超精密加工技术在新形势下面临的任务

恨天离 · 发表于 2011-6-11 11:39:15

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超精密加工技术在新形势下面临的任务
来源：机械专家网发布时间：2011-02-15 佳工机电网
超精密加工技术是适应现代高技术需要而发展起来的先进制造技术，它综合应用了机械技术发展的新成果以及现代电子、传感技术、光学和计算机等高新技术，是高科技领域中的基础技术，在国防科学技术现代化和国民经济建设中发挥着至关重要的作用，同时作为现代高科技的基础技术和重要组成部分，它推动着半导体技术、光电技术、材料科学等多门技术的发展进步。超精密加工技术已成为国防工业研制现代化武器装备的关键技术，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。
1 从现代几次战争的特点认识超精密加工技术的重要性
从上个世纪九十年代开始的几次局部战争中，包括第一次海湾战争（1992年）、科索沃战争（1996年）、阿富汗战争（1999年）以及刚刚结束的第二次海湾战争（2003年），世界各国已经越来越清楚地认识到高科技对战争进程及最终结果的影响。如果说过去的战争主要靠“数量”和“速度”的话，现在高科技、智能化武器则起了决定作用。高技术、智能化武器具有高能效、高精度等特点，武器的高精度必然要求其元部件的高精度，从而必须具备高精度的制造技术才能生产出来。美国及其盟国正是由于多年来大力发展包括超精密加工技术在内的先进制造技术，突破了制造技术中的许多关键使其发展到实用阶段，才具备了生产精确制导、夜视设备等高技术武器的能力。
1.1 精确制导武器的大量使用和超视距攻击能力的提高
刚刚结束的第二次海湾战争与第一次海湾战争、科索沃以及阿富汗战争相比，使用精确制导炸弹的比例已经从6.8％、34％、66％上升到这次的接近100％，制导方式也由惯性制导（INS）向激光制导、数字景像匹配末端制导以及全球卫星定位系统（GPS）制导方式发展，其中应用最广的激光制导中所用的许多激光元件如激光反射镜、激光陀螺腔体、非球面透镜等都要求非常高的精度和表面质量，这些元件将直接影响到制导精度。激光反射镜的高精度高反射率的平面、数字景像匹配末端制导需用的红外探测及接受、红外成像（碲镉汞）等要求的高表面质量平面，只能通过超精密研磨才能进行高质量批量生产，而非球面反射镜和透镜可利用CNC超精密车削、磨削及抛光制成。
机载雷达是空中超视距攻击的关键，其中微波器件波导管的制造技术对雷达性能有重要影响，波导管的品质因素与其表面粗糙度、精度有关，用超精密车削技术可以较容易地保证要求，从而最终保证雷达的性能。
1.2 夜战能力的提高
夜战是未来战争空袭的主要手段，它可以使许多不受电子干扰而使用光学瞄准系统的常规武器失效，从而减小攻击方的伤亡。夜战中可利用前视红外探测器、激光测距器、微光夜视以及光栅电视等清楚的看到地面成像。夜视设备的使用包含直升机、装夹车辆、导弹、人员等。由于沙漠气候炎热，为了便于晚间作战，这次海湾战争中美国为每个士兵都配备了高清晰度的夜视设备，而且与前几次战争相比重量大大减轻（400G），可以直接固定在头盔上，从而提高了士兵作战的灵活性。上述装置中，红外成像是关键技术，其中关键元件碲镉汞晶体要求很高的表面质量（低粗糙度、无划痕、无变质层），需要用特殊的超精密研磨（如非接触研磨、机械化学研磨等）加工。夜视设备中同样用到了非球面曲面光学元部件。
1.3 电子对抗技术的进步
第二次海湾战争美军大量使用了电子干扰和反辐射导弹压制了伊军的通讯与雷达，使伊军彻底失去了指挥、预警等能力，由于各地驻军失去了与指挥部的联系，只能各自为战，所以美军的进展异常顺利。电子对抗中本方的电子装备必须具有极好的抗干扰能力与快速反应能力，利用砷化镓半导体制成的大规模集成电路与传统的半导体硅相比，具有速度快、工作可靠、抗辐射能力强等特点。砷化镓半导体器件的制造需要一整套超精密磨削、研磨、抛光工艺以及刻划等外延设备。此外，美国军用大规模集成电路的刻划必须要有一整套超精密加工及微细加工设备。
