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超精密加工技术的发展现状与趋势

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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net行业综述

超精密加工技术的发展现状与趋势

北京机床研究所精密机电有限公司(100102)　贺大兴　盛伯浩

在全球技术竞争日益激烈的今天,超精密加工

作为机械制造业中极具竞争力的技术之一,目前已

受到许多国家的关注。超精密加工技术是尖端技术

产品发展不可缺少的关键手段,它不仅适于国防应

用,而且可以大量应用于高端民用产品中,例如惯导

仪表的关键部件、核聚变用的透镜与反射镜、大型天

文望远镜透镜、大规模集成电路的基片、计算机磁盘

基底及复印机磁鼓、现代光学仪器设备的非球面器

件、高清晰液晶及背投显示产品等。超精密加工技

术促进了机械、计算机、电子、光学等技术的发展,从

某种意义上来说,超精密加工技术担负着支持最新

科学技术进步的重要使命,也是衡量一个国家制造

技术水平的重要标志[1]。

超精密加工是一个相对的概念,它是相对于精

密加工而言的。当前普遍认为超精密加工是指加工

精度高于0.1μm,加工表面粗糙度小于Ra0.02μm

的加工方法。超精密加工通常包括超精密切削(车

削、铣削、刻划等)、超精密磨削、超精密研磨和抛光

等,另外广义的超微细加工、纳米级以及原子级的加

工等也属于超精密加工的范畴。

1　超精密加工技术的发展现状

商业化的超精密加工技术应用可以追溯到上一

世纪60年代美国,由于军事领域精密元件的需求,促

使这一技术迅速发展。到80～90年代,由于激光在

各领域的广泛应用,各种类型的金刚石车床和镜面铣

削机床不断出现,超精密加工技术在许多国家相继发

展,除美国以外,英国、德国、前苏联、法国、日本、荷兰

等许多国家都发展了这一技术,它的应用领域也不局

限于军事领域,扩展到大量需求的民用领域。

到90年代中后期,超精密加工技术的多种配套

技术包括工艺技术进入成熟期,定型的超精密设备

逐渐增加,开始出现专业化制造的特点。国际上从

事超精密开发应用的公司以及机构经历了市场筛选

和优势重组的阶段(例如新的Precitech公司合并了

Pneumo超精密公司、MooreNanotechnologySys2

tem的形成等),众多分散的小的超精密单位逐步淡

出,具有优势的典型企业和机构的进一步突显。超

精密加工技术由以DTM-3,LODTM(LargeOpti2

calDiamondTurningMachine),OAGM2500等设

备为标志的阶段步入以定型产品如:Freeform系

列、Nanotech系列等为特征的产品生产阶段。

111　几种典型产品的技术性能及指标

1)Nanotech350FG超精密加工机床。它是MooreNanotechnologySystem公司推出的新机型,机

床可以控制5个坐标轴,实现非球回转表面、自由曲

面、飞切表面等多种加工。机床床身采用带内冷却的

铸铁树脂混凝土结构,直线坐标采用分辨率小于1

nm的激光全息尺,无刷直线电机驱动,控制分辨率可

以达到1nm。铝合金工件的加工精度P-V值小于

0.15μm(Φ75mm),车削表面粗糙度Ra4nm。

2)Freeform700A超精密加工机床。它是

Precitech公司的一种机型,5轴控制,机床通过多种

选择功能可以实现车削、铣削、磨削、快速伺服、在线

检测等功能,机床采用自调整双腔隔振结构,可以实

现纳米级的运动控制。值得一提的是机床的快速刀

具伺服系统,它可以实现自由表面构造的车削加工,

如微棱镜、复合曲面、离轴非球曲面、透镜阵列等传

统加工无法实现的功能。

3)ROBONANOαoiB超精密加工机床。它是

日本FANUC公司推出的机型,五轴联动,机床的

主轴及回转工作台的旋转精度可以达到0.05μm,

回转工作台的运动控制分辨率可以达到0.00001°。

3个垂直坐标轴的直线度最好可以达到0.2μm/

280mm,直线坐标轴的分辨率可以达到1nm。

4)AsphericLine生产线。它是设于瑞士总部

SATISLOH公司提供给用户全面的非球面磨削、抛光

和检测的解决方案,包括工艺技术、软件和技术Know

-how,其中AⅡ型7轴自动抛光设备,可以在20min内

将Φ50mm的光学玻璃非球面工件精度由1μm光整

提高到0.2μm,表面粗糙度Ra小于0.5nm。

从这些产品的结构来看,纳米级制造精度、多运动

轴控制、高技术集成度、适于商品化应用等特点十分突

出。通过这些典型的产品可以看出:超精密加工技术

在经历80～90年代的发展已经进入了新的成熟期。

除此之外,超精密加工领域的其它技术如超微

