國外超精密加工技術發展現狀

    超精密加工技術在航天產品和現代化武器制造中占有非常重要的地位，以對提高導彈命中精度至關重要的慣性儀表為例，如果1kg重的陀螺轉子的質量中心偏離其對稱軸0.5nm，就會引起100m射程誤差和50m軌道誤差；人造衛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。

    因此近十幾年來世界各國都十分重視超精密加工技術的研究和開發，美國最早成立了Nano研究中心，英國制訂了NION(National Initiative on Nanotechnology)計劃，日本制訂了ERATO(Exploratory Research for Advanced Technology)規劃等。美國率先發展超精密加工技術，80年代后期，美國通過能源部"激光核聚變項目"和陸海空三軍"先進制造技術開發計劃"，對超精密金剛石切削機床的開發研究，投入了巨額資金和大量人力，實現了大型零件的微英寸超精密加工。如美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室已經研制出一臺大型光學金剛石車床(Large Optics Diamond Turning Machine，LODTM)，是一臺最大加工直徑為1.63m的立式車床，定位精度可達28nm。借助在線誤差補償能力，它已實現了距離超過1m而直線度誤差只有±25nm的加工。日本超精密加工技術水平較高，應用對象大部分是民用產品，包括辦公自動化設備、視象設備、精密測量儀器、醫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，超精密加工機床中使用的精度最高的主軸是空氣靜壓軸承主軸，實用的空氣靜壓軸承主軸的回轉精度已可達到0.03μm，日本的高廣工業研制出了具有8nm回轉精度的空氣靜壓軸承。從精度角度來看，空氣導軌是納米級精度加工機床的最佳選擇，目前空氣導軌的直線度可達0.1～0.2μm/250mm的水平，日本東京工業大學用壓電陶瓷微進給機構補償氣浮導軌運動直線度，可將直線度提高到0.14μm/600mm。超精密加工機床一般采用C0級滾珠絲杠，利用閉環控制可達到0.01μm的定位精度，利用滾珠絲杠的微小彈性變形原理，可以實現納米分辨率的進給。靜壓絲杠在較長行程上也可以達到納米的定位分辨率，目前靜壓絲杠分辨率可達到0.01μm，進給精度比C0級滾珠絲杠高2個數量級，但剛度比較小。摩擦驅動也是一種非常適合超精密加工的傳動系統，如英國Rank Tailor Hobson公司開發的Nanoform 600超精密鏡面加工機床的進給機械采用此種裝置，在30mm的行程上可獲得1.25nm分辨率，±0.1μm的定位精度。微進給機構在超精密加工領域獲得廣泛應用，一般被用來微進給或作補償工具，目前使用最多的是以壓電陶瓷為驅動器的基于彈性鉸鏈支撐的微位移機構。美國的光學金剛石車床(LODTM)上用的快速刀具伺服機構(FTS)在±1.27μm范圍內分辨率達2.5nm，頻響可達100Hz，可進行主軸回轉誤差的補償(轉速在150r/min以下)。隨著超大規模集成電路的發展及微機械的要求，超精密加工技術正從亞微米級向納米級發展 ，超精密測量 技術、減振和隔微振技術、潔凈技術、環境溫度控制技術等也在快速同步發展。