文将从原理、设备和应用三个方面探讨超精密加工的相关知识。

原理超精密加工的原理主要包括以下几个方面： 1. 基于材料理论 - 材料塑性变形的特性 - 材料的热变形 - 材料的热处理对机械性能的影响2.基于机械理论–刀具的材料选择及形状设计–刀具的旋转轴心与工件表面的相对运动方式–切削力的传递及控制方法3.基于控制理论–精密伺服系统的设计与控制–运动平台的阻尼、刚性及动力学特性–跟随误差的修正算法设备超精密加工的设备主要包括以下几个方面： 1. 精密机床 - 高刚性床身结构 - 高精度的滚珠丝杆传动系统 - 紧密密封的工作室，防止外界温度、湿度的影响2.精密主轴系统–高速、高精度的主轴–降低热变形的冷却系统–精密的轴承及润滑系统3.精密传感系统–高精度的位移传感器–高精度的温度传感器–高灵敏度的力传感器4.控制系统–高性能的数控系统–高速、高精度的驱动系统–稳定可靠的供电系统应用超精密加工在许多领域都有广泛的应用，下面列举了其中的几个方面： 1. 光学元件的制造 - 高精度透镜的加工 - 高精度光学表面的抛光 - 高精度反射镜的加工2.微电子芯片的制造–高精度半导体材料的切割–高精度线路板的制作–高精度芯片的封装3.航空航天领域–高精度涡轮叶片的加工–高精度发动机零件的制造4.医疗领域–高精度人工关节的制造–高精度医疗器械的加工结论超精密加工是一种重要的加工技术，其原理基于材料、机械和控制理论。

在具备高精度的设备和控制系统的支持下，超精密加工可以应用于光学、电子、航空航天和医疗等领域，为这些领域的发展提供了关键支持。

随着科技的不断进步，相信超精密加工将在未来发挥更加重要的作用。

硬脆材料超精密加工关键技术研究随着科技的快速发展，超精密加工技术已经成为现代制造业中不可或缺的关键技术之一。

尤其是在硬脆材料的加工中，超精密加工技术的应用显得尤为重要。

本文将详细探讨硬脆材料超精密加工的关键技术，以期为相关领域的研究和应用提供有益的参考。

超精密加工技术是指通过采用高精度的机床、工具和工艺方法，将原材料或半成品加工成精度高、表面质量好的最终产品。

从20世纪60年代开始，随着计算机、激光、新材料等技术的飞速发展，超精密加工技术也不断取得重大突破。

如今，超精密加工技术已经广泛应用于航空、航天、能源、医疗等领域。

在硬脆材料的加工中，超精密加工技术可以有效提高加工效率和产品质量。

例如，利用超精密加工技术可以制造出高精度的光学元件、半导体芯片、陶瓷零件等，这些产品在各自领域都具有重要的应用价值。

硬脆材料由于其硬度高、脆性大等特点，加工过程中容易出现裂纹、崩边、表面粗糙等问题。

因此，在硬脆材料的超精密加工中，需要解决以下难点：裂纹问题：硬脆材料在加工过程中容易产生裂纹，降低产品的合格率。

崩边问题：由于硬脆材料的硬度较高，加工时容易出现崩边现象，影响产品的精度和表面质量。

表面粗糙问题：硬脆材料在加工过程中容易出现表面粗糙的现象，影响产品的性能和使用寿命。

机床和工具的精度问题：由于硬脆材料的加工精度要求高，因此需要高精度的机床和工具来保证。

采用先进的加工工艺和工具，如激光加工、水刀切割、超声波加工等，以减少加工过程中对材料的损伤。

对硬脆材料进行预处理，如加热、冷却、加载等，以改善其加工性能。

采用高精度的机床和工具，并定期进行维护和校准，以保证加工的精度和稳定性。

对加工参数进行优化，如切削速度、切削深度、进给速度等，以提高加工效率和产品质量。

下面以光学元件和陶瓷零件的超精密加工为例，说明超精密加工技术在硬脆材料加工中的应用。

光学元件的超精密加工：光学元件是光学系统的基本组成部分，其精度和表面质量对整个光学系统的性能有着至关重要的影响。

零件光学超精密加工检测技术摘要：随着数字数控机床和加工平台的产生与发展，机械零件的加工方式也向着大批量、专一化方向发展。

导致对机械零件的需求也逐渐加大，零件的尺寸和表面加工质量是否符合标准使用要求是影响机械零件正常工作的关键，因此，对机械零件的光学超精密检测成为主要研究任务。

机械零件表面的加工质量和尺寸大小虽然对零件的正常使用影响较低，但直接影响零件的可靠性、质量和使用寿命，而机械零件使用时间决定零件经济效益。

随着光学超精密加工技术的不断发展，零件光学超精密加工检测技术已成为超精密加工迫在眉睫的关键难题。

人工智能技术是一种新兴的用于模拟、延伸和扩展的智能理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

人工智能技术中的机械学习法，使机械零件的光学超精密检测过程大大简化，并将操作结果保存在存储器中，便于后续光学超精密检测过程的快速执行。

关键词：光学检测；现状；发展引言单参数精密测量是精密测量中最简单的问题，近年来在复杂探测等问题中有了重要应用。

多参数精密测量复杂得多，参数之间存在精度制衡。

如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数最优测量，是多参数精密测量的重要问题之一。

为了消除参数之间的精度制衡，研究人员将单参数测量实验中控制增强的次序测量技术应用到多参数测量中，通过调控测量系统动力学演化，完全解决了正演化算法中参数之间的精度制衡问题，实现了最优测量。