1.4 军用卫星系统的发展
现代战争已经不能离开各种卫星，如侦查用间谍卫星、GPS用的卫星网等。目前世界上正在运行的卫星导航定位系统有美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的G23N4SS，二者都提供军码和民码两种信号，主要用于战机及作战部队的导航定位、精确制导以及救援服务等用途，与第一次海湾战争相比，GPS制导占精确制导的比例已由10％提高到这次海湾战争的90％，而且与激光制导相比，GPS制导具有精度更高，不受气候条件等外界因素干扰等优点。但美、俄目前GPS开放的仅仅是民码，如果不尽快发展本国的卫星导航定位系统，势必在未来战争中受制于人，处于被动挨打的局面，我国近年来也开始研制导航定位卫星正是在努力改变这种局面。
卫星上的姿态控制极为重要，必须有超精密的真空无润滑轴承，其孔轴几何精度为毫微米级，表面粗糙度为纳米级，必须用超精密磨削与研磨才能达到。此外对于侦查用的间谍卫星，必须装备先进的光学望远系统、高分辨率电视摄像系统、高灵敏度红外成像系统等，这其中高精度非球面透镜、高分辨率电视中的光栅、红外成像的碲镉汞半导体元件等都必须用超精密加工技术才能制造出来。GPS系统中也要求具有抗干扰、反应快等特点，同样也离不开砷化镓半导体制成的大规模集成电路。
1.5 军用微型武器系统是未来的发展趋势
微小型武器是20世纪90年代美国等先进工业国家开始发展的新概念武器，它不但在基础理论、设计、制造与计量测试技术等方面是革命性创新，而且对21世纪战争的模式将会带来变革性的影响。基于微米、纳米、微机电系统技术发展起来的微小型武器技术的内涵是：根据微小型武器特殊功能和特性，应用微机电系统（MEMS）、计算机、感知、控制等先进技术，通过软、硬件接口，综合集成为微小型武器系统的光机电一体化技术。
微小型武器的种类主要包括微型飞行器、微小型水下无人潜器、微小型军用机器人技术、微小型侦察传感器系统。微小型武器具有以下重大作用：微小型无人武器由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争。
由于微小型武器系统的发展，许多非硅材料以及其他结构材料的应用，只靠传统的（光刻掩模、电铸、LIGA等）MEMS加工工艺已经无法满足要求，而普通精密加工又无法满足尺度及精度的要求，所以可以利用超精密加工技术的特点，对一些非硅结构材料进行加工，满足使用要求。
2 超精密加工技术的发展思路及面临的任务
2.1 超精密加工技术的发展思路
对于超精密加工技术来说，最大的需求就是国防军事工业。我国的超精密加工技术与国外，特别是美、俄等发达国家相比，落后较多，面临的最大任务是根据目前的需求如何在较短的时间内尽快提高超精密加工技术（包括设备及工艺）的水平，使之能够适应应用要求。主要包括以下几个方面：
重视超精密加工工艺和特种超精密加工设备的研究
美国、俄罗斯在超精密加工技术的研究上发展思路完全不同。美国充分利用其科技优势，研制了一系列先进的超精密加工设备和超精密检测仪器，利用这些先进的设备加工出高精度的零件。而俄罗斯则很少有非常先进的超精密加工设备，但是同样能够加工出所需的高精度零件，原因在于它掌握着先进的工艺。例如从有关资料分析俄罗斯研磨机的性能指标并不先进，甚至不如国内某些实验室设备，但是他们有自己独特的工装夹具以及研磨工艺，最终加工零件的精度及其稳定性却优于国内。所以根据我国的国情，盲目地靠引进先进设备和仪器只能受制于人，况且许多超精密加工设备仪器禁运。而在一定时期内要靠自行研制所有超精密加工设备和仪器也不现实，所以应该走俄罗斯的路子，即重视超精密加工工艺的研究。
国内目前还有进口了先进设备，却由于工艺不过关无法加工出合格的产品的例子，如NANOFORM250非球面超精密加工设备国内引进了有多台，但只有某家研究所由于有以前的工艺经验而使用效率以及使用效果较好。
对于一些特殊要求零件的加工，可以在现有成熟的超精密元部件如超精密主轴、高精度导轨等基础上，并利用模块化技术，研制一些特种超精密加工设备，这样既能缩短研制周期，又能降低研制成本。
