精密超精密加工技（jì）術發展趨勢
1 超精密加工技術基礎理論和實驗還需進一（yī）步不斷發展
所謂超精密加工技術基礎理論，是指在了解並掌握超精密（mì）加工（gōng）過程的基本（běn）規律和現象的描述後才能駕馭這一過程，取得（dé）預期結（jié）果。例如（rú）上世紀90年代初，日本學者用金剛石（shí）車刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續切屑的照片，當時（shí）認為（wéi）達到了1nm的（de）切削厚度，已成為世界最高水平，並至今無人突破（如圖4）。那（nà）麽超（chāo）精密（mì）切削極限尺度（dù）是多少、材料此時（shí）是如何去除的，此外超精密加工工藝（yì）係統（tǒng）在（zài）力、熱、電、磁、氣等多物理量/
場複（fù）雜耦合下的作用（yòng）機理是（shì）什麽、此時係統的動態特性、動（dòng）態精度及穩定性如何保證等都需要得到新理論的（de）支持。
隨著計算機技術的發展，分子動力學仿真技術從20世紀90年代開始在物理、化學、材料學、摩擦學等領域得到了很好的應用，美國、日本等國首先應用該技術研究納米級機械加工（gōng）過程，國內（nèi）從21世紀初在一些高校開始應用分子動力學仿真技術對納米切削及磨削過程進行（háng）研究，可描述（shù）原子尺寸、瞬態的切削過程，在一定程度上反映了材（cái）料的微觀去除機理，但這一切還有待於（yú）實驗驗證。
2 被加工材料和工藝方法也在不斷（duàn）擴（kuò）展
鈦合金（jīn）是航空最常用的（de）材料之一，氫作為有害雜質元素對鈦合金的使用（yòng）性能有極（jí）其不利的影響，如會引起鈦合金（jīn）氫脆、應力腐蝕及延遲斷裂等，但是近年來研（yán）究表明（míng）通過合理有效地控製滲（shèn）氫、相變及（jí）除氫等過程（chéng），獲得鈦合金組織結構的（de）變化（huà），從而可以改善其加工性（xìng）能，提高加工表麵質（zhì）量和效率。同樣通常（cháng）認為黑色金（jīn）屬是無法利（lì）用天然金剛石進行超精密切削（xuē）加工的（de），多年來（lái）也一直在進行各種工藝研究，如利用低溫流體（液氮或二氧（yǎng）化碳（tàn））冷卻切削區進行低溫冷卻（què）車削、采用超聲振動切削黑色（sè）金屬、采用金剛石塗（tú）層刀具等，采（cǎi）用離子滲氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進行處理（lǐ），但上述方法到目前為止還（hái）無法工程化應用。近年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能，實現矽等硬脆材料複雜形狀的高效超精密切削。
抗疲勞製造（zào）技術的（de）發展為超精密（mì）加工技（jì）術提出了新的（de）發展方向，超硬材料的精密加工（gōng）工藝要（yào）求控製表層及亞（yà）表層的損傷（shāng）及組織結構、應力狀態等參數，如航空發動機軸承材料M50NiL表麵處（chù）理後硬度超（chāo）過了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤和單晶渦輪葉片在航空發動機上的應用，要（yào）求被（bèi）加工材料沒有重融層和變質層，從而對精（jīng）密加工工藝提出了新要求。隨著導彈馬赫數的增加，要求頭罩材料的抗耐（nài）磨（mó）性提高，已從紅外材料向藍寶石材料頭罩乃至金剛石材料發展，形狀也從球形向非球麵乃至自（zì）由曲麵發展，對超精密（mì）加工設（shè）備、工（gōng）藝及檢測技術提出了新的要（yào）求。
3 微納結構功能表麵（miàn）的超精密加工技術
