精密超精密加工技術(shù)的起源從一定意義上可以上溯到原始社會(huì)：當(dāng)原始人類(lèi)學(xué)會(huì)了制作具有一定形狀且鋒利的石器工具時(shí)，可以認(rèn)為出現(xiàn)了最原始的手工研磨加工工藝；到了青銅器時(shí)代后人類(lèi)制作了各類(lèi)表面光滑的銅鏡，這種制作方式就是研磨及拋光工藝。但是到了近代才出現(xiàn)了真正意義上的精密加工，最典型的例子就是精密鏜床的發(fā)明。1769年瓦特取得實(shí)用蒸汽機(jī)專(zhuān)利后，汽缸加工精度的高低就成了蒸汽機(jī)能否提高效率并得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。1774年英國(guó)人威爾金森發(fā)明了炮筒鏜床，可用于加工瓦特蒸汽機(jī)的汽缸體。1776年他又制造了一臺(tái)更為精確的汽缸鏜床，加工直徑為75inch（1inch=2.54cm）的汽缸，誤差還不到一個(gè)硬幣的厚度。加工精度的提高促使了蒸汽機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，從而推動(dòng)了第一次工業(yè)革命的發(fā)展。

20世紀(jì)60年代初期，隨著航天、宇航的發(fā)展，精密超精密加工技術(shù)首先在美國(guó)被提出，并由于得到了政府和軍方的財(cái)政支持而迅速發(fā)展。到了20世紀(jì)70年代，日本也成立了超精密加工技術(shù)委員會(huì)并制定了相應(yīng)發(fā)展規(guī)劃，將該技術(shù)列入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，使得日本在民用光學(xué)、電子及信息產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)處于世界領(lǐng)先地位。

近年來(lái)，美國(guó)開(kāi)始實(shí)施了“微米和納米級(jí)技術(shù)”國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃，國(guó)防部成立了特別委員會(huì)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)研究工作。美國(guó)目前至少有30多家公司研制和生產(chǎn)各類(lèi)超精密加工機(jī)床，如國(guó)家勞倫斯利佛摩爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、摩爾（Moore）公司等在國(guó)際超精密加工技術(shù)領(lǐng)域久負(fù)盛名。同時(shí)利用這些超精密加工設(shè)備進(jìn)行了陶瓷、硬質(zhì)合金、玻璃和塑料等材料不同形狀和種類(lèi)零件的超精密加工，應(yīng)用于航空、航天、半導(dǎo)體、能源、醫(yī)療器械等行業(yè)。日本現(xiàn)有20多家超精密加工機(jī)床研制公司，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)民用產(chǎn)品所需的超精密加工設(shè)備，并成批生產(chǎn)了多品種商品化的超精密加工機(jī)床，日本在相機(jī)、電視、復(fù)印機(jī)、投影儀等民用光學(xué)行業(yè)的快速發(fā)展與超精密加工技術(shù)有著直接的關(guān)系。英國(guó)從60年代起開(kāi)始研究超精密加工技術(shù)，現(xiàn)已成立了國(guó)家納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)，正在執(zhí)行國(guó)家納米技術(shù)研究計(jì)劃，德國(guó)和瑞士也以生產(chǎn)精密加工設(shè)備聞名于世。1992年后，歐洲實(shí)施了一系列的聯(lián)合研究與發(fā)展計(jì)劃，加強(qiáng)和推動(dòng)了精密超精密加工技術(shù)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)真正系統(tǒng)地提出超精密加工技術(shù)的概念是從20世紀(jì)80年代~90年代初，由于航空、航天等軍工行業(yè)的發(fā)展對(duì)零部件的加工精度和表面質(zhì)量都提出了更高的要求，這些軍工行業(yè)投入了資金支持行業(yè)內(nèi)的研究所和高校開(kāi)始進(jìn)行超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)研究。由于當(dāng)時(shí)超精密加工技術(shù)屬于軍用技術(shù)，無(wú)論從設(shè)備還是工藝等方面，國(guó)外都實(shí)施了技術(shù)封鎖，所以國(guó)內(nèi)超精密加工技術(shù)的開(kāi)展基本都是從超精密加工設(shè)備的研究開(kāi)始。由于組成超精密加工設(shè)備的基礎(chǔ)是超精密元部件，包括空氣靜壓主軸及導(dǎo)軌、液體靜壓主軸及導(dǎo)軌等，所以各家單位也正是以超精密基礎(chǔ)元部件及超精密切削加工用的天然金剛石刀具等為突破口，并很快就取得了一些進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空精密機(jī)械研究所等單位陸續(xù)研制了超精密主軸及導(dǎo)軌等元部件，并進(jìn)行了天然金剛石超精密切削刀具刃磨機(jī)理及工藝研究，同時(shí)陸續(xù)搭建了一些結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)單的超精密車(chē)床、超精密鏜床等超精密加工設(shè)備，開(kāi)始進(jìn)行超精密切削工藝實(shí)驗(yàn)。