注重降低超精密加工技术研究成本，扩展超精密加工技术的应用范围
由于超精密加工技术的研究需要洁净的环境、严格的温度控制、昂贵的加工设备及检测设备，这一切都需要高投入，这在一定程度上限制了其研究和应用。可以通过各种途径，例如应用模块化技术降低超精密加工设备研制成本，采用局部小环境控制技术降低对整体环境的控制成本等。在此基础上，可以将先进的超精密加工技术应用于某些民用行业，取得较好的经济效益。
在国防预研的基础上，加强应用性以及可靠性、快速响应性的研究
我国在八五、九五期间，在国防预研上取得了一些具有先进水平的成果，但是目前这些成果还局限于实验室，离实际工程应用还有一定距离，或者说其加工效率以及稳定性还有待提高。所以在继续重视先进技术预研的同时，更重要的是加强成果的应用，使之能够及时服务于先进武器装备系统和其它民用行业。
需求为牵引，强强联合
由于超精密加工技术的研究是一项需要高投入的项目，所以国内各单位不能各自为战，应当充分发挥国家重点实验室的龙头作用，联合行业内的人力、物力努力提高我国的超精密加工水平。此外在现阶段，根据我国的实际情况，进行超精密加工技术的研究应该强调以需求为牵引，这样可以争取更大的投资，也才可能更快地取得成果，直接应用于武器型号任务。
2.2 超精密加工技术目前面临的研究任务
超精密加工设备及工艺的研究
经过多年的努力，国内超精密加工设备的研制已经初具规模，包括非球面曲面复合加工系统在内的许多设备的指标已经达到或接近世界先进水平，但是从设备的可靠性、可操作性等方面来看还有一定的差距，如何更好地发挥设备的作用，需要进一步的人力、物力投入。例如，本实验室的NANOSYS－300非球面曲面复合加工设备2003年5月交付用户后，一直在生产一线服务，已经加工了多批型号任务零件，从加工精度等方面来说完全能满足用户要求，但是从其他方面，例如可操作性、可靠性等方面还有许多改善余地。所以应加强超精密加工技术可靠性、实用性技术的研究。
随着科技的发展，将有更多先进的新型功能材料及结构材料得到应用，包括新型高强度、高硬度材料、智能材料、新型半导体材料等，首先要解决的是其加工问题。例如在卫星相机上用的SIC增强复合材料的加工工艺的研究，红外材料诸如锗、单晶硅、氟化钙玻璃的超精密车削工艺研究，KDP晶体（激光核聚变）飞切加工工艺的研究等。
复杂曲面超精密加工及检测技术研究
非球面零件的应用十分广泛，它可以减轻光学系统重量，提高成像质量，提高系统的可靠性。特别是非轴对成非球面曲面的应用，更是将整个系统的性能大大提升，目前国内还不能加工此类曲面。
大中型非球面曲面超精密加工设备及工艺研究
目前国外对于非球面的加工设备已经部分解禁，如NANOFORM250国内已经进口了几台，但是对于加工口径在300MM以上的非球面加工设备严格禁运，但是这部分零件数量在某些行业占有相当大的比例，所以尽快研制中大型非球面曲面超精密加工设备已经成为当务之急。包括实验室在内的国内几家单位对非球面曲面超精密加工设备及加工工艺的研究已经有了一定的技术积累，应在此基础上联合力量集中攻关。
非轴对称光学曲面加工设备的研制（五轴CNC超精密加工中心）
非轴对称光学曲面的性能比轴对称非球面曲面更加优越，目前只有美国、俄罗斯能够加工此类产品。国内虽有不少大专院校进行了非轴对称光学曲面各种加工工艺的研究，如用数控抛光、超精密车削等方法，但是还不能真正加工出产品。所以国内应加紧研制五轴CNC超精密加工中心，并在此基础上进行非轴对称光学曲面加工工艺的研究。
非球面曲面超精密检测技术研究
非球面检测技术是光学非球面加工首先要解决的关键问题，特别是针对我国的国情，至少在目前还只能靠人工辅助研磨加工光学非球面，测量问题显得更为突出。只有准确、快速测量出加工过程中零件的误差，工人才有可能相应研磨从而获得高精度的非球面光学零件。相对于非球面加工技术来说，其测量技术与国外相比落后更多。光学非球面检测技术应当具备能在镜面加工过程中迅速判断面型误差状况，随机反馈给出进一步修正指令，又要解决零件的终了检验。
