超精密加工现状综述
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２００７年１月
袁巨龙等：超精密加工现状综述
３７
方法可获得的加工精度［１０】。其中微细加工可实现特征尺寸为ｌ¨ｍ、表面粗糙度趋于５ｎｍ的加工。
加工方法与设备
ｇ
ｉ瓷
魁蜒
＿Ｈ
量
＼＼常规加工
ｃＮｃ机床＼
＼＼
研磨、珩磨、搪孔磨削
≤∑１
Ⅱ工
精密磨削或车｝
高精度或超高１＼
、
．度机床超精密嘉圭＼、游离磨粒加工
＼
原子间距离
离子束加工
分子操飒～
１９４０
１９６０
１９８０
２０００
年度
图１２０世纪４０年代后加工精度的发展
表面粗糙度Ｒ。／ｎｍ
图２２００３年时各种加工方法可获得的加工精度
（２）对产品小型化的追求。伴随着加工精度提高的是工程零部件尺寸的减小。图３描述了各时期汽车上ＡＢＳ系统的质量变化１１０Ｊ。从１９８９～２００１年，从６．２ｋｇ降低到１．８ｋｇ。电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。
图３
１９８９～２００１年ＡＢｓ系统的质量
（３）对产品高可靠性的追求。对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定性、延长使用寿命。目前，高速高精密轴承中使用的Ｓｉ３Ｎ。陶瓷球的表面粗糙度要求达到数纳米［１卜１２】。加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，所以从提高零件耐腐蚀能力的角度出发，要求加工产生的变质层尽量小。
（４）对产品高性能的追求。机构运动精度的提高，有利于减缓力学性能的波动、降低振动和噪声。对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度可减少泄露而降低损失。二战后，航空航天工业要求部分零件在高温环境下工作，因而采用钛合金、陶瓷等难加工材料，为超精密加工提出了新的课题。
以上四个方面相互关联，共同促进了超精密加工技术的发展。国际知名超精密加工研究单位与企业主要有，美国ＬＬＬ实验室和Ｍｏｏｒｅ公司、英国Ｇｒａｎｆｉｅｌｄ和Ｔａｙｌｅｒ公司、德国Ｚｅｉｓｓ公司和Ｉ（＇ｕｇｌｅｒ公司、日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等。我国从２０世纪８０年代初期开始研究超精密加工技术，主要的研究单位有北京机床研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所应用光学重点实验室、大连理工大学和浙江工业大学等。
２超精密加工材料
为满足高精度、高可靠性、高稳定性等品质需求，众多金属及其合金、陶瓷材料、光学玻璃等需要经过超精密加工达到特定的形状、精度和表面完整性。这里特别对先进陶瓷材料进行介绍。
先进陶瓷材料已经成为高精密机械、航空航天、军事、光电信息发展的基础之一。先进陶瓷根据性能和应用范围不同，大致可分为功能陶瓷和结构陶瓷两类。功能陶瓷主要指利用材料的电、光、磁、化学或生物等方面直接或耦合的效应以实现特定功能的陶瓷，在电子、通信、计算机、激光和航空航天等技术领域有着广泛的应用。结构陶瓷材料具有优良的耐高温抗磨损性能，作为高性能机械结构零件新材料显示出广阔的应用前景。表ｌ列出了一些典型先进陶瓷材料及其用途［１孓１５】。
表２给出了延性金属材料与脆性先进陶瓷材料的部分物理特性［１６ｌ。表３给出了几种先进陶瓷材料
的物理特性。先进陶瓷材料多为共价倩子键化合
物，晶体结构对称性低、位错少，因而硬度高、脆
０
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１
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２００７年１月袁巨龙等：超精密加工现状综述４１
磨具
（ａ）理想状况
刚性磨具
（ｂ）刚性磨具加工时硬质大颗粒侵入
弹性磨具表面损伤
硬质大颗粒表面损伤
硬质大颗粒
（ｃ）弹性磨具加工时硬质大颗粒侵入
图４ＣＭＰ加工时的理想状况及硬质大颗粒侵入引起
的载荷变化及表面损伤示意图
面高速旋转的聚氨酯小球带动抛光液中粒度为几十纳米的磨料，以尽可能小的入射角冲击工件表面，通过磨粒与工件之间的化学作用去除工件材料ｍ】，工件表层无塑性变形，不产生晶格转位等缺陷，对加工功能晶体材料极为有利。ＴＳｌ，Ｗ－Ａ等【４３Ｊ使用聚氨基甲酸脂球为工具，利用ｚ幻２微粉对单晶硅进行弹性发射加工，表面粗糙度达０．５ｍｎ。
图５ＥＥＭ装置示意图
１．十字弹簧２．数控主轴箱３．载荷支撑杆４．聚氨酯球
５．工件６．橡胶垫７．数控工作台８．工作台９．悬浮液
１０．容器１１．重心１２．无级变速电动机
图６批量生产中使用的ＥＥＭ设备
