超精密加工与纳米加工技术

当今世界机械制造技术的发展方向可以归结为以下四个方面：
1．适应发展现代高、精、尖军品和民品生产的需求，发展精密与超精密加工技术，发展纳米加工技术和微机电系统制造技术；
2．以提高生产效率和加工质量为主要目标，发展多品种、中小批量生产机械制造自动化技术；
3．适应市场快速多变的需求，发展快速响应制造技术；
4．适应建设资源节约型社会发展循环经济的需求，发展以绿色制造为主要内容的可持续发展技术。
机械制造技术新发展的具体内容很多，限于教材篇幅，此处不能一一介绍。根据当代机械制造技术的发展趋势，结合我国国情，本章将扼要介绍超精密加工与纳米加工技术，机械制造自动化技术、快速响应制造技术和绿色制造技术等四个方面的内容。
通过本章的学习，深刻理解当代机械制造技术的发展方向；深刻理解发展超精密加工和纳米加工技术的重要意义；学习掌握超精密加工与纳米级加工的基本原理、工艺特征及其应用范围；熟悉了解大批量生产自动化和多品种、中小批量生产自动化的工艺特征及其应用范围；熟悉了解FMC、FMS、FML的工艺特征及其应用范围；深刻理解发展快速响应制造技术的重要意义；熟悉了解加速新产品研制进程的途径和方法；熟悉了解利用互联网、局域网快速重组制造资源的方法；深刻理解发展绿色制造技术的重要意义。
普通精度和高精度是个相对概念，两者之间的分界线是随着制造技术水平的发展而变化的。就当前世界工业发达国家制造水平分析，一般工厂已能稳定掌握3 （我国为5 ）制造公差的加工技术，制造公差大于此值的加工称为普通精度加工，制造公差低于此值的加工称为高精度加工。在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，还可以进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。制造公差为3.0~0.3 、表面粗糙度Ra为0.30~0.03 的加工称为精密加工；制造公差为0.30~0.03 、表面粗糙度Ra为0.03~0.005 的加工称为超精密加工；制造公差小于0.03 、表面粗糙度Ra小于0.005 的加工称为纳米加工。
发展超精密加工与纳米加工技术是21世纪机械制造技术最为重要的发展方向之一。不掌握超精密加工与纳米加工技术，许多高新技术就上不去，许多尖端军品、民品就制造不出来，存储容量为1Gb的超特大规模集成电路芯片只有在刻线宽度小于0.18 时才能问世。超精密加工与纳米加工技术水平的高低是衡量一个国家国力和国威的标志，发展超精密加工与纳米加工技术意义重大。
本文重点讨论超精密加工与纳米加工的基本原理，并简要介绍金刚石超精密切削工艺和超精密磨削 工艺和纳米级加工技术。
一、超精密加工基本原理
1．微量切除原理
一种加工方法所能达到的加工精度等级取决于这种加工方法能够切除的最小极限背吃刀量 ，说天然金刚石切削能达到0.1 级的加工精度，金刚石刀具必须能从加工表面上切除深度小于0.1 材料的能力。道理很简单，如检测结果发现工件尺寸还大了0.1 须切除，如果金刚石刀具根本就没有能力切除这多余的0.1 材料，那么金刚石切削的加工精度就根本达不到0.1 级。依此类推，纳米级加工方法的 必须小于1nm。一种加工方法能切除的 越小，它的加工精度就越高。
影响微量切除能力的主要因素有：
(1)切削工具的刃口锋利程度
（2）机床加工系统的刚度
（3）机床进给系统的分辨力
2．精密切除原理
具有微量切除能力只是实现超精密加工的必备条件，还必须具有能进行精密切除的设备条件和环境条件。实现精密切削总的要求是：由机床加工系统不准确引起的静态误差，连同由于力作用、热作用和外界环境干扰引起的动误差，必须小于超精密加工规定的制造公差要求。影响精密切除 能力的主要因素有：