目前非球面面型测量应用最多的方法是光波的干涉测量法，具有较高的测量精度和较好的空间分辨率。它可以快速进行整个表面的测量，最高分辨率可达到亚纳米级。但是对于不同的光学非球面，必须准备相应的光学模板才能进行测量，这套测量系统通常结构非常复杂。
利用全息干涉法可以测量非球面，但是无论是采用标准非球面还是采用计算机生成（CGH）都必须制作一张全息片，而且对于不同方程的非球面就必须有相应的全息片。但是直到目前为止国内制作全息片的工艺还只局限于一些传统的工艺，对于非球面超精密测量所需的全息片基本上依赖于进口，这极大地限制了光学非球面零件的测试及加工。目前进口一张非球面超精密测量用的全息片大约需要一万多美金，而且需要告诉对方非球面的方程，对于型号任务这就牵涉到保密等问题。特别是对于一些预研或在研以及没有定型的项目，由于牵涉到非球面的种类和数量较大，所需经费十分可观，所以自行研制非球面测量用的全息片已经成为当务之急。
国外目前最先进的工艺是采用计算机直接生成测量非球面用全息片（COMPUTERGENERATEDHOLOGRAM）并采用激光直接刻划技术（LASERWRITINGSYSTEM）制作全息片，不仅大大降低了制作成本，而且还缩短了制作周期。最典型的样机德国斯图加特大学研制的LASERPLOTTERCLWS300激光刻划系统，激光记录点直径为0.5μM，径向坐标定位精度为0.08μM（RMS），角方向定位精度为0.1S"（RMS）。
高精度激光刻划系统主要包括以下几个方面：
光学部分：包括激光器、声光调制器、自动聚焦系统以及光路总体设计及布置等；
机械部分：高精度空气轴承、高精度运动导轨、隔振平台等；
电控部分：高精度机械系统的运动及定位控制，激光器、调制器以及自动聚焦的控制，同时包括机械、光学系统的协调控制；
软件部分：机械、光学系统的控制软件、计算机生成非球面测量用全息片的软件。
非硅材料三维微小型零件超精密加工技术的研究
MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。
但是构成这些微型机械的零件是各种各样而纷繁复杂的，要想使微型机械性能真正地过关并达到实用的程度，必须要尽快地提高微型机械零件的制造工艺与设备的水平。目前微型机械零件的制造工艺最为成熟的技术就是光刻，许多经典的微型机械零件制造的成果，基本上都是采用光刻或电铸技术完成的。然而这些成熟的工艺方法所加工的微型机械零件只能是二维的（或准三维），而实际真正的三维形状零件用光刻技术是完成不了的。在微型机械中，存在着许多三维的微小零件，如微型模具、直径为70μM的微小螺纹、微型齿条、直径为50μM的销子、各段直径分别为200μM、100μM、50μM的阶梯轴、外径为300μM的旋转抛物面等，这些典型的三维微小零件的加工，不仅用光刻、三束加工等工艺方法实现不了，用传统的机械制造系统也是不可能实现的。因此，必须针对三维微小机器的特点，开发和研制微型制造系统，在这种新概念制造系统中实现微小机器零件的加工、检测和装配。由微小型设备组成的制造微小型机器的系统称为微型制造系统，其中技术难题包括微小型机器零件的加工、检测和装配等，关于这方面的研究工作主要集中在日本和美国。日本在这方面首先提出了微型桌面工厂的概念。
但是加工微机械零件不一定非要用微型加工机床，例如加工仪表零件机床的特点并不是其体积有多小，而是与普通机床相比精度较高。所以微机械零件的机械加工设备的最关键指标是机床的精度，况且一味地追求减小机床体积只能加大成本。超精密加工技术由于其加工精度高、切削力小等特点，特别适合进行微机械零件的加工，这也将为微机械零件的加工开辟了一条新的途径。
超精密加工技术的最大的需求是先进的武器装备系统，军事需求直接推动着超精密加工技术的发展。针对我国目前超精密加工技术领域的发展状况，应根据国情加大对超精密加工工艺以及特种超精密加工设备的研究，并力图降低超精密加工技术的成本，拓宽超精密加工技术的应用领域。
文章关键词：精密加工、机床、机械制造、零件、材料
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