1测量系统将四组视觉传感器单元（包括ＣＣＤ相机和激光器）分别竖直放置于精密零件两侧，垂直于精密零件中轴线，安装在精密零件两侧的立柱上；其中两组视觉传感器单元放置于精密零件一侧立柱上，另外两组视觉传感器单元放置于精密零件另一侧立柱上。

首先利用激光跟踪仪建立基坐标系统，然后对每个视觉传感器单元进行相机参数标定、光平面参数方程标定以及全局标定，最终得到相机的内参矩阵、相机到基坐标系下的全局标定矩阵以及激光平面在基坐标系下的平面方程，完成系统使用以及测量前的预处理。

超精密加工技术在光学元件制造中的应用引言光学元件作为现代光学系统的重要组成部分，对于光学设备的性能和品质至关重要。

而超精密加工技术的出现，为光学元件的制造带来了重大的变革。

本文将探讨超精密加工技术在光学元件制造中的应用，并重点介绍其在表面质量的提升和光学功能的实现方面所起到的作用。

表面质量的提升传统的加工方法往往难以满足光学元件对表面精度和光滑度的要求。

而超精密加工技术通过精密的加工工艺和先进的设备，能够在原材料的表面上实现亚纳米级甚至纳米级的加工精度。

例如，在透镜的制造过程中，超精密加工技术能够将原材料的表面平整度提升到亚纳米级，有效减少了表面的粗糙度和微缺陷，提高了透镜光学性能的稳定性和透过率。

这种精细加工不仅能够显著改善光学元件的质量，还能够提高其耐磨性和耐腐蚀性，延长了使用寿命。

在实际应用中，超精密加工技术已经成功应用于光学元件的球面加工、非球面加工和金属镀膜等多个环节。

通过超精密球面加工技术，可以实现光学表面的球面度误差控制在几个亚微米以内，使得光线能够在光学器件内得到精确的折射和反射，提高了光学设备的成像质量。

而超精密非球面加工技术则能够根据具体设计要求，在非球面镜片上实现复杂的曲面形状，使得光线的聚焦效果更为精准，应用于望远镜、显微镜等光学系统中，能够大大提高成像清晰度和分辨率。

光学功能的实现除了表面质量的提升，超精密加工技术还能够在光学元件的制造中实现更多的光学功能。

例如，在光学薄膜的设计与制备过程中，超精密加工技术能够利用离子束雾化沉积、分子束外延和物理气相沉积等技术，在光学元件表面制备出具有特殊光学性能的薄膜，如增透膜、反射膜和偏振膜等。

这些特殊的光学薄膜能够对光线的透过率、反射率和偏振效果进行精确控制，满足不同光学设备的特定需求。

此外，超精密加工技术还被广泛应用于光学微结构的制造。

光学微结构是一种具有微米尺寸特征的光学元件，如光栅和微透镜阵列等。

通过超精密加工技术，可以在光学元件表面制造出高度均匀、周期性排列的微结构，使得光线在光学元件中发生衍射、散射等特殊效应。

超精密光学元件先进制造关键算法与工艺研究摘要随着现代科技的发展，超精密光学元件在许多领域中的应用变得越来越广泛。

超精密光学元件的制造需要依赖一系列先进的算法和工艺。

本文将探讨超精密光学元件制造的关键算法和工艺，以及其在实际应用中的意义和挑战。

1.引言超精密光学元件广泛应用于激光技术、光通信、光刻、光谱分析等领域，在高精度和高品质的光学系统中起到关键作用。

超精密光学元件的制造需要克服多种难题，包括光学形状的精度控制、表面质量的提升、材料选择等。

本文将重点研究超精密光学元件制造中的关键算法与工艺。

2.关键算法与工艺研究2.1精度控制算法超精密光学元件制造中最为关键的挑战之一是精度控制。

精度控制算法涉及到在元件制造过程中实时监测和调整光学形状的方法。

其中，控制器的设计和控制算法的优化是提高控制精度的关键因素。

2.2表面加工工艺超精密光学元件的表面质量对其光学性能有着重要影响。

表面加工工艺是提高元件表面质量的关键环节。

包括抛光、划痕修复、镀膜等工艺的优化和改良将有助于提高元件的表面质量。

2.3材料选择与性能评估超精密光学元件的材料选择对于光学性能和制造过程都具有重要意义。

采用合适的材料可以提高元件的透光率、耐热性和光学稳定性。

而材料的性能评估则需要借助先进的测试和分析方法。

2.4成本效益分析超精密光学元件的制造过程往往需要耗费大量的时间和资源。

因此，进行成本效益分析对于制造过程的优化和效率提升至关重要。

成本效益分析需要考虑到材料成本、设备成本和人力成本等多个方面。

3.实际应用与挑战超精密光学元件的制造算法和工艺研究在实际应用中具有广泛意义，同时也面临一些挑战。

3.1激光技术应用超精密光学元件在激光技术领域中有着重要应用，如激光加工、激光测量等。

制造过程中的算法和工艺需要满足高精度和高效率的要求，以满足激光技术的发展需求。

3.2光通信领域应用光通信是现代通信技术的重要组成部分，超精密光学元件在光通信领域中扮演着关键角色。

Equipment Manufacturing Technology No.11，2012非球面光学零件常用的有椭球面镜、抛物面镜、双曲面镜等，其是一种非常重要的光学零件。

