精密超（chāo）精密加（jiā）工技術（shù）發展趨勢
1 超（chāo）精密加工技術（shù）基礎理（lǐ）論和實驗（yàn）還需（xū）進一步不斷發展
所謂超（chāo）精密加工技術基礎（chǔ）理（lǐ）論，是指在了解並掌握超精密加工過程的基本規律和現象的描述後才能駕馭這一過程，取得預期結果。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片，當（dāng）時認為達到了1nm的切削厚度，已成為世界最高水平，並至今無人突破（如圖4）。那麽超精密切削極（jí）限（xiàn）尺度是多少、材料此時是如何去除的，此外超精密加工工藝係統（tǒng）在力、熱、電、磁、氣等多物理量/
場複雜耦合（hé）下的作用機理是什麽、此時係統的（de）動態特性、動（dòng）態精度及穩定性如（rú）何保證等都需要得（dé）到新理論的支持。
隨著計算機技術（shù）的發（fā）展，分子動力學仿真技術從（cóng）20世紀90年代開始在（zài）物理、化學、材料學、摩擦（cā）學（xué）等領域得到了很好的應用（yòng），美國、日本等國首先應用該技術研究納米（mǐ）級機械加工過程，國內從21世紀初在一些高校開始應用分（fèn）子動力學仿（fǎng）真技術對納米切削及磨削過程進行研究，可描述原子尺寸、瞬態（tài）的切削過程，在一定程度上反映了（le）材（cái）料的微觀去除機理，但這一切還有待於實驗驗（yàn）證。
2 被加工材（cái）料和（hé）工藝方法（fǎ）也在不斷擴展
鈦合金是（shì）航空最常用的材料之（zhī）一，氫作為（wéi）有害雜質元（yuán）素對鈦合金的使用性能有極其（qí）不利的（de）影響（xiǎng），如會引起鈦合金氫脆（cuì）、應力腐蝕及延遲（chí）斷裂等，但是近年來研究表明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（zhī）結構的變化，從而可以改善其加工（gōng）性能，提高加（jiā）工表麵質量（liàng）和（hé）效（xiào）率（lǜ）。同樣通常認為黑色金屬是無法利用天然金剛石（shí）進行超精密切削加工的，多年來也一直在進行各種工藝（yì）研究，如（rú）利用低溫流體（液氮或二氧化碳）冷卻切削區進行低溫冷卻車削、采用（yòng）超聲振動切削（xuē）黑色金屬、采用金剛石（shí）塗層刀具等，采用離子滲氮和氣體滲氮（dàn）工藝對模具鋼進行處理，但上述（shù）方法到目前為（wéi）止還無（wú）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（cái）料複雜形狀的高效超精密切削。
抗疲勞製造技術（shù）的發展為超精密加工技術提（tí）出了新的（de）發展方向，超硬材料的精密加工（gōng）工藝要求控製（zhì）表層及亞表層的損傷及組織結構、應力狀態等參數（shù），如航空發動（dòng）機軸承（chéng）材料M50NiL表麵處理後硬度超（chāo）過了HRC70。隨著單晶（jīng）渦輪（lún）葉（yè）盤和單晶渦輪葉片（piàn）在航空發動機上的應（yīng）用，要求被加工材料沒有重融層和變質層，從而對精密加（jiā）工工藝提出了（le）新要求。隨著導彈馬赫數的增加，要求頭罩材料的抗（kàng）耐磨性提高，已從紅（hóng）外材（cái）料向藍寶石材料（liào）頭（tóu）罩（zhào）乃至金剛石材料（liào）發展，形狀也從球形向非球麵乃至自由曲麵發展，對超（chāo）精密加工設（shè）備、工（gōng）藝及檢測技術提出了新的要求。
3 微納結構功能表麵的超精密加工技（jì）術