细加工、LIGA技术、扫描隧道加工技术等也在发

展,与超精密加工相关的理论学术研究十分活跃,由

于篇幅有限,这里不做进一步说明。

112　推动超精密加工技术发展的原因

上述这些具有代表性的超精密加工设备的形成

和发展,从技术上来讲可以归因于以下几个方面。

1)测试技术及产品的快速进展,使超精密加工

设备的发展成为可能。超精密加工发展到一定阶

段,必然遇到设备的运动反馈检测、设备的精度检测

以及加工零件的精度检测等问题,进入90年代中后

期,涉及与超精密加工的许多检测类产品、器件与技

・2・《新技术新工艺》・行业综述　2006年　第5期

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net术走向成熟并进入应用领域,例如与机床制造相关

的产品有:HP,SIOS等公司的激光检测仪器、Hei2

denhain公司的高分辨率直线与角度编码器、Sony

公司的激光尺、PI公司的纳米电容式振动-位移测

量仪等,与零件检测相关产品有:Zygo,Wyko,Tay2

lorHobson等公司的测量仪器等等。

2)单元技术的不断进步,推动了超精密设备的

升级。适应于超精密机床发展的单元部件产品如数

控系统,伺服电机、刀具技术、减振器件、精密温控器

件等,大大提升了原有的技术并保证了技术的可靠

性,促使超精密技术向产品迈进。

3)新工艺技术的发展,使新的超精密加工技术

快速走向应用。以工艺为特征的超精密加工技术如

ELID技术、特殊金刚石刀具的刃磨技术、工件的固

定夹持技术、超精密数控磨削与抛光技术等,不仅使

超精密加工的范围大为扩展,而且极大地提高了加

工效率,降低了加工成本,使有大量需求的光学非球

面零件的规模化应用成为可能。

我国的超精密加工技术也取得了很大的进步,一

些单位在80年代发展起来的很好的技术基础上,继

续发展。经历“九五”、“十五”科技攻关,超精密加工

技术不断在基础单元技术、设备制造、工艺技术、应用

集成、理论研究等方面探索实践并取得进展。比较典

型的开发研究单位有北京机床研究所、航空精密机械

研究所、哈尔滨工业大学、西安交通大学、国防科技大

学等单位。我国超精密加工的一些基础关键技术已

经具备,机床的部分精度指标已经达到国际先进水

平。这一时期,北京机床研究所研制开发的

NAM800、SQUARE系列、SPHERE系列产品已经走

向市场并取得认可,该单位“十五”攻关项目“超精密

数控系统开发及伺服平台应用与示范”所研发的驱动

系统,使超精密机床部件运动的控制精度达到1nm。

但总的来讲,我国的超精密加工技术与国外先

进技术相比还有明显差距,主要表现在理论与应用

结合的不够紧密、技术集成的开发能力相对较弱以

及超精密加工机床产业化程度不高等方面,随着国

家在自主创新体系方面的重视与加强,超精密加工

技术的发展会面临新的机遇。

2　超精密加工技术的发展趋势

从超精密加工技术的发展状况特别是近十多年

的发展经历来看,表现为如下的发展趋势。

211　加工精度不断提高

加工精度持续提高,精度指标在深亚微米级、纳

米级、亚纳米级方向不断迈进。日本Taniguchi教

授在关于精度趋势描述的报告中做过比较准确的预

测[2],他认为在2000年前后,超精密加工精度将是

跨越纳米界限的时期。从各国的发展状况来看也的确如此,如今表述超精密加工的许多技术指标都已

经以纳米为单位,而且在继续朝着突破纳米界限的

方向发展。

212　加工应用范围不断扩展

加工工件的材料及种类在不断延伸扩展,加工

工件的尺寸规格在向大型与小型的极限方向挺进。

超精密加工工件的材料已经由80年代及90年代初

以有色金属为主扩展到了不同的金属和非金属,硬

脆材料的比例增加。由于设备的性能提高以及功能

的增加,加工工件的种类由回转对称结构扩展到自

由曲面,特别是快速刀具伺服系统技术的开发,使现

代的超精密加工与传统的加工产生了明显的变化。

纳米运动步距控制机床的出现,使微小型复杂形状

零件的机械切削加工成为可能,FANUC公司已经

可以在1mm直径的有色金属表面加工佛的立体头

像。另外,由于天文观察方面的需求,在加工大型工

件方面,传统超精密磨削、抛光技术与现代的数控、

软件和测试分析等技术紧密结合,不仅提高了生产

效率,而且在尺寸规格上不断加大,例如法国

REOSC利用超精密研磨抛光技术可以制造直径8

m的Gemini和直径11m的Gran望远镜。

213　技术集成化程度不断提升

加工技术在朝着与相关专业技术高集成度的方

向发展。虽然超精密加工的单元部件的技术仍在发

展,但最基础的静压技术、控制技术、测试技术等已

经发展到一定阶段,只有从新的材料、新的工艺、新

的理论突破入手才能有比较大的进展。与此相对的

是综合应用各种单元技术并结合工艺技术的集成技

术已经成为一种新的发展趋势。超精密加工的技术