相对于球面镜而言，非球面镜具有许多优点，其可以消除球面镜片在光传递过程中产生的彗差、球差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，具有高品质的光学特征，可以获得高品质的图像效果。

另外，其能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，减轻仪器总质量，降低成本。

非球面光学产品的应用前景非常广阔，在国防、航空航天领域，大型或超大型光学产品的开发是空间和国防技术的关键，体现着一个国家的科技水平和经济实力。

而在民用产品领域，如：数码相机、电脑摄像头、条形码读出头、光纤通讯以及激光产品等，也已经成为与人民生活息息相关的核心技术。

因此，非球面光学零件超精密加工技术的研究一直是制造领域的热点。

１国外非球面零件的超精密加工技术国外从２０世纪６０年代就开始了对非球面零件加工技术的研究，２０世纪８０年代以来出现了许多新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）、超精密磨削和抛光技术、计算机控制光学表面成形技术（ＣＣＯＳ）、光学玻璃模压成型技术、光学塑料成型技术以及非球面零件的特种加工技术等。

１．１计算机数控单点金刚石车削技术计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制的条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削出符合光学品质要求的非球面光学零件。

该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、成本低、重复性好、适合批量生产。

１．２超精密磨削和抛光技术超精密磨削和抛光能进一步提高光学零件的表面精度，尤其是对于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造的非球面零件。

其中，延性磨削方式可以使材料以“塑性”流动方式去除，加工表面不产生脆性断裂现象［２］。

精密超精密加工技术的发展及应用1、概述精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。

随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切⑴。

目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

"］我国是制造业大国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造上也小有成就。

但是和发达国家制造强国相比，我国目前仍有差距。

我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。

2、国内外精密超精密加工技术发展通常按照加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。

目前，精密加工是指精密加工精度为1-0.1 m表面粗糙度为］RaO.1-O.O1 口的加工技术。

但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。

」20世纪60年代初期，随着航天、宇航的发展，精密超精密加工技术首先在美国被提出，并由于得到了政府和军方的财政支持而迅速发展。

到了20世纪70年代，日本也成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划，将该技术列入高新技术产业，经过多年的发展，使得日本在民用光学、电子及信息产品等产业处于世界领先地位［2］。

2.1国外发展超精密加工发展到今天，已经取得了重大进展，超精密加工以不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。

超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。

其加工机理随着加工单位（加工应力作用的范围）和工件材料的不均质程度（材料缺陷或因加工产生缺陷）不同而异，如图1所示⑻。

超精密抛光工艺的定义-概述说明以及解释1.引言1.1 概述超精密抛光工艺是一种高度精细化的表面处理技术，通过对工件表面进行极其细致的抛光和修饰，使其获得极高的光学精度和表面平整度。

这项工艺在多个领域都有广泛的应用，包括光学、精密仪器制造、半导体制造等。

相比传统抛光工艺，超精密抛光工艺更注重精度和表面质量的控制，可以实现纳米级甚至更高的表面精度要求。

本文将介绍超精密抛光工艺的定义、应用领域和关键技术，旨在深入探讨这一先进表面处理技术的原理和发展趋势，为相关领域的研究人员和从业者提供参考和借鉴。

json"1.2 文章结构":{"本文将首先介绍超精密抛光工艺的定义，包括其概念、特点和优势。

接着将探讨超精密抛光工艺在不同领域的应用，例如光学、半导体和精密机械制造等。

然后将深入分析超精密抛光工艺的关键技术，包括材料选择、工艺流程和设备要求等。

最后，文章将总结超精密抛光工艺的意义和展望，展望未来在该领域的发展前景，以及对读者提出一些思考和建议。

"}1.3 目的本文旨在探讨超精密抛光工艺的定义、应用领域和关键技术，以帮助读者深入了解该工艺的特点和优势。

通过详细介绍超精密抛光工艺的概念和原理，读者将能够更好地理解其在实际生产中的应用场景和价值所在。

此外，本文还将探讨超精密抛光工艺面临的挑战和未来发展方向，为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

通过本文的阐述，希望读者能够对超精密抛光工艺有一个全面而深入的认识，从而促进该工艺在工业生产中的广泛应用和推广。

2.正文2.1 超精密抛光工艺的定义超精密抛光工艺是一种高精度的表面处理技术，通过在材料表面施加特定的力和磨料，在微观层面上去除材料表面的凸起部分，从而获得非常光滑的表面。

