精密超精密加工技術發展趨勢
1 超精密加工（gōng）技術基礎理論和實驗還（hái）需進一步（bù）不斷發（fā）展
所謂超精密加工技（jì）術基礎理論，是指在了解並掌握超精密加工過（guò）程的基本規律和（hé）現象的描述後才（cái）能駕馭這一過程，取得預（yù）期（qī）結果。例如上世紀90年代初，日本學者用金剛石車刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續切屑的照（zhào）片，當時認（rèn）為達到了1nm的切削厚（hòu）度（dù），已（yǐ）成為世（shì）界（jiè）最高水平，並至（zhì）今無人突破（如圖4）。那麽超精密切削極限尺度是多少、材料此時（shí）是如何（hé）去除的，此外超精密加工工藝係統在力、熱、電、磁、氣等多物理量/
場複雜耦合下的作用機理是什麽、此時係統的動（dòng）態特性、動態精度及穩（wěn）定性如何保證等都需要得到新理論的支持。
隨著計（jì）算（suàn）機技術的發展，分子動力學仿真技術（shù）從20世紀90年代開始在物理、化學、材料學、摩擦學等領域得（dé）到了很好的應用，美國、日本等國首先應用該技術（shù）研究納米級機械加工過程，國內從21世紀初在一些高校開始應用分子（zǐ）動力學仿真技術對納米切削（xuē）及磨削過程進行研究，可描述原子尺寸（cùn）、瞬態的切削過程，在一定程度上（shàng）反（fǎn）映了材料的微觀去除機（jī）理，但這一切還有待於實驗驗證。
2 被（bèi）加工（gōng）材料和（hé）工藝方法也在不斷（duàn）擴展
鈦合金是航空最常用的材料之一，氫作為有害雜（zá）質元素對鈦合金的（de）使用性能有極其不利的（de）影響，如會引（yǐn）起（qǐ）鈦合金氫脆、應力腐蝕及延遲斷裂（liè）等（děng），但是近年（nián）來研究表明（míng）通過合理有效地控製滲氫、相變及除氫等過程，獲得鈦合金組織結構的變（biàn）化，從而可以改善其加工性（xìng）能，提高加工表麵質量和效率。同樣通常認為黑色金屬（shǔ）是無（wú）法利用天然金剛石（shí）進行超精密切削加工的，多年來也一直在進行各種工藝研究，如利用低（dī）溫流體（液氮或二氧化（huà）碳）冷卻切削區進行低溫冷卻車削、采用超聲振動切削黑色金屬、采用金剛石塗（tú）層刀具等，采用離子滲（shèn）氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進行處理，但上述方法（fǎ）到（dào）目（mù）前（qián）為止（zhǐ）還無法工程化應用。近（jìn）年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層（céng）的可加工性能，實現矽等（děng）硬（yìng）脆材料複雜形狀的高效超精密切削。
抗疲勞製造技（jì）術的發展（zhǎn）為超精密加工技術提出了新的發展（zhǎn）方向，超硬（yìng）材料的精密加（jiā）工工藝要求控製表層及亞表層的損傷（shāng）及（jí）組織結構、應力狀態等參數，如航空發動（dòng）機軸承材料M50NiL表麵處理後硬度超過（guò）了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤和單晶渦輪葉片在航空（kōng）發動機上的應用，要求被加工（gōng）材料沒有重融層和（hé）變質層，從而對精（jīng）密加工工藝提出了新要求。隨著導彈馬（mǎ）赫數的增加，要求頭罩材料的（de）抗耐磨性（xìng）提高（gāo），已從紅（hóng）外材料（liào）向藍寶石材料頭罩乃至金（jīn）剛石材料發展，形（xíng）狀也從球形向非球麵乃至自由曲（qǔ）麵發展，對超（chāo）精密加工設備、工藝及檢測技術提出了新的要求。
3 微納結構功能（néng）表麵的超精密加工（gōng）技術（shù）
