超精密加工是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要手段。精密光學(xué)、機(jī)械、電子系統(tǒng)中所用的先進(jìn)陶瓷或光學(xué)玻璃元件通常需要非常高的形狀精度和表面精度(如 0.1 nm 級(jí)表面粗糙度)及較小的加工變質(zhì)層。掌握超精密加工過程中材料去除規(guī)律和損傷層特性對提高加工的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性十分重要。對超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光技術(shù)進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹各種典型加工方法及其材料去除機(jī)理。從加工精度和加工效率角度對上述幾類超精密加工方法進(jìn)行比較，介紹以實(shí)現(xiàn)高效精密加工為目的的半固著磨粒加工技術(shù)。對超精密加工的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。
超精密加工的研究內(nèi)容，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機(jī)理、被加工材料、超精密加工設(shè)備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測與誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等)和超精密加工工藝等。一直以來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這些內(nèi)容展開了系統(tǒng)的研究。
盡管隨時(shí)代的變化，超精密加工技術(shù)不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同，但促進(jìn)超精密加工發(fā)展的因素在本質(zhì)上是相同的。這些因素可歸結(jié)如下。
(1) 對產(chǎn)品高質(zhì)量的追求。為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發(fā)揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質(zhì)層。按美國微電子技術(shù)協(xié)會(huì)(SIA)提出的技術(shù)要求，下一代計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭要求表面粗糙度 Ra≤0.2 nm，磁盤要求表面劃痕深度 h≤1 nm，表面粗糙度 Ra≤0.1 nm。1983 年 TANIGUCHI 對各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，以此為基礎(chǔ)，BYRNE 等描繪了20世紀(jì)40年代后加工精度的發(fā)展，如圖 1 所示。圖 2 顯示了 2003 年時(shí)各種加工方法可獲得的加工精度。其中微細(xì)加工可實(shí)現(xiàn)特征尺寸為 1 μm、表面粗糙度趨于 5 nm 的加工。
(2) 對產(chǎn)品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。圖 3 描述了各時(shí)期汽車上 ABS 系統(tǒng)的質(zhì)量變化。從 1989～2001 年，從 6.2 kg 降低到 1.8 kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質(zhì)量及其完整性越來越重要。
(3) 對產(chǎn)品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運(yùn)動(dòng)的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。目前，高速高精密軸承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度要求達(dá)到數(shù)納米。加工變質(zhì)層的化學(xué)性質(zhì)活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發(fā)，要求加工產(chǎn)生的變質(zhì)層盡量小。
(4) 對產(chǎn)品高性能的追求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的提高，有利于減緩力學(xué)性能的波動(dòng)、降低振動(dòng)和噪聲。對內(nèi)燃機(jī)等要求高密封性的機(jī)械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰(zhàn)后，航空航天工業(yè)要求部分零件在高溫環(huán)境下工作，因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。
2 超精密加工材料