它在纳米级和亚纳米级的精度下进行，能够获得极高的表面光洁度和平整度。

该技术主要应用于需要极高表面质量和精度的领域，如半导体制造、光学元件制造、精密仪器制造等。

精密和超精密加工技术的新进展精密和超精密加工技术是指不断追求更高精度、更细粒度、更小误差和更高效率的加工方法和技术。

这些技术广泛应用于航空航天、医疗器械、微电子、光学仪器等领域，对于产品的性能和质量有着至关重要的影响。

近年来，精密和超精密加工技术取得了许多突破性进展，本文将就此展开讨论。

精密加工技术是在传统机械加工的基础上发展起来的，通过精细的切削、研磨和抛光等手段，实现高精度、高光洁度的加工目标。

近年来，精密加工技术的发展取得了长足的进步，主要表现在以下几个方面：新型加工设备的研发和应用不断取得突破。

例如，五轴联动数控机床、激光加工机、电子束加工机等新型设备的出现，使得复杂零件的精密加工变得更加高效和准确。

新型加工材料的应用也取得了重要进展。

例如，工程塑料、陶瓷、复合材料等高性能非金属材料的广泛应用，使得精密加工的领域得以进一步拓展。

精密加工技术的智能化和自动化水平不断提升。

智能化加工设备能够实现自适应加工、无人值守加工等功能，提高加工效率和质量稳定性。

超精密加工技术是指比精密加工技术更为精细、精确的加工方法和技术。

随着科技的不断进步，超精密加工技术的应用越来越广泛，主要包括以下几个方面：超精密加工技术广泛应用于微电子领域。

微电子产业对于芯片的精度和光洁度要求极高，超精密加工技术能够实现高精度、高效率的微米级加工，对于提升微电子产业的发展水平和竞争力具有重要意义。

超精密加工技术在光学仪器领域也有着广泛的应用。

光学仪器对于透镜、反射镜等光学元件的精度和表面质量要求极高，超精密加工技术能够实现高精度、高稳定性的光学元件加工，对于提高光学仪器的性能和精度具有重要作用。

再次，超精密加工技术在航空航天领域也有着重要的应用。

航空航天领域对于零件的精度和可靠性要求极为严格，超精密加工技术能够实现高精度、高稳定性的零件加工，对于提升航空航天领域的产品质量和性能具有重要意义。

近年来，精密和超精密加工技术的研究和应用不断取得新的进展，在新型加工设备、新型加工材料和智能化加工等方面都取得了重要突破。

04
精密超精密加工材料
金属材料
01
02
03
钢铁
常用的金属材料，具有高 强度、耐磨性和耐腐蚀性 ，适用于各种精密超精密 加工应用。
铜合金
具有良好的导热性和导电 性，广泛用于电子和通信 行业。
钛合金
具有高强度、轻质和耐腐 蚀性，常用于航空和医疗 领域。
非金属材料
陶瓷
具有高硬度、耐高温和化学稳定性，适用于高精度和 高硬度的加工需求。
详细描述
防止加工过程中的损伤需要从多个方面入手，包括优化刀具设计、选择合适的切削参数 、加强刀具管理和维护等。此外，采用新型的涂层技术和刀具材料也是防止损伤的有效
手段。
06
பைடு நூலகம்
精密超精密加工的应用案例
航空航天领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在航空航天领域的应用广泛，涉 及发动机叶片、涡轮盘、航空仪表等关键部件的制造 。
这些技术包括离子束加工、电子束加工、激光束加工等。这些技术通常具有更高的加工精度和更广泛 的适用范围，可以应用于各种不同的材料和领域。
03
精密超精密加工设备与工具
超精密切削加工设备
01
超精密切削加工设备主要用于高 精度零件的切削加工，其特点是 切削精度高、加工表面质量好、 加工效率高。
02
常见的超精密切削加工设备包括 数控机床、激光切割机、水切割 机等。
汽车工业领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在汽车工业领域的应用主要涉及 汽车发动机、变速器、制动系统等关键零部件的制造 。
详细描述
在汽车工业领域，精密超精密加工技术主要用于制造汽 车发动机、变速器、制动系统等关键零部件。这些零部 件的性能对汽车的性能和安全性有重要影响。精密超精 密加工技术能够提高零部件的精度和耐磨性，降低摩擦 和阻力，提高燃油经济性和排放性能。同时，还能缩短 产品研发周期，提高生产效率，降低制造成本。

MRF(magnetorheolo gical finishing )通过 外磁场对一种智能流 体——磁流液的硬度 和形状进行实时控制， 生成一个压力区域， 该区域类似于一个能 够与被加工表面相吻 合的“柔性抛光模”。 磁流变液：磁性颗粒、 基液、稳定剂
Schematics of MRF
磁流变效应
Conclusion
光学器件表面超精密加工技术
IBF
ELID
PACE
MRF
LOGO
ELID
在线电解修整（ELID）磨削抛光——Features
ELID
Advantage
良好的稳定性和可控 性；加工精度高，表 面裂纹少，表面粗糙 度达0.5nm； 适应性广，效率高； 装置简单，成本低， 推广性强
Disadvantage
会出现表面层釉化； 电解磨削液配比复杂
等离子体辅助抛光技术(PACE)——Principle
周林等，光学镜面离子束加工的可达性，光学精密工程，2007
离子束加工技术——Research status
美国Kodak构建IFS系统；加工出1.3m 的ULE轻量化离轴异型镜面，四次迭代 将镜面误差从0.62λ降低到0.015λ （ λ =632.5nm） 法国REOSC光学加工中心利用其研制 的加工系统直径250mm的CVD SiC镜 面从0.98λ收敛到0.012λ 国防科大研制出国内首台加工设备 KDIFS-500，能加工直径小于500mm 的凹镜，将210×170mm的CVD SiC 椭圆摆镜面形误差从0.5λ降低到0.015λ
IBF
焦长君，光学镜面离子束加工材料去除机理与基本工艺研究，国防科技大学博士论文，2008
离子束加工技术——Features IBF