微結（jié）構功能表麵具（jù）有特定的拓撲形狀，結（jié）構（gòu）尺寸一般為10~100μm，麵形精度小於0.1μm，其表麵微結構具有紋理結構規則、高（gāo）深（shēn）寬比、幾何特性確定等特點，如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結（jié）構等，這些表麵微結構使得元件具有某些特定的功能，可以傳遞材料的物理、化學性能等，如粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性，或者具備特定的光學性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表麵加工出微（wēi）納（nà）結構形成功能性表麵，不僅可以減小飛行器的風阻、摩阻，減小摩擦，還可以避免結冰層形成，提高空氣動力學和熱力學功能，從而達到增（zēng）速、增程、降噪等目（mù）的，同時表（biǎo）麵特（tè）定（dìng）的微結（jié）構特征還能起到隱身功能，增強突防能力。
在民用方麵最典型的（de）例子是遊泳運（yùn）動員的泳衣表麵增（zēng）加了一些微結構，俗稱（chēng）鯊魚皮（pí）泳衣，結（jié）果使運動員的（de）成績有（yǒu）了大幅度（dù）的提（tí）高，使國（guó）際泳聯不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微（wēi）結構功能（néng）表麵在光（guāng）學係（xì）統（tǒng）、顯示設備、聚光光伏產業、交通標誌標牌、照明等領域被（bèi）廣泛應用，如LCD 顯示器的背光模組的各（gè）種光學膜片，背光模組關（guān）鍵件—導光板、擴（kuò）散板、增（zēng）光膜等，聚光光伏太陽能CPV 係統的菲涅爾透（tòu）鏡，道路標示用微結構光學膜片、新（xīn）一代LED 照明用高效配光結構（gòu）等（děng）。
在未來零部件設計與製造將（jiāng）會增加一項功能表麵結構的設計與製造，通過在（zài）零件表麵設計和加工不同（tóng）形狀的微結構，從而提高零部件（jiàn）力學、光學、電磁學、升學等功能，這將（jiāng）是微（wēi）納製造的重要應用領域，2006年成立的國際納米（mǐ）製造（zào）學會經專家（jiā）討論並認（rèn）同，納米製造中的核心技術將從目前以MEMS技術逐步轉向（xiàng）超精密加工技術。
4 超精密（mì）加（jiā）工開始追求高效
超精密加（jiā）工（gōng）技（jì）術從發展之初是為了保證一些關鍵零部件的最終精（jīng）度，所以當初並不（bú）是以加工效率為目標，更多關注的是精度和（hé）表麵質量，例（lì）如一些光學元件最初的加工（gōng）周（zhōu）期是以（yǐ）“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進一步加工增大和數量的增多，目前對超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察（chá）天體範圍和（hé）清晰度，需（xū）不斷加大天文（wén）望遠鏡的口徑（jìng），這就同（tóng）樣存（cún）在天（tiān）文版的摩爾定律，即（jí）每隔若幹年，光學望遠鏡的口徑（jìng）增（zēng）大一倍（bèi），如（rú）建於1917年位於美國威爾遜（xùn）山天文台的Hooker望遠鏡的口徑為2.5m，是當年全世界（jiè）最大的天文望遠鏡；到（dào）1948年被（bèi）Hale望遠鏡取代，其口徑（jìng）達到了5m；1992年新建成的Keck望遠鏡的口徑達（dá）到了10m，目前仍（réng）在發（fā）揮著（zhe）巨大的（de）作用。目前正在計劃製造的巨大天文望遠鏡OWL主鏡口徑（jìng）達到（dào）100m，由3048塊（kuài）六邊形（xíng）球麵反射鏡組成，次鏡由216塊六邊（biān）形平麵反射（shè）鏡組成，總重約1~1.5萬t，按照目（mù）前現有的加工工藝，可能需要上百年的時間才能完成。此外，激光核聚變點火裝置（NIF）需要（yào）7000多塊400mm見方的KDP晶體，如果沒有高效超精密加工工藝，加（jiā）工時間也無法想象。為此（cǐ）需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（zú）高效超精密加工的需求。
5 超（chāo）精密加工技術將向極致方向發展
隨著科技的進步，對超精密加（jiā）工技術已經提出了新的要求，如要求極（jí）大零件的極高精度、極小零（líng）件及特征的極高精（jīng）度、極複（fù）雜環境下的極高精度、極複雜結構（gòu）的極高精度等。