集成不是一个简单的技术堆砌,而是一个系统工程,

对系统中各因素的兼容性、协调性、互补性等的分析

与判定,是发展应用这项技术的关键。

3　结语

超精密加工已经成为制造业中技术竞争的关键

领域,不少国家和地区将其列为发展纳米技术的重

要组成部分。虽然国际上超精密加工技术在过去的

十多年里取得了很大的发展,但超精密加工的许多

设备和技术至今仍对我国禁运,在建设制造强国的

今天,我们只有依靠自己的力量,通过技术的创新、

发展方式的创新,才能使我们的超精密技术取得较

快、较大的发展和突破。

[参考文献]

[1]王润孝.先进制造技术导论.北京:科学出版社,2004.[2]NorioTaniguchi.Thestateoftheartofnanotechnologyforprocessingofultraprecisionandultrafineproducts.Preci2sionEngineering,1994,16(1).责任编辑　刘　滨

・3・《新技术新工艺》・高端访谈　2006年　第5期

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精密和超精密加工的应用和发展趋势

精密和超精密加工的应用和发展趋势

精密和超精密加工的应用和发展趋势

[摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。

【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势

精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(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。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。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪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，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond

Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），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等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。

在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。

精密机械行业分析

精密机械行业分析

精密机械制造企业ERP应用分析

精密机械制造业是当今中国发展迅速的一个行业。本人参加了几个该行业项目的实施，现总结经验如下：

一．行业特点：精密机械制造和普通机械制造相比，产品技术含量高（设计和生产），加工装备精良，附加值高，销售多呈小批量差异化特征。目前主要的精密机械制造商存在于西方发达国家和某些经济发展水平较高的发展中国家和地区（如新加坡等）。客户群也主要存在于这些地区。在我国，精密机械制造一直是机械行业的弱项。随着我国产业的升级，对于精密机械的需求也会越来越大，因此精密机械制造业发展的空间极大。

二．业务特征：

一）产品特征：

设备零件1.2...（加工件）其它材料（采购件）材料（采购）组件1.2...（虚拟件）零件1.2...（采购件）零件1.2...（加工件）材料（采购）

1）产品结构通常为基材—零件—组件—设备，复杂机械在组件下还会有一层或多层组件。组件（或称部件）如果不入库，可做为虚拟件，但最好不建立到BOM中，只建立基材—零件—设备的简单BOM结构。

2）零件分为两种：一种是从供应商处采购的标准件；一种是自己设计，然后加工或采购来的机加工件，即非标准件。

具体到每个企业，情况是有差异的，有的企业有自己加工能力，因此可以加工部分非标准零件；有的企业则采取零件加工全部外包的形式，设计图纸，委托供应商加工，自己只是完成最后组装业务。

精密机械加工经常会使用一些特殊加工材料，这些材料往往价格较高，需要从国外购买，因此则有时会由企业自己购买材料，再委托加工商加工。

3）需要注意的是：设备的一些零件会不断修改，出现不同版本，对于这种情况，一是

可以采用自由项的方式来解决，二是可以在零件编码末尾加版本号的方式来解决。但如果不同版本的零件描述不同或规格不同，则只能采用编码的方式来解决。

3）一个组件由多个零件组成，零件的版本变化，则组件的版本也会随之改变。一个组件会有很多零件组成，则每个零件BOM版本的变更都会引起组件BOM版本的变更，从而导致产品BOM版本的变更。因此实施中应该尽可能减少BOM层次，以减少维护工作量。