（1）机床加工系统的几何精度
（2）机床加工系统的静刚度、动刚度和热刚度
（3）加工环境条件

二、金刚石超精密切削
天然单晶金刚石质地坚硬，其硬度高达6000~10000HV，是已知材料中硬度最高的。金刚石刀具具有很高的耐磨性，它的耐用度是硬质合金的50~100倍。
为实现超精密切削，除了有高质量的金刚石刀具外，还应有金刚石超精密机床作支撑。
经多年攻关，我国已能生产主轴回转精度为0.05 、定位精度为0.1 /100mm、数控系统最小输入 量为5nm、主轴最大回转直径为800mm的超精密车床。
用天然金刚石刀具进行超精密切削有许多优点，主要是：1）加工精度高，加工表面质量好，加工表面形状误差可控制在0.1~0.01 范围内，表面粗糙度Ra为0.01~0.001；
2）生产效率高，Cu、Al材料的光学镜面可以通过金刚石超精密车削直接制取；3）加工过程易于实现计算机自动控制；4）它不仅可以加工平面、球面，而且可以很方便地通过数控编程加工非球面和非对称表面。
金刚石超精密切削主要用于加工光学镜面（平面、球面及非球面），感光鼓、磁盘等精密器件，材料多为铜、铝及其合金，也可加工硬脆材料（例如陶瓷、单晶锗、单晶硅等）。
三、超精密磨削
对于铜、铝及其合金等软金属，用金刚石刀具进行超精密切削是十分有效的，但金刚石不能 切钢铁材料，因为切削过程产生的局部高温会使金刚石中的碳原子很容易扩散到铁素体中，造成金刚石的碳化磨损（扩散磨损）。虽然金刚石刀具可以切陶瓷、单晶硅、单晶锗等硬脆材料，但用金刚石刀具微量切削硬质材料时，要克服所切材料原子（或分子）间键合力才能将薄层材料切除，承担切削的刀刃部位所承受的高应力和高温作用会使切削刃产生较大的机械磨损；机床加工系统所承受的力作用和热作用也比切铜、铝及其合金大得多；故用金刚石刀具切硬脆材料工件的加工质量不易达到超精密加工要求，生产效率也不高，刀具消耗亦大。对于上述金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料或不宜加工的硬质材料，超精密磨削则是一种比较理想的超精密加工方法。
超精密磨削与普通磨削相比，其主要特征是：
1）使用超硬磨料
2）所用机床精度高
目前超精密磨削所能达到的水平为：尺寸精度 ±0.25~±5 ；圆度 0.25~0.1 ；圆柱度 25000 : 0.25 ~ 50000 : 1；表面粗糙度 Ra 0.006 ~ 0.01 。
超精密磨削常用于玻璃、陶瓷、硬质合金、硅、锗等硬脆材料零件的超精密加工。
四、纳米级加工技术
纳米技术是一个涉及范围非常广泛的术语，它包括纳米材料、纳米摩擦、纳米电子、纳米光学、纳米生物、纳米机械、纳米加工等，这里只讨论与纳米级加工有关的问题。
纳米级加工的材料去除过程与传统的切削、磨削加工的材料去除过程有原则区别。为加工具有纳米级加工精度的工件，其最小极限切除深度必须小于1nm，而加工材料原子间间距为10-1nm，这表明，在纳米级加工中材料的去除（增加）量是以原子或分子数计量的；纳米级加工是通过切断原子(分子)间结合进行加工的，而这只有在外力对去除材料做功产生的能量密度超过了材料内部原子(分子)间结合能密度（约为105~106J/cm3）才能实现。传统的切削、磨削加工所能产生的能量密度较小，用传统的切削、磨削方法切断工件材料原子(分子)间结合是无能为力的。
纳米级加工方法种类很多，此处仅以扫描隧道显微加工为例，介绍纳米加工原理和方法，并用以展示近年来人们在研究发展纳米级加工方面所达到的水平。