微結構功能表（biǎo）麵具有特定的拓撲形狀，結（jié）構尺寸一般（bān）為10~100μm，麵形精度小於0.1μm，其（qí）表麵微結構具有紋理結構規則、高深寬比、幾何特性確定等特（tè）點，如凹槽陣列、微透（tòu）鏡陣列、金字塔（tǎ）陣（zhèn）列結構等，這些表麵微結構使（shǐ）得（dé）元件具（jù）有某些特定的（de）功能，可以傳遞材料的物理、化（huà）學性能等，如粘附性、摩（mó）擦性、潤滑性（xìng）、耐磨損性，或（huò）者具（jù）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納結（jié）構形成功能性表麵，不僅可以減小飛行器的風（fēng）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，從而達到增速、增程、降噪等目（mù）的，同時表麵特定的微結構特征還能起到隱身功（gōng）能（néng），增強突防能力。
在民用方麵最典型（xíng）的例（lì）子是遊泳運動員的泳衣表麵增加了一些微結構，俗稱鯊魚（yú）皮泳衣，結（jié）果使（shǐ）運動員的成績有了大幅度（dù）的提高，使國（guó）際泳聯（lián）不得不禁止使用這種高科技的泳（yǒng）衣。此外微結構功能表麵在光學係統、顯示設備、聚光光伏產（chǎn）業、交通（tōng）標誌標牌、照明等領域被廣泛（fàn）應用，如LCD 顯示器（qì）的背光模組的各種光學膜片，背光（guāng）模組關鍵件—導光板、擴散板（bǎn）、增光膜等，聚光（guāng）光伏太陽能CPV 係統（tǒng）的菲涅爾透（tòu）鏡，道路標示用微（wēi）結構光學（xué）膜片（piàn）、新一代LED 照明用高效（xiào）配光結構等。
在未來零部件設計與製（zhì）造將會增加一項功能表麵結構的設計（jì）與（yǔ）製造，通過在零件（jiàn）表麵設計和加工不同形狀（zhuàng）的微結構，從而提高零部件力（lì）學（xué）、光學（xué）、電磁學、升（shēng）學等功能，這將（jiāng）是微納製造的重要應用領域，2006年成立的國際納米製造學會經專家討論並認同，納米製造中（zhōng）的核心（xīn）技術將從目（mù）前以MEMS技術逐步（bù）轉向超精密加（jiā）工技（jì）術。
4 超精密加工開始追求（qiú）高（gāo）效
超精密加（jiā）工技術從（cóng）發展之初是為了保（bǎo）證一些關鍵零部件的最（zuì）終精度，所（suǒ）以當（dāng）初並不是以加工效率為目標，更多關注的是精度和（hé）表（biǎo）麵質（zhì）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（jiàn）尺寸的進一步加工增大（dà）和（hé）數量的增多（duō），目前對超精密加工的效率也提出了要（yào）求（qiú）。例如（rú）為了不斷提高觀察天體範圍和清晰度，需不斷加（jiā）大天文望遠鏡的口徑（jìng），這就同樣存在（zài）天文版的摩（mó）爾定律，即每隔若幹年，光學望遠鏡的口徑增大一倍，如建於1917年（nián）位於（yú）美國威爾遜山（shān）天文台的Hooker望遠鏡的口徑為2.5m，是當年全世界最（zuì）大的天文望遠鏡；到1948年被Hale望遠鏡取代（dài），其口徑達到（dào）了5m；1992年新建（jiàn）成的Keck望遠鏡的口徑達到了10m，目前仍在（zài）發揮著巨大的作用（yòng）。目前正在計劃製造的巨大天文望遠鏡OWL主（zhǔ）鏡口徑達到100m，由3048塊六邊形球（qiú）麵反射鏡組成，次（cì）鏡由216塊六邊形平麵反射鏡組成，總重約1~1.5萬t，按照目前現有的加工工藝，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7000多塊400mm見方（fāng）的KDP晶體，如果沒有高（gāo）效超精密加工工藝，加工時間也無（wú）法想象。為此需要不斷開（kāi）發新的超精（jīng）密加（jiā）工設備和超（chāo）精密加工（gōng）工藝來滿足高效超精密加工的需求。
5 超精密加工技術將向（xiàng）極致方向發展
隨著科技的進步，對超精密加工技術已經提出了（le）新的要求，如要求極大零件的極高精度、極小（xiǎo）零件及特征的（de）極高精（jīng）度、極複雜環境下的極高精度（dù）、極複雜結（jié）構的（de）極高精（jīng）度等。
