國外超精密加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    超精密加工技術(shù)在航天產(chǎn)品和現(xiàn)代化武器制造中占有非常重要的地位，以對提高導(dǎo)彈命中精度至關(guān)重要的慣性儀表為例，如果1kg重的陀螺轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心偏離其對稱軸0.5nm，就會(huì)引起100m射程誤差和50m軌道誤差；人造衛(wèi)星的儀表軸承為真空無潤滑軸承，其圓度和圓柱度、表面粗糙度均以nm計(jì)。

    因此近十幾年來世界各國都十分重視超精密加工技術(shù)的研究和開發(fā)，美國最早成立了Nano研究中心，英國制訂了NION(National Initiative on Nanotechnology)計(jì)劃，日本制訂了ERATO(Exploratory Research for Advanced Technology)規(guī)劃等。美國率先發(fā)展超精密加工技術(shù)，80年代后期，美國通過能源部"激光核聚變項(xiàng)目"和陸海空三軍"先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計(jì)劃"，對超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實(shí)現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。如美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制出一臺(tái)大型光學(xué)金剛石車床(Large Optics Diamond Turning Machine，LODTM)，是一臺(tái)最大加工直徑為1.63m的立式車床，定位精度可達(dá)28nm。借助在線誤差補(bǔ)償能力，它已實(shí)現(xiàn)了距離超過1m而直線度誤差只有±25nm的加工。日本超精密加工技術(shù)水平較高，應(yīng)用對象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視象設(shè)備、精密測量儀器、醫(yī)療器械和人造器官等。

    近年來超精密加工精度正從0.1μm提高到0.01μm，超精密加工機(jī)床中使用的精度最高的主軸是空氣靜壓軸承主軸，實(shí)用的空氣靜壓軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度已可達(dá)到0.03μm，日本的高廣工業(yè)研制出了具有8nm回轉(zhuǎn)精度的空氣靜壓軸承。從精度角度來看，空氣導(dǎo)軌是納米級精度加工機(jī)床的最佳選擇，目前空氣導(dǎo)軌的直線度可達(dá)0.1～0.2μm/250mm的水平，日本東京工業(yè)大學(xué)用壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)補(bǔ)償氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度，可將直線度提高到0.14μm/600mm。超精密加工機(jī)床一般采用C0級滾珠絲杠，利用閉環(huán)控制可達(dá)到0.01μm的定位精度，利用滾珠絲杠的微小彈性變形原理，可以實(shí)現(xiàn)納米分辨率的進(jìn)給。靜壓絲杠在較長行程上也可以達(dá)到納米的定位分辨率，目前靜壓絲杠分辨率可達(dá)到0.01μm，進(jìn)給精度比C0級滾珠絲杠高2個(gè)數(shù)量級，但剛度比較小。摩擦驅(qū)動(dòng)也是一種非常適合超精密加工的傳動(dòng)系統(tǒng)，如英國Rank Tailor Hobson公司開發(fā)的Nanoform 600超精密鏡面加工機(jī)床的進(jìn)給機(jī)械采用此種裝置，在30mm的行程上可獲得1.25nm分辨率，±0.1μm的定位精度。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，一般被用來微進(jìn)給或作補(bǔ)償工具，目前使用最多的是以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)器的基于彈性鉸鏈支撐的微位移機(jī)構(gòu)。美國的光學(xué)金剛石車床(LODTM)上用的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)(FTS)在±1.27μm范圍內(nèi)分辨率達(dá)2.5nm，頻響可達(dá)100Hz，可進(jìn)行主軸回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償(轉(zhuǎn)速在150r/min以下)。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展及微機(jī)械的要求，超精密加工技術(shù)正從亞微米級向納米級發(fā)展 ，超精密測量 技術(shù)、減振和隔微振技術(shù)、潔凈技術(shù)、環(huán)境溫度控制技術(shù)等也在快速同步發(fā)展。