精密加工的发展史及趋势

精密加工的发展史及趋势

1 精密加工的发展史及趋势

往往大家一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它用好。

超精密加工的关键在于设备，这一点无可质疑，但由于超精密加工设备非常昂贵，因此用户购买时会面临很大的风险，因此，用户往往对它的要求也很高，希望它有更多的功能，能做更多的模具，这反过来也会促使它的价格更加昂贵。因此，我们在开发设备的初期，就采取了与其他厂家不同的思考方式，我们考虑的是如何尽量降低设备的成本，使超精密加工技术能容易地被用户接受并且普及开来，从使用的角度去开发更好用、更廉价的超精密设备。

目前，超精密加工设备主要用来加工一些超精密的光学零部件，例如光学镜头，各种非球面镜和球面镜（数码相机，手机中常常用到）等。根据加工对象的需要，将机床做得更小，以提高加工精度，是我们开发超精密加工设备的理念。

--FTC社长中川威雄先生

一、精密加工的发展史及趋势的机理

1、砂带研磨

砂带研磨是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具削加工的范畴，有生产率高、表面质量好，使用范围广等特点。国外在砂带材料及制作工艺上取得了很大的成就，有了适应于不同场合的砂带系列，生产出通用和专用的砂带磨床，而且自动化程度不断 2 提高（己有全自动和自适应控制的砂带磨床），但国内砂带品种少，质量也有待提高，对机床还处于改造阶段。

砂带研磨的特点及应用如以下：

①、CBN的硬度比普通磨料高很多。特别是适合加工硬度高，韧性大，高温，强度高，热导性率低的材料，其金属磨除率也是金刚石的10倍。

精密机械零件精度加工新工艺分析

精密机械零件精度加工新工艺分析

精密机械零件精度加工新工艺分析

精密机械零件讲求的就是精密，在实际的生产过程中我们必须保证其精密程度达到相关标准，并尽可能地提高。当前如何提高精密机械零件的精度已经成为了相关企业的一个关键问题。在加工过程中去毛刺、抛光中的问题将直接影响到零件的精度，也是当前生产自动化中难以解决的问题。文章主要针对这两道工序中的新工艺进行分析，希望能够提高机械零件的精度。

标签：加工原理；去毛刺；抛光

随着我国工业技术的快速发展，对机械产品的精密度逐渐增加。传统的加工工艺已经很难满足当前人们对机械零件的精度要求。在实际加工过程中，工件的稳定性、功能性等方面必须遵守严格的标准。据相关部门统计，机械制造业是劳动力作为集中的产业，这也就增加了控制零件精密度的难度。通常来说，一家企业的加工费用就会占总成本的15%，这大大增加了企业的成本负担。而在精密机械零件的加工中最难克服的问题就是去毛刺和抛光。伴随着科学技术的发展，国内外企业已经研究出了集中新方法新工艺，在机械零件的表面处理上取得了很好的效果，能够满足不同的生产需求。下面我们就针对其中的三种新工艺进行分析和研究。

1 加工原理

1.1 磨粒流加工原理。在磨粒流加工过程中，夹具配合工件形加工通道，2个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来回挤动。磨料均匀而渐进地对通道表或边角进行研磨，产生抛光、倒角作用。

1.2 热能去毛刺加工技术原理。热能去毛刺方法是利用高温清除零件的毛刺和飞边。被加工零件置于密封燃烧腔内，将可燃气体（天然气/甲烷/氢气）和氧气按一定比例、压力充入腔内，可燃气体包裹零件的里外以及毛刺、飞边，密密充斥零件内、外部，孔内，甚至盲孔里面。由火花塞点燃气体，瞬间产生燃点以上的高温。由于毛刺、飞边高于零部件表面，当温度急剧上升到毛刺、飞边自燃点以上时，小体积的毛刺、飞边燃烧。毛刺燃烧至工件主体，温度迅速降到自燃点以下时，腔里多余的氧气和毛刺混合化为氧化粉尘。加工原理如图1所示，这一过程很短，仅足以将毛刺、飞边烧掉，而不至于影响到工件本身。燃烧后，落在工件的所有表面上的毛刺和飞边的氧化残留物可以用溶剂清洗掉。