精密和超精密加工现状与发展趋势核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。

同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。

一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。

目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。

精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。

精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。

传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。

a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。

b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。

c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。

d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。

精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。

超精密加工技术概述摘要：随着社会的发展，工业产品精细化程度逐步提高，传统的机械加工技术已经远远不能满足人们的需求，机械加工向着更高精度的方向发展。

本文主要介绍超精密加工技术的产生背景、概念、国内外的发展状况、几种超精密加工技术和对未来超精密加工技术发展的展望。

关键词：超精密加工技术背景概念发展状况发展趋势一.产生的背景制造技术的发展已经有几千年的历史，石器时代、铜器时代、铁器时代都有着制造技术发展的足迹。

直至近代，随着第一次工业革命的完成，传统的机械制造技术出现了，传统的机械加工技术主要包括车削、铣削、钻削和磨削。

随着人类社会的进一步发展，现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航天工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向发展，以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工作。

为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务：（1）解决各种难切削材料的加工问题。

如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度，高强度、高韧性、高脆性的金属及非加工。

（2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。

如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模等的立体成型表面，各种冲模、冷拔模等特殊断面的型孔，炮管内膛线、喷油嘴，喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。

（3）解决各种超精密、光整零件的加工问题。

如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、精密光学透镜、激光核聚变用的曲面镜、高灵敏度的红外传感器等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0．1皮米以上，表面粗糙度尺寸要求在0．01微米以上。