為滿足高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性等品質(zhì)需求，眾多金屬及其合金、陶瓷材料、光學(xué)玻璃等需要經(jīng)過超精密加工達(dá)到特定的形狀、精度和表面完整性。
3 超精密加工技術(shù)
3.1 超精密切削
超精密切削以 SPDT 技術(shù)開始，該技術(shù)以空氣軸承主軸、氣動(dòng)滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級(jí)表面粗糙度。所用刀具為大塊金剛石單晶，刀具刃口半徑極小(約 20 nm)。最先用于銅的平面和非球面光學(xué)元件的加工。隨后，加工材料拓展至有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料等。超精密切削技術(shù)也由單點(diǎn)金剛石切削拓展至多點(diǎn)金剛石銑削。
由于金剛石刀具在切削鋼材時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，因此有些研究嘗試使用單晶 CBN、超細(xì)晶粒硬金屬、陶瓷刀具來改善此問題，但研究成果仍未達(dá)到可商業(yè)化的階段。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術(shù)來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時(shí)的磨耗。此外，MEMS 組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達(dá) 50～100 μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級(jí)，刀具直徑必須再縮小。其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。綜合而言，刀具材料與微細(xì)刀具制作問題將是超精密加工未來的一個(gè)重要研究課題。
3.2 超精密磨削
超精密加工發(fā)展初期，磨削這種加工方法是被忽略的，因?yàn)樯拜喼心チＧ邢魅懈叨妊貜较蚍植嫉碾S機(jī)性和磨損的不規(guī)則性限制了磨削加工精度的提高。隨著超硬磨料砂輪及砂輪修整技術(shù)的發(fā)展，超精密磨削技術(shù)逐漸成形并迅速發(fā)展。
(1) 超硬磨料砂輪。超硬磨料砂輪是指由金剛石或 CBN 磨料制成的砂輪。金剛石砂輪適于磨削硬、脆有色金屬和硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、陶瓷、寶石等高硬度、高脆性的非金屬材料，CBN砂輪適于磨削淬硬鋼、耐熱合金和高硬度、高韌性的金屬材料，兩者相互補(bǔ)充幾乎涵蓋了所有被加工材料。超硬磨料砂輪的種類和特性如表 4所示。
金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪硬度高、強(qiáng)度大、保形能力強(qiáng)、耐磨性好，往往為精密和超精密磨削、成形磨削所采用。多層金屬結(jié)合劑超硬砂輪在實(shí)際使用過程中遇到的突出問題是磨料把持力低、易脫落；磨粒出刃難、出刃后出露度難以保持；磨料分布隨機(jī)性強(qiáng)。針對磨粒把持力弱的問題，在磨粒表面鍍上活性金屬，通過活性金屬與磨料和結(jié)合劑的化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散作用，提高結(jié)合劑對磨料的把持力，如此誕生了鍍銥砂輪。為解決磨粒出刃難的問題，將孔隙結(jié)構(gòu)引入胚體誕生了多孔金屬結(jié)合劑砂輪。電鍍、高溫釬焊砂輪對上述三個(gè)方面都有改善，這些新型超硬磨料砂輪均出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90 年代。
盡管超硬磨料砂輪的制作研究取得了上述進(jìn)展，但鍍銥砂輪中活性元素主要通過純固態(tài)或半固態(tài)的反應(yīng)與磨粒結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度無法與高溫釺焊砂輪相比。而高溫釺焊砂輪的單層磨料消耗后無后繼磨料補(bǔ)充，盡管其使用壽命已接近多層磨具但畢竟受到限制。多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪雖然具有陶瓷結(jié)合極超硬磨料砂輪易修整的特點(diǎn)，但以犧牲結(jié)合強(qiáng)度為代價(jià)。為此，徐鴻鈞等提出了開發(fā)多層釺焊超硬磨料砂輪的構(gòu)想，將磨粒高把持力、磨粒和孔隙擇優(yōu)排布、磨粒高出露度融為一體。
(2) 超硬磨料砂輪修整技術(shù)。
超硬磨粒砂輪具有優(yōu)良的耐磨損能力，不需經(jīng)常修整，但在初始安裝和使用磨鈍后修整卻比較困難。傳統(tǒng)的修整方法往往通過剪切和擠壓作用去除磨粒達(dá)到修整的目的，修整過程難控制，修整精度低、砂輪損耗大。此外，超精密磨削要求機(jī)床具有很高的精度和剛度，砂輪軸的高速旋轉(zhuǎn)必須使用價(jià)格昂貴的軸承，而某種程度的振動(dòng)總是不可避免的。磨削過程中需要對砂輪不斷地進(jìn)行修整，以保持磨粒的銳利，防止磨屑堵塞砂輪燒傷工件表面，容屑空間及其保持性成為制作超微細(xì)磨粒砂輪的主要難題；另外，磨削過程中，工件與砂輪主要為線接觸方式，加工具有單向性，很難保證加工表面的均勻性；非導(dǎo)磁性工件裝夾困難。這些問題都限制了磨削加工可獲得的表面質(zhì)量。