歐洲南方天（tiān）文台正在研製（zhì）的超（chāo）大天文望遠鏡VLT反（fǎn）射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹（zhàng）玻璃，經（jīng）過減重後（hòu）重量仍然達到了21t。法國REOSC公司負（fù）責加工，采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝，加工周期為8~9個（gè）月，最終滿足了設計要（yào）求，目前（qián）許多新的超精密加工工藝如（rú）應力盤拋光（guāng）、磁流變（biàn）拋光、離子束拋（pāo）光等出現為大鏡加工提供了技術支撐。前（qián）麵提到的微（wēi）納結構功能表麵結構尺寸小到幾個（gè）微米，如（rú）微慣性傳感器中的敏感（gǎn）元件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺寸精（jīng）度卻要求（qiú）±1μm。
美國國家標（biāo）準計量局研製的納（nà）米三坐標測量機（分（fèn）子（zǐ）測量機（jī））是實現如何在極複雜環境下的（de）極高精度測量的典型例子，該儀（yí）器測量範圍50mm×50mm×100μm，精度達（dá）到了1nm，對環境（jìng）要求及其嚴格，最內（nèi）層殼溫（wēn）度控製17±0.01℃，次層殼采用主動隔振（zhèn），高真空層工作環境保（bǎo）持1.0×10-5Pa，最外層殼用於噪聲隔離，最後將整體結構安裝在空氣彈簧上進行被動隔振。自由曲麵光學曲麵精（jīng）度要求（qiú）高（gāo）、形狀複雜，有的甚至（zhì）無法（fǎ）用方程表示（如賦值曲麵），但由於其具（jù）有（yǒu）卓越的光學性能近年來應用範圍不斷擴大，但自由曲麵光學零件的設計（jì）、製（zhì）造及檢測等技術還有待於進一步發展。
6 超精密（mì）加工技術將向超精密製造技術發展
超精（jīng）密加工技術以前往往（wǎng）是用在零件的最終工序或者某（mǒu）幾個工序中，但目前一些領域中某些零部件整個（gè）製（zhì）造過（guò）程或整個產品的研製（zhì）過程都要用到超精（jīng）密技術，包括超精密加（jiā）工加工、超精密裝配調試以及超精密檢（jiǎn）測等，最典型的（de）例子就是美國的美國國（guó）家（jiā）點火裝置（NIF）。
為了解決人類的能源危（wēi）機，各國都在研究新的能源技術，其中利用氘、氚的（de）聚變反應產生巨大能源可供（gòng）利用，而且不（bú）產生任何放射性汙染，這就（jiù）是美（měi）國國家點火工程。我國（guó）也開始了這（zhè）方麵的研究，被稱為神（shén）光工程。NIF整（zhěng）個係統約有（yǒu）2個足球場大小，共有192束強激光進（jìn）入直（zhí）徑10m的靶室，最終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就（jiù）要求激光反射鏡的數量極多（duō）（7000多片），精度和表麵（miàn）粗糙度極高（否則強（qiáng）激光會燒毀鏡片），傳輸路徑（jìng）調試安裝精度要求（qiú）極高，工作環（huán）境控製要求極高。對於直徑為2mm的靶丸，壁厚僅為160μm，其中充氣小孔的直徑為5μm，帶有（yǒu）一直徑為12μm、深4μm的（de）沉孔。微孔的加工困（kùn）難在於（yú）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（yòng）原子力顯微鏡進行超精密加（jiā）工。係統各路激光的空間幾何位置對（duì）稱性誤差要求小於1%、激（jī）光（guāng）到達表麵時間一致性（xìng）誤差小於30fs、激光能量強度一致性誤差小於1%等。如此複雜高精度的係統無論從（cóng）組成（chéng）的零部件加工及裝配調試過程時刻都（dōu）體現了超（chāo）精密製造技術。場（chǎng）複雜耦合下的（de）作用機理是什麽、此時係統的動態特（tè）性（xìng）、動（dòng）態精度及穩定性如何保證等都需要得到新理（lǐ）論的支持。