（4）特殊零件的加工问题。

如大规模集成电路、光盘基片、复印机和打印机的感光鼓、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。

文章编号:1005-56B0(200B)0B -0047-05光学表面超精密加工技术张华 王文 庞媛媛(浙江大学现代制造工程研究所 浙江杭州B 10027)摘要:介绍了国内外光学器件超精密加工的各种先进方法 重点阐述了磁流变抛光技术及其抛光机理和关键技术G 并对光学超精密加工技术的发展进行了展望G关键词:超精密加工;磁流变抛光;光学中图分类号:T 171-7B 文献标识码:AUltra -precision machining technology of optical surfaceZHANG Hza WANG Wen PANG Yzan -yzan(Institute of Advanced Manufacturing Engineering Zhejiang university -angzhou B 10027 China )Abstract :The advanced ultra -precision machining technology of optical material in the World is introduced .And emphasizes Magnetorheological Finishing (MRF ) its mechanism and its key technology .At the same time the future of ultra -precision machining technology of optical material is given in the paper .Key words :ultra -precision machining ;MRF ;opticsl 引言现代科学技术的不断发展对超光滑表面的需要越来越多 世界各国都在积极研究新的加工方法与技术 特别是对光学器件的超精密抛光加工进行了大量的研究工作 提出了许多新的超精密加工方法 包括离子束加工~在线电解修整(Electrolytic In -process Dressing E L ID )磨削抛光~等离子体辅助抛光(P lasma Assisted Chemical Etching P ACE ) 磁流变抛光(Magnetorheological Finishing MRF )等[1 2]G 这些技术成功地实现了光学器件的超精密加工 达到了较高的精度 是现在以至今后光学器件超精密加工的主要方法G2超精密光学表面加工技术近年来 人们对光学器件超精密加工进行了大量的实验研究工作 从而提出了许多新的超精密加工方法G2.l 离子束加工离子束加工是把中性离子在电场中加速 将这种高速的离子束流射向工作表面 利用离子束的力学作用撞击工件表面的原子或分子 将能量直接传给工件材料的原子或分子 使其逸出表面从而将材料去除G第25卷第B 期200B 年6月光学仪器OP TICA L I NS TRuME N T S V ol.25 N o.BJ une 200B收稿日期:2002-11-14作者简介:张华(1978-) 男 湖北潜江人 浙江大学硕士研究生 主要从事超精密加工 CAD /CAM 方面的研究G离子束加工采用离子碰撞的方法 可以实现以原子为计量单位的纳米级加工 得到质量较高的加工表面[ ] 1 87年 美国学者 n 等人用A 离子束对石英玻璃 微晶玻璃等进行了表面精整加工 在直径为0. m 的工件上得到了面形精度为170nm 表面粗糙度值为0.6nm 的超精密表面[1]离子束抛光的加工范围较广 对工件尺寸没有严格控制 并且可加工球面 非球面和非对称面形 离子束抛光可以获得面形精度0.015A 表面粗糙度优于0.6nm 的表面[4] 但是这种加工方法需要有一套复杂的离子束产生设备 大且昂贵的真空系统 同时仍然存在着生产率低 加工过程不易控制 加工材料有限等缺点 还有待于进一步研究解决z.z 在线电解修整<ELID >磨削抛光ELID 磨削技术是日本理化学研究所大森整等人于187年提出的磨削新工艺 它是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整 即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加上直流脉冲电源 通过电解磨削液 利用电解过程中的阳极溶解效应 砂轮表层的金属基体被电解去除 露出崭新锋利的磨粒 同时形成一层氧化膜附着于砂轮表面 抑制砂轮过度电解 从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工 所以 该技术利用金属基砂轮进行磨削加工的同时 利用电解方法对砂轮进行修整 保持了砂轮的面形 从而达到超精密镜面磨削[5 6]ELID 磨削工艺很好地解决了金属砂轮的钝化和修整难题 保持了砂轮的锋利性 而其最大的特点在于 采用粗粒度的ELID 技术可代替通常的磨削技术 采用1pm ~10pm 的微磨粒可代替一般的超精密磨削和研磨 用0.1pm ~1pm 超微粒砂轮的ELID 技术可进行超精密镜面磨削 可代替抛光加工 这能有效提高工件的加工效率和精度 自该技术诞生以来虽然只有十几年 但已受到各国的重视 在许多方面特别是各种材料的超精密镜面磨削上获得极大的成功 现已生产出粒度为0.5nm 的以钴粉作结合剂的金刚石砂轮 磨削的表面粗糙度为0.5nm 达到了较高的加工精度[7]ELID 磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精密加工 但是加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层未电解物质被压入工件表面 形成表面层釉化 以及电解磨削液的配比等问题 这些还有待于进一步的研究z.3等离子体辅助抛光<PACE>图1PACE 抛光示意图等离子体辅助抛光是一种利用化学反应来除去工作表面材料而实现抛光的方法 PACE 是在真空环境下进行 如图1所示 工作时 化学气体在射频< f >激励离子激光器作用下产生活性等离子体 活性等离子体与工件表面材料发生化学反应 生成易挥发的混合气体 从排气孔中排除 从而将工件表面材料去除 常规方法粗加工后的工件 不仅表面粗糙而且亚表面有破坏层 对这样的工件进行PACE 抛光 由于只有表面化学反应而不会产生机械损伤 所以在实现面形加工的同时 只要工件表面材料的去除深度足够消除亚表面破坏层 就可以获得较好的表面粗糙度 表1列出几种材料和相应抛光气体及化学反应式[8]-84-光学仪器第25卷表1几种材料及其抛光气体及化学反应式材料抛光气体反应方程式SiO 2SF 6~NF 3~ F 4SiO 2+ F 4 SiF 4 + O 2 SiF 4~SF 6~NF 3Si +NF 3 SiF X + F y Be 12Be + 12 Be 12PA E 加工具有抛光效率高 工作不受机械压力 没有机械变形 加工完成面无亚表面破坏 无污染 加工球面和非球面难易相当等优点O 目前Perkin -E1mer 公司用该技术已在+0.5m ~+1m 的非球面上加工出面形精度小于1/50A 粗糙度小于0.5nm 的表面[9]O PA E 实现了超精密加工 然而其适用范围比较狭隘 对于反应方程式未知的材料无法加工O 而且加工过程难以控制O2.4磁流变抛光(MRF )磁流变液这一概念最早是RabinOW J 在1948年提出的O 它是由磁性颗粒~基液和稳定剂组成的悬浮液O 而磁流变效应 是磁流变液在不加磁场时是可流动的液体 而在强磁场的作用下 其流变特性发生急剧的转变 表现为类似固体的性质O 撤掉磁场时又恢复其流动特性的现象O 磁流变抛光技术 正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性 小磨头 与工件之间具有快速的相对运动O 使工件表面受到很大的剪切力 从而使工件表面材料被去除O1995年美国ROchester 大学的光学加工中心( enter Of Optica1Manufacturing OM )利用MRF 方法对一批直径小于50mm 的球面和非球面光学元件进行了加工研究[10]O 1996年~1998年 OM 中心通过大量实验 建立了材料去除理论模型[11] 在该模型指导下 OED TechnO1Ogies 公司于1998年研制出小工件尺寸的计算机控制磁流变抛光机O 22系统[12]O O 22型加工系统能提高抛光光学零件的最终面形精度0.05波(峰~谷) 而且只需几分钟O O 22系统是抛光和精密成形加工高精度光学零件(非球面~球面和平板)方面的一项突破O在国内 