微結構功能（néng）表麵（miàn）具有特定的（de）拓撲形狀，結構尺寸一般（bān）為10~100μm，麵形（xíng）精度小於0.1μm，其表麵微結構（gòu）具有紋理結構規則、高深寬（kuān）比、幾何特性（xìng）確定（dìng）等特點（diǎn），如凹槽陣列（liè）、微（wēi）透鏡陣列、金（jīn）字塔（tǎ）陣列結構等，這些（xiē）表麵（miàn）微結構使得元件具有某（mǒu）些特定（dìng）的功能，可以傳遞材（cái）料的物理、化學性能等，如粘附性、摩（mó）擦性、潤滑性、耐磨損性，或者（zhě）具備特定的光學性（xìng）能等。例如（rú）在航空、航天飛行器宏觀（guān）表麵加（jiā）工出微納結構形成功（gōng）能性表麵，不僅可以減小飛行器的（de）風阻、摩阻，減小摩擦，還可以避免結冰層形成，提高空氣動（dòng）力學和熱力學功能，從而達到增速、增程、降（jiàng）噪等（děng）目的，同（tóng）時表麵（miàn）特定的微結構（gòu）特征還能起（qǐ）到隱身功能，增強突防能力（lì）。
在民用方麵（miàn）最典型的例子是遊（yóu）泳運動員的泳衣（yī）表麵（miàn）增加了一些微結構，俗稱鯊魚皮泳衣，結果使運動員的成績有了（le）大幅度的提高，使國際泳聯不得不禁止使用這種（zhǒng）高（gāo）科技的泳衣。此外微結構功能表麵在光學係統、顯示設備、聚光光伏產業（yè）、交通（tōng）標誌標（biāo）牌、照明等領域被廣（guǎng）泛應用，如LCD 顯示器的背（bèi）光模組的各種光學膜片，背光（guāng）模組（zǔ）關鍵件—導光板、擴（kuò）散板、增光膜等（děng），聚光光伏太（tài）陽能CPV 係統（tǒng）的菲涅（niè）爾透（tòu）鏡，道路標示用微結（jié）構光學膜片、新一（yī）代LED 照明用高效配光結構等。
在未來零部件設計與製造將會增加一項功能表麵結構的設計與製（zhì）造（zào），通過在零件表麵設計和加工不同形狀的微結構，從而（ér）提高零部件力（lì）學、光學、電磁學、升學等功（gōng）能，這將是微納製造的重要應用（yòng）領域，2006年成立的（de）國際（jì）納米（mǐ）製造學會經專家討論並認（rèn）同，納米製造中的（de）核（hé）心技術將從目前以MEMS技（jì）術逐步轉向超精密加工技術。
4 超精密加工開始追求高效
超精密加工技術從發展之初是為了保證一些關鍵零部件的最終精度（dù），所以當初並不是以加工效率為目標，更多關注的是精度和表麵質量，例如一些光學元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進一步加工（gōng）增大（dà）和數（shù）量的增多（duō），目前對超精密加工的效（xiào）率也提出了要求。例如為（wéi）了（le）不斷提高觀察天體範圍和清晰度，需不斷（duàn）加大（dà）天文望遠鏡的口徑，這就同樣存在天文版的摩爾定律（lǜ），即每隔若（ruò）幹年，光學望遠鏡的口徑增大一倍，如建（jiàn）於1917年位於美國威爾（ěr）遜（xùn）山天文台的Hooker望遠（yuǎn）鏡的口徑為2.5m，是當年全（quán）世界最大的天文望遠鏡；到1948年被Hale望（wàng）遠鏡取代，其口徑達到了5m；1992年新建成的Keck望遠鏡的口徑達到了10m，目前仍在（zài）發揮著巨大的作（zuò）用。目前正在計劃製造的巨大天文望遠鏡OWL主鏡口徑達到100m，由3048塊（kuài）六邊（biān）形球麵反射鏡組成，次鏡由216塊六邊（biān）形平麵（miàn）反射鏡組成，總重約1~1.5萬t，按照目（mù）前現有的加（jiā）工工藝，可能需要上百年的（de）時間（jiān）才能完成。此外，激光核聚變點火裝置（NIF）需（xū）要7000多塊400mm見方的KDP晶體，如果沒有高效超精密（mì）加工工藝，加工時間也無法想象。為此需（xū）要不斷開發新的超精密加工設備和超精密加工工藝來滿足高效超精密（mì）加工的需求。
5 超精密加（jiā）工技術將向極致方向發展（zhǎn）
隨著科技的進步，對超精密加工技術已經提出了新的要求，如要求極大零件的極（jí）高精度、極小零件及特征的極高精度、極複雜環境下的極高精度、極複雜結構的極高（gāo）精度等。