（２）动压浮离抛光。ｗＡＴＡＮＡＢＥ等【４纠利用动压轴承的原理开发了动压浮离抛光技术，如图７所示。通过在抛光盘沿其圆周方向制有若干倾斜平面，利用抛光盘转动时产生的液动压，使工件浮于抛光盘表面，通过浮动间隙中的抛光料微粒对工件进行抛光。因为没有摩擦热和磨具磨损，标准面不会变化，因此可重复获得精密的工件表面。采用这种抛光方法加工直径为７５Ｉｍ的硅晶片，可获得０．３岫的平面度和ｌｎｍ的表面粗糙度１４５Ｊ。
图７动压浮离抛光装置示意图
１．抛光液容器２．驱动齿轮３．保持环４．工件夹具
，５．工件６．抛光盘７．载物环
（３）浮法抛光。１９７７年，日本的ＮＡＭＢＡ等【４６Ｊ研究人员为了加工抛光磁头材料，提出了浮法抛光工艺。其原理如图８所示。该工艺使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，使得抛光盘和工件高速旋转，在两者之间抛光液呈动压液体状态，并形成一层液膜，再利用液膜里的磨料高速冲击工件表面，从而实现材料的去除。ＮＡＭＢＡ等｝４６Ｊ采用Ｓｉ０２胶粒、Ｃｅ０２和Ａ１２０３抛光工蓝宝石（００１）面进行了浮动抛光，表面粗糙度低于１ｍ。与其他抛光方法相比，抛光后的工件边缘几何形状规整、亚表层无破坏、由抛光引起的表面残余应力极小、晶体面有完好的晶格。浮法抛光类似于ＥＥＭ抛光法，不同之处在
于浮法抛光使用的是硬质锡盘作为磨具，而ＥＥＭ
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２００７年１月袁巨龙等：超精密加工现状综述４３
图１０磁流变加工系统示意图
（６）气囊式抛光。气囊式抛光技术是２０００年伦敦学院大学光学科学实验室和ｚｅｅｋｏ有限公司联合提出的［５７。５８Ｊ。抛光工具外面包有磨料薄膜层（如聚氨酯抛光垫、抛光布等）的胶皮气囊。抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对的进给运动，使工件的全部表面都被能抛光加工。工具气囊同时还作摆动（摆动中心为气囊曲面的曲率中心），使磨料薄膜层均匀磨损。由于工具气囊具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光不同外形的曲面。该方法适于大型自由曲面的超精密加工。
（７）应力盘抛光。为实现大型非球面元件的超精密加工，诞生了应力盘抛光方法。该方法采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以实时地变形成所需要的面形，以适配非球面的不同位置上的吻合研磨。应力盘抛光技术具有优先去除表面最高点或部位的特点，具有平滑中高频差的趋势，可以很好地控制中高频差的出现、有效地提高加工效率。２００２年ＭＡＲＴＩＮ等【５９Ｊ用应力盘抛光技术对Ｍａｇｅｌｌａｎ望远镜６．５ｍ∥１．２５主镜和ＬａｒｇｅＢｉｎｏｃｕｌａｒ望远镜８．４ｍ∥１．１４主镜进行了抛光，这些大型镜片都是非球面镜，加工后形状误差为０．０１％，表面粗糙度为２０ｎｍ。
（８）电解抛光。电解抛光又称电化学抛光，起源于２０世纪初。１９３０年法国电话公司Ｊａｃｑｕｅｔ首次提出电解抛光技术，并进行了系统研究。目前，解释电解抛光过程比较合理的理论是薄膜理论。薄膜理论认为，电解抛光时，靠近金属试样阳极表面的电解液，在试样上随着表面凹凸高低不平形成～层薄厚不均匀的粘性薄膜。由于电解液搅拌流动，在靠近试样表面凹陷的地方，扩散流动得较慢，因而形成的膜较厚，而在凸起的地方薄膜较薄。由于试样表面各处的电流密度相差很多，凸起顶峰地方电流密度很大，金属快速地溶解于电解液中，而凹陷部分金属则
溶解慢，结果使得粗糙的表面变得平整从而达到抛光的目的。２００３年ＨｕＡＮＧ掣６０】对高速钢进行电解
抛光，获得尺。３０～５０ｒ衄的表面。
（９）离子束抛光。离子束抛光是把中性离子在电场中加速，撞击工件表面的原子或分子，使其逸出表面从而将材料去除（图１１）。由于被加工材料以原子或分子为单位去除，可获得纳米级高质量加工表面。ＬＩ№１Ｊ等用氟离子束对ＣＭＰ后的５０ｍｍＧａＳｂ
外延片进行超精加工，使其表面粗糙度由０．７ｍ降低到０．１８ｍ。离子束抛光可加工的材料范围较广，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。
图１１离子束抛光原理图
（１０）等离子体辅助抛光ｆＰｌａｓｍａ—ａｓｓｉｓｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｅｔｈｉｎｇ，ＰＡＣＥ）。等离子体辅助抛光又称化学蒸发加工（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ＣｖＭ），是在真空环境下进行，其设备如图１２所示。将化学气体（通常为卤素类气体，如ＣＦ、Ｃ１２等）激发成活性等离子体，与加工面产生化学反应，生成挥发性物质从而达到材料去除的目的。这种加工方法实用化的一种就是等离子腐蚀【６２１。
图１２等离子体辅助抛光设备
ＰＡＣＥ加工具有抛光效率高，工作不受机械压
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