中国科学院长春精密光学机械与物理研究所张峰等研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区大小~形状和材料去除率的影响情况 并根据几个参数的定性研究 建立了磁流变抛光的数学模型O3磁流变抛光技术磁流变抛光(MRF )是电磁理论~流体力学~分析化学等应用于光学表面加工而形成的一项综合技术 是由白俄罗斯的研究人员首先提出的 后经与ROchester 大学光学加工中心( OM )合作 使这一技术得到了长足发展O3.1磁流变抛光机理图2磁流变抛光示意图注;h (X ) 高梯度磁场V 运动盘的运动方向以用磁流变抛光技术加工凸球面光学元件为例 阐述这种抛光方法的抛光机理O 图2为磁流变抛光方94第3期张华等;光学表面超精密加工技术法加工凸球面的原理示意图,被加工工件位于运动盘上方,与运动盘表面形成了一个凹空隙,磁极置于运动盘的下方,并且在工件和运动盘所形成的小空隙附近产生一个高梯度磁场,运动盘内装有磁流变抛光液,当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小空隙附近时,高梯度场使之聚结,变硬,形成一凸起缎带,成为具有粘塑性的Bingham 介质,具有较高运动速度的Bingham 介质通过小空隙时,对工件表面产生更大的剪切力,从而将材料从工件表面去除[13],在抛光过程中,工件轴绕自身轴线回转运动,可对工件的某一带区进行抛光,同时,工件轴也可以作以轴上某点为中心,以工件的曲率半径为半径的摆动,从而对工件的每个带区进行抛光,利用改变暴露给磁流变液工件部分的时间来实现工件表面的磨料去除,简单地说,磁流变液抛光工件表面任何一个区域的时间越长,该部分磨料去除得也越多,利用改变工件通过磁流变液的扫过速率(或停留时间D 来实现选择性工件表面磨料去除,当去除非对称误差时,可改变旋转轴的转动速度,使转动在工件表面误差高的区域有效停留时间比低的区域更长些,来控制各带区材料的去除量,进而精修工件面形,磁流变抛光方法具有传统非定形沥青或化合物抛光无法替代的优点:(1D 适用于抛光任何几何形状的光学零件G (Z D 加工速度快,效率高G (3D 加工精度高G (AD 不存在工具磨损问题G (5D 抛光碎片及抛光热及时被带走,避免影响加工精度G (G D 不产生下表面破坏层G (7D 无需专用工具和特殊机构G (8D 易于实现微机数控,磁流变精修抛光与计算机控制精密研磨的组合,重新定义了精密光学工业的加工能力和竞争范围,磁流变抛光也必将成为下一代光学零件加工方法,3.2磁流变抛光技术实现的关键磁流变抛光有如下两个关键技术:(1D 磁流变液的研究,要求无磁场作用时流动性好,有外加磁场作用时流变性好,硬度大且响应快,(Z D 磁流变抛光过程的数字化控制,通过确定磁流变抛光的材料去除率函数,利用材料去除量控制设备监控工件表面的去除量,进而实现闭环控制,达到抛光过程的数字化控制,在这两项关键技术上,国外许多单位特别是Rochester 大学的光学加工中心的研究人员做了大量的工作,并取得了一定的成果,他们自行研制了许多种类的磁流变抛光液,把各种条件下所形成的抛光区形状输入微机,初步对磁流变抛光过程实现了数控,1998年研制出小工件尺寸的计算机控制磁流变抛光机G Z Z 系统,但G Z Z 系统现在还只局限于对小口径(直径在1OO mm 以下D 光学元件的加工,所以这两项关键技术仍需进一步研究以便这种抛光技术更加完善,4对光学表面超精密加工技术展望将数控加工技术与光学加工技术相结合的数控化加工方法,是光学表面超精密加工技术未来的发展方向,通过确定光学加工技术中材料的去除函数,用计算机控制精密抛光技术来保证加工过程的面形修正,辅以高精度干涉仪完成高精度面形的实时测量,进而实现闭环控制,提高光学表面加工效率和质量,如何将数控加工与光学加工技术紧密地结合起来,解决在光学零件加工中的一些问题,还需做许多研究工作,相信随着数控和光学加工技术的飞速发展,超精密加工技术的发展前景无限广阔,5结束语从上面所列举的这些超精密加工方法中可看出,光学器件的超精密加工研究已取得了很大进展,尤其是磁流变抛光技术的出现,使得光学非球曲面器件的超精密加工有了质的飞越,对于光学非球曲面器件来说,无论是它加工的效率还是加工的表面质量都得到了较大的提高,目前,在光学超精密加工领域里,我国与发达国家的差距还很大,这不仅需要我们从理论上深入研究超精密加工机理,也要在实践中研制出高水平的超精密加工设备,6参考文献[1]陈明君,李旦,董申.光学非球曲面器件塑性域的超精密加工方法[J ].高技术通讯,Z OOO,1O(1OD :97~99.-O 5-光学仪器第Z 5卷[2]高宏刚 陈斌 曹健林.超光滑光学表面加工技术.光学精密工程[J ] l 995 3(4):7~l 4.[3]Wilson S R et al .Surface figuring using neutral ion beams [J ].Proc .SPIE . l 988 960:74~8l.[4]Allen L N et al .Demonstration of an ion figuring process [J ].Proc .SPIE . l 990 l 333:22~33.[5]Ball M J et al .Electrolytically assisted ductile mode diamond grinding of BK 7and SF l 0optical glasses [J ].Proc .SPIE . l 99l l 573:30~38.[6]Ohmon ~ et al .Analysis of mirror surface generation of 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INSTRUMENTS年，卷(期)：2003,25(3)被引用次数：9次1.陈明君;李旦;董申光学非球曲面器件塑性域的超精密加工方法[期刊论文]-高技术通讯 2000(10)2.高宏刚;陈斌;曹健林超光滑光学表面加工技术[期刊论文]-光学精密工程 1995(04)3.Wilson S R Surface figuring using neutral ion beams 19884.Allen L N Demonstration of an ion figuring process 19905.Ball M J Electrolytically assisted "ductile" mode diamond grinding of BK7 and SF10 optical glasses[外文期刊] 19916.Ohmon H Analysis of mirror surface generation of hard and brittle materials by ELID grinding with superfine grain metallic bond wheels 1995(01)7.刘中杰ELID磨削技术及其在光学加工中的应用[期刊论文]-应用光学 1997(01)8.杨力先进光学制造技术 20019.Bollinger L D;Steinberg G;Zarowing C B Rapid optical figuring of asperical surface with plasma-assisted chemical etching(PACE)[外文期刊] 199110.Jacobs S D;Goloni D;Hsu Y Magnetorheological finishing:a deterministic process for optics manufacturing 199511.Kordonski W I;Jacobs S D Magnetorheological finishing 199612.张峰;余景池磁流变抛光技术[期刊论文]-光学精密工程 1999(05)13.Pollicove;Harvey M Next generation optics manufacturing technologies[外文期刊] 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精密和超精密加工,精密加工的技术手段有什么？制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，所谓先进制造技术，就是将机械工程技术、电子信息技术（包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术）和自动化技术，以及材料技术、现代管理技术综合集成的生产技术。