歐洲南方天文台正在研製的超大天（tiān）文望遠鏡VLT反射鏡為一塊直徑（jìng）8.2m、厚200mm的零膨脹（zhàng）玻璃，經過減重後重量仍（réng）然達到了21t。法國REOSC公司（sī）負責加工，采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝，加工周期為8~9個月，最終滿足了設（shè）計（jì）要求（qiú），目（mù）前許多新（xīn）的超精密（mì）加工（gōng）工藝如應力盤拋光、磁流變拋光、離（lí）子束拋光等出現為大鏡加工提供了技術支撐。前（qián）麵提到（dào）的微納結構功能表麵結構尺寸小（xiǎo）到幾個（gè）微米，如微慣（guàn）性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺寸精度卻要求±1μm。
美國國家標準計量局研製的納米三坐標測量機（分子測量機）是實現如何在極複雜環境（jìng）下的極高精度（dù）測量的典型例子，該儀器測量範圍50mm×50mm×100μm，精度達到了1nm，對環境要求及其嚴格，最內層殼溫（wēn）度控製（zhì）17±0.01℃，次層殼采用主動隔振（zhèn），高（gāo）真空層工作環境保持1.0×10-5Pa，最（zuì）外（wài）層殼用於噪聲（shēng）隔離，最後將整體結構安裝在空氣彈簧上進行被動（dòng）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示（如（rú）賦值曲（qǔ）麵），但由於其具有卓越的光學（xué）性能（néng）近（jìn）年來應用範圍不斷擴大，但自由曲麵光學零件的設計、製造及檢（jiǎn）測等技術還有待於進一（yī）步發展。
6 超精密加工技術將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或（huò）者（zhě）某幾個工序中，但目前一些領域中某些零部（bù）件整個製造過程或整個產品的研製過程都要用到超精密技術，包括超精密加工（gōng）加工、超精密裝配調試以及超精（jīng）密檢測等，最典型的例子就是美國的美國國家點火裝（zhuāng）置（NIF）。
為（wéi）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（yòng）氘、氚的聚變（biàn）反應產生巨大能源可供利用，而且（qiě）不產生任（rèn）何（hé）放射性汙染，這就是美（měi）國國家點火工程。我（wǒ）國也開始了這方麵的研究，被稱為神光工程（chéng）。NIF整個係統約有2個（gè）足球場大小，共有192束強激光進入直徑（jìng）10m的靶室，最終將能量集（jí）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），精度和表麵粗糙度極高（gāo）（否（fǒu）則強激光（guāng）會燒（shāo）毀鏡片），傳輸路徑（jìng）調試安裝精度（dù）要求極（jí）高（gāo），工作環境控製要求極高。對於直徑為2mm的靶丸，壁（bì）厚僅為160μm，其中充氣小孔的直徑為（wéi）5μm，帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的（de）加工困難在於其深（shēn）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，或采用原（yuán）子力顯微鏡進行超精密加工。係（xì）統各路激光（guāng）的空（kōng）間幾何位置對（duì）稱性誤差要求小於1%、激光到達表麵時間一致性誤差小於30fs、激（jī）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組成的零部件加工（gōng）及裝（zhuāng）配調試過程時刻都體現了超精密製造技術。場複雜耦合下的作用機理是什麽、此時係統的動態（tài）特性（xìng）、動態精度及穩定性如何保證等都需要得（dé）到新理論的支持。