(3) 珩磨。20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了平面珩磨技術(shù)(或精細(xì)磨削)，該技術(shù)采用類似研磨的運(yùn)動(dòng)方式，珩磨的砂輪速度是傳統(tǒng)磨削砂輪速度的 1/30～1/60。由于采用了面接觸的方式，同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)增多，每個(gè)磨粒的垂直負(fù)荷僅是磨削情況的1/50～1/100，單個(gè)平均切削刃的單位時(shí)間發(fā)熱量是傳統(tǒng)磨削的 1/1 500～1/3 000 左右，所產(chǎn)生的熱變質(zhì)層微小。由于磨粒切削深度小，所產(chǎn)生的加工變質(zhì)層以及殘余應(yīng)力也小。另外，平面珩磨加工中，一次可以同時(shí)對一批工件進(jìn)行加工；作用于磨粒的切削力方向經(jīng)常發(fā)生變化，使磨粒破碎幾率增加、自礪作用顯著。因此，從獲得優(yōu)于磨削加工的表面粗糙度這一點(diǎn)來說，具有比磨削更高的效率，并且對機(jī)床精度要求不高。采用平面珩磨技術(shù)加工先進(jìn)陶瓷材料，目前已可部分替代研磨。應(yīng)用金剛石丸片的平面固著磨料高速研磨就是采用這種原理，且已廣泛應(yīng)用到陶瓷、玻璃、金屬等材料的平面加工中。但仍然利用磨粒強(qiáng)制切削工件表面完成加工，可獲得的表面質(zhì)量受到限制。
3.3 超精密研磨與拋光
研磨、拋光是最古老的加工工藝，也一直都是超精密加工最主要的加工手段。通常，研磨為次終加工工序，將平面度降低至數(shù)微米以下，并去前道工序(通常為磨削)產(chǎn)生的損傷層。拋光是目前主要的終加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的損傷層，獲得光滑、無損傷的加工表面。拋光過程中材料去除量十分微小，約為 5 μm。到目前為止，眾多學(xué)者提出了多種拋光方法，其中應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的是化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical- mechanical polishing，CMP)技術(shù)。
如前所述，超精密切削以高剛度、高精度的設(shè)備為支撐，可獲得納米級(jí)表面粗糙度，具有較高的材料去除率。但同一時(shí)間僅能加工一件工件，故而生產(chǎn)效率可能不及多片加工的磨削或研磨拋光技術(shù)。同樣超精密砂輪磨削也要求高剛度、高精度的設(shè)備，材料去除率高，使用超細(xì)磨粒砂輪甚至可以獲得埃級(jí)表面粗糙度。但超細(xì)磨粒砂輪的制備及其容屑空間的保持等問題尚未成熟。由砂輪磨削發(fā)展而來的平面珩磨技術(shù)采用降低砂輪轉(zhuǎn)速的方法，減少磨削加工的表面損傷，利用工件與砂輪的面接觸形式可以補(bǔ)償因轉(zhuǎn)速降低帶來的磨削效率的損失。對設(shè)備精度要求不高，但與超精密切削、磨削一樣，通過被加工材料的強(qiáng)制性去除方式完成加工，限制了所能獲得的表面質(zhì)量，不可避免地在加工表面留下加工損傷層。相對于超精密磨削、珩磨等固著磨粒加工，利用游離磨粒進(jìn)行加工的超精密研磨拋光技術(shù)，如 CMP、EEM 等，可獲得更高的表面質(zhì)量和更小的加工損傷層。但由于加工過程中磨粒處于游離狀態(tài)，磨粒對工件的作用是非強(qiáng)制性的，材料去除率更低。且加工精度和加工效率對磨粒尺寸差異十分敏感，硬質(zhì)大顆粒的侵入可導(dǎo)致大量工件返修或報(bào)廢，在降低加工精度和加工效率同時(shí)引起生產(chǎn)成本的大幅上升。磁性磨粒加工雖然降低了對硬質(zhì)大顆粒的敏感度，但磁性磨粒復(fù)雜而昂貴的制備過程限制其發(fā)展和應(yīng)用。離子束拋光等不使用磨粒的超精密拋光方法，以原子為單位去除材料，可獲得極高的表面粗糙度，但材料去除率極低，通常僅用于 CMP 等拋光工藝后，使工件表面質(zhì)量和損傷層進(jìn)一步提高。此類技術(shù)通常需要特殊的設(shè)備，要求高精度的檢測技術(shù)和控制技術(shù)，加工成本高。
5 超精密加工的發(fā)展趨勢
(1) 高精度、高效率。高精度與高效率是超精密加工永恒的主題。總的來說，固著磨粒加工不斷追求著游離磨粒的加工精度，而游離磨粒加工不斷追求的是固著磨粒加工的效率。當(dāng)前超精密加技術(shù)如 CMP、EEM 等雖能獲得極高的表面質(zhì)量和表面完整性，但以犧牲加工效率為保證。超精密切削、磨削技術(shù)雖然加工效率高，但無法獲得如 CMP、EEM 的加工精度。探索能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工領(lǐng)域研究人員的目標(biāo)。半固著磨粒加工方法的出現(xiàn)即體現(xiàn)了這一趨勢。另一方面表現(xiàn)為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法的誕生。