先进制造技术追求的目标就是实现优质、精确、省料、节能、清洁、高效、灵活生产，满足社会需求。

精密加工技术是为适应现代高技术需要而发展起来的先进制造技术，是其它高新技术实施的基础。

精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

精密和超精密加工通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。

目前，精密加工是指加工精度为1~0.1µ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01µ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。

精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。

超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。

当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。

微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示。

光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高。

超精密加工技术在光学元件制造中的应用近年来，随着科技的不断发展和现代工业的不断进步，各种新型材料和光学器件也不断出现，为人类生产生活带来了无限的便利和发展。

而为了满足这些新型材料和光学器件在精度上的要求，超精密加工技术越来越被广泛地应用于光学元件的制造过程中。

一、超精密加工技术的概念和应用超精密加工技术是近年来迅猛发展起来的一种高精度加工技术，是指在微小尺寸范围内，对光学元件进行精密加工的机械加工技术。

这种技术利用了光束的自相干性和波前控制技术，可以对光学元件进行高精度的加工，并且实现微尺度的三维加工，并且其加工精度可以达到亚纳米甚至更高的水平。

超精密加工技术在光学元件的制造中，广泛应用于光学棱镜、光学透镜、光学反射器等领域。

这种技术在光学元件制造领域的应用可以解决传统机械加工技术在加工精度、表面质量等方面存在的局限性，可以实现更高效更精准的加工效果。

二、超精密加工技术在光学元件制造中的优势1. 高加工精度：超精密加工技术采用了非接触式的加工方式，避免了直接接触对工件产生的形变和精度损失，可以将加工精度控制在亚纳米甚至更高的水平，可以满足高精度光学元件的制造需求。

2. 高表面质量：超精密加工技术的加工过程需要在超高真空的环境下进行，可以避免采用传统机械加工技术所存在的磨损、热变形等问题，加工出来的表面非常光滑，表面质量非常高。

3. 可加工性广：超精密加工技术采用非接触加工方式，所以可以加工多种各样的材料，如单晶体、非金属材料、金属材料等。

三、超精密加工技术在光学元件制造中的应用案例1. 超精密加工技术在反射器制造中的应用：反射器是一种广泛应用于天文望远镜、光学测试等领域的光学器件，制造精度要求高，制造难度大。

超精密加工技术可以在单晶材料上实现反射镜的精密制造，可以实现数百万次的精密加工，从而达到亚纳米级的表面粗糙度和形状精度。

2. 超精密加工技术在透镜制造中的应用：透镜是光学元件中重要的一种，广泛应用于光学仪器、电子设备、照相机等领域。

精密和超精密加工技术现状和发展趋势1.引言国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、德国和日本发达国家中，美国、日本、德国等在高技术领域（如国防工业、集成电路、信息技术产业等）之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。

由于加工技术水平的发展，精密和超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有确切的定义。

被加工零件的尺寸精度在 1.0～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.03μm之间的加工方法称为精密加工。

超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理,超精密加工的设备制造技术,超精密加工工具及刃磨技术,超精密测量技术和误差补偿技术,超精密加工工作环境条件。

2.发展现状美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。

早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件。

20世纪80年代后期,美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”,对超精密金刚石切削机床的开发研究,投入了巨额资金和大量人力,实现了大型零件的微英寸超精密加工。

如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经研制出一台大型光学金刚石车床(Large Op tics Diam ond Turn ing Machine, LODTM ), 是一台最大加工直径为1.63m的立式车床,定位精度可达28nm,借助在线误差补偿能力,它已实现了距离超过1m而直线度误差只有±25nm 的加工。

在美国能源部支持下，LLI实验室和Y-12工厂合作，与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床(DTM—3型)。