歐洲南方天文台正在（zài）研製的（de）超大（dà）天文望遠鏡（jìng）VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃，經過（guò）減重後重量（liàng）仍然達到了21t。法國（guó）REOSC公司負責加工，采用了銑磨、小磨頭（tóu）拋光等加工工（gōng）藝，加工周期為（wéi）8~9個月，最（zuì）終滿足了設計要求，目前許多新的超精密加工工藝如應力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現為（wéi）大鏡（jìng）加工提供了技術支撐。前麵提到的微納結構（gòu）功能（néng）表麵結（jié）構（gòu）尺寸小到幾個微米，如微慣性傳感器中的敏感元（yuán）件撓（náo）性臂特征尺寸為（wéi）9μm，而其尺寸精度（dù）卻要求±1μm。
美國國家標準計量（liàng）局研製的納米三坐標測量機（分子測量（liàng）機）是實現如何在極（jí）複雜環（huán）境下的極高精度測量的典型例子，該儀器測量範圍50mm×50mm×100μm，精度（dù）達到了1nm，對環境要求及其嚴格（gé），最內層殼溫度控（kòng）製17±0.01℃，次層殼采用主動（dòng）隔振，高真空層工作環境保持（chí）1.0×10-5Pa，最外層殼（ké）用於噪聲隔離，最後將整體結構安裝在空氣彈簧上（shàng）進行被動隔振。自由曲麵光學曲麵精度要求高、形狀複雜，有的甚至無法用方程表（biǎo）示（如賦值曲麵），但由於其具（jù）有卓越的光學性（xìng）能（néng）近年來應用範圍不（bú）斷（duàn）擴大，但（dàn）自由（yóu）曲麵光學零件的（de）設計、製造及檢測等技術還有待於（yú）進一步發展。
6 超精密加工（gōng）技術將（jiāng）向超精密製造技術發展
超精密加工技術以前往往是（shì）用在零件的最終工序（xù）或者（zhě）某幾個（gè）工序中（zhōng），但目前一些領域中某些零部件整個製造過程或整個產品（pǐn）的研製過程都要用到超精密技術，包括（kuò）超精密加工加工、超精（jīng）密裝配調試（shì）以及超精密檢測等，最典型的例子就是美國的美國國家點火裝置（NIF）。
為了解決人類的能源危機，各國都在研究新的能源技術，其中利用氘、氚的聚變反應產生巨大能源可供利用，而且不產生任何放射（shè）性汙染，這（zhè）就是美國國家點火工程。我國也開始了這（zhè）方麵的研究，被（bèi）稱為（wéi）神光工（gōng）程。NIF整個係統約有2個（gè）足球（qiú）場大小，共有（yǒu）192束強激（jī）光進入直徑10m的靶室，最終將能（néng）量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數量極多（7000多片），精（jīng）度和表麵粗糙度（dù）極高（否則強激光會燒毀鏡片），傳輸路徑（jìng）調試安裝精（jīng）度（dù）要求極高，工作環境控製要（yào）求極高。對（duì）於直徑為2mm的（de）靶丸，壁厚僅為（wéi）160μm，其中充氣小孔（kǒng）的（de）直徑為5μm，帶有（yǒu）一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工（gōng）困難在於其深徑比大、變截麵，可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝，或采（cǎi）用原子（zǐ）力顯微鏡進行超精密加工。係統（tǒng）各路（lù）激光的空間幾何位置對稱性誤差要求小（xiǎo）於1%、激光到達表麵時（shí）間一致性誤差小（xiǎo）於30fs、激光能量強度一致性誤（wù）差小（xiǎo）於1%等。如此複（fù）雜高精度的係統無論從（cóng）組（zǔ）成的零部件加工及裝配調試過（guò）程時刻都體現（xiàn）了超精密製造技術。場複雜耦合下的作用機理是什麽、此時係統的動態特性、動（dòng）態精度及穩定性（xìng）如何（hé）保證等都需要得到新理論的支持（chí）。