(2) 工藝整合化。當(dāng)今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺(tái)設(shè)備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。
(3) 大型化、微型化。為加工航空、航天、宇航等領(lǐng)域需要的大型光電子器件(如大型天體望遠(yuǎn)鏡上的反射鏡)，需要建立大型超精密加工設(shè)備。為加工微型電子機(jī)械、光電信息等領(lǐng)域需要的微型器件(如微型傳感器、微型驅(qū)動(dòng)元件等)，需要微型超精密加工設(shè)備(但這并不是說加工微小型工件一定需要微小型加工設(shè)備)。
(4) 在線檢測。盡管現(xiàn)在超精密加工方法多種多樣，但都尚未發(fā)展成熟。例如，雖然 CMP等加工方法已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但其加工機(jī)理尚未明確。主要原因之一是超精密加工檢測技術(shù)還不完善，特別是在線檢測技術(shù)。從實(shí)際生產(chǎn)角度講，開發(fā)加工精度在線測量技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)率的重要手段。
(5) 智能化。超精密加工中的工藝過程控制策略與控制方法也是目前的研究熱點(diǎn)之一。以智能化設(shè)備降低加工結(jié)果對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴性一直是制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)。加工設(shè)備的智能化程度直接關(guān)系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點(diǎn)在超精密加工中體現(xiàn)更為明顯。目前，即使是臺(tái)灣的部分半導(dǎo)體工廠，生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的操作依然由工人在現(xiàn)場手工完成。
(6) 綠色化。磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環(huán)境造成了極大的負(fù)擔(dān)。我國是磨料、磨具產(chǎn)量及消耗的第一大國，大幅提高磨削加工的綠色化程度已成為當(dāng)務(wù)之急發(fā)達(dá)國家以及我國的臺(tái)灣地區(qū)均對半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家的廢液、廢氣排量及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施嚴(yán)格管制，為此，各國研究人員對CMP 加工產(chǎn)生的廢液、廢氣回收處理展開了研究。綠色化的超精密加工技術(shù)在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時(shí)，提高了自身的生命力。
6 結(jié)論
出于對產(chǎn)品高質(zhì)量、小型化、高可靠性和高性能的追求，超精密加工技術(shù)得以迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為現(xiàn)代制造工業(yè)的重要組成部分，其加工的對象已從軍用品拓展到民用品，并以后者為重心。超精密加工技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了國防、航空航天、光電信息等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也極大地改變了人類的生活方式、改善了人們的生活水平。超精密加工技術(shù)正迎來一個(gè)繁榮的時(shí)代。鑒于軍事、信息等產(chǎn)業(yè)對高精度先進(jìn)陶瓷元件的巨大需求，新的高性能先進(jìn)陶瓷材料不斷涌現(xiàn)，這類材料的超精密加工成為經(jīng)久不衰的研究熱點(diǎn)。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨與拋光技術(shù)已取得長足的進(jìn)展，加工后工件表面精度可達(dá)納米級(jí)或亞納米級(jí)，并且加工方法目趨多樣化?？偟膩碚f，超精密磨削、珩磨等固著磨粒超精密加工技術(shù)正在追求游離磨粒加工技術(shù)的加工精度，而游離磨粒超精密加工技術(shù)正在追求固著磨粒加工的效率。超精密加工技術(shù)正向著適于大批量生產(chǎn)的高效高質(zhì)量、低成本、環(huán)境友好的方向發(fā)展。
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