非球面曲面超精密加工設(shè)備的研制成功是國(guó)內(nèi)超精密加工技術(shù)發(fā)展的里程碑，非球面光學(xué)零件由于具有獨(dú)特的光學(xué)特性在航空、航天、兵器以及民用光學(xué)等行業(yè)開(kāi)始得到應(yīng)用，從而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并提高了產(chǎn)品的性能。當(dāng)時(shí)加工設(shè)備只有美國(guó)、日本及西歐等少數(shù)國(guó)家能夠生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)受到嚴(yán)格限制而且價(jià)格昂貴，國(guó)家從“九五”開(kāi)始投入了人力物力支持研發(fā)超精密加工設(shè)備。到“九五”末期，北京航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京興華機(jī)械廠、國(guó)防科技大學(xué)等單位陸續(xù)研制成功代表當(dāng)時(shí)超精密加工最高技術(shù)水平的非球面超精密切削加工設(shè)備，徹底打破了國(guó)外的技術(shù)封鎖。之后其他各類(lèi)超精密加工設(shè)備，如超精密磨削設(shè)備、小計(jì)算機(jī)數(shù)控磨頭拋光設(shè)備、磁流變拋光設(shè)備、離子束拋光設(shè)備、大口徑非球面超精密加工設(shè)備（如圖1所示）、自由曲面多軸超精密加工設(shè)備、壓印模輥超精密加工設(shè)備等也陸續(xù)研制成功，縮小了超精密加工技術(shù)國(guó)內(nèi)外的差距。同時(shí)由于有了超精密加工設(shè)備的支撐，在超精密加工工藝方面也有了很大進(jìn)展，如ELID超精密鏡面磨削工藝、磁流變拋光工藝、大徑光學(xué)透鏡及反射鏡超精密研拋及測(cè)量工藝、自由曲面的超精密加工及測(cè)量工藝、光學(xué)薄膜模輥超精密加工工藝，超精密加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也從軍工行業(yè)轉(zhuǎn)向了民用行業(yè)。

超精密加工技術(shù)的發(fā)展隨著時(shí)代的進(jìn)步其加工精度也不斷提高，目前已經(jīng)進(jìn)入到納米制造階段。納米級(jí)制造技術(shù)是目前超精密加工技術(shù)的巔峰，其研究需要具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)條件，美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家以及我國(guó)都在進(jìn)行一些研究項(xiàng)目，包括聚焦電子束曝光、原子力顯微鏡納米加工技術(shù)等，這些加工工藝可以實(shí)現(xiàn)分子或原子級(jí)的移動(dòng)，從而可以在硅、砷化鎵等電子材料以及石英、陶瓷、金屬、非金屬材料上加工出納米級(jí)的線條和圖形，最終形成所需的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，為微電子和微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1  精密超精密加工技術(shù)可促進(jìn)現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展

量子力學(xué)和相對(duì)論是近代物理學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的核心，20世紀(jì)30年代已經(jīng)建立，但是其中一些理論還未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中的2個(gè)預(yù)言，即重力場(chǎng)彎曲效應(yīng)和慣性系拖曳效應(yīng)，這些理論在天文學(xué)、空間探測(cè)等方面有著重要的指導(dǎo)意義。例如航天器圍繞地球旋轉(zhuǎn)，在牛頓的宇宙模型中指針會(huì)指向同一方向，而在愛(ài)因斯坦的模型中，由于地球?qū)χ車(chē)鷷r(shí)空的扭曲和拖拽，陀螺儀指針會(huì)傾斜一個(gè)非常小的角度（一年內(nèi)指針僅移動(dòng)6000mas），這就是所謂的重力場(chǎng)彎曲效應(yīng)和慣性系拖曳效應(yīng)，這兩種現(xiàn)象十分微弱，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證是不可想象的。

美國(guó)航空航天局（NASA）為了驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的上述2項(xiàng)預(yù)言從1963年開(kāi)始計(jì)劃，但直到2004年才發(fā)射了一個(gè)利用高精度陀螺儀的測(cè)量裝置——引力探測(cè)器，用于檢測(cè)地球重力對(duì)周?chē)鷷r(shí)空影響。其中陀螺儀的核心部件——石英轉(zhuǎn)子（φ38.1mm）的真球度達(dá)到了7.6nm，若將該轉(zhuǎn)子放大到地球的尺寸，要求地球表面波峰波谷誤差僅為2.4m，如此高的加工精度可以說(shuō)將超精密加工技術(shù)發(fā)揮到了極限，最終陀螺精度達(dá)到了0.001角秒/年。

20世紀(jì)80年代以前，太赫茲（THz）波段（介于微波與紅外之間）的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測(cè)器的限制。隨著80年代一系列新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展，使得太赫茲技術(shù)得以迅速發(fā)展。近年來(lái)由于太赫茲的獨(dú)特性能將給寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，太赫茲基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

太赫茲技術(shù)在航空領(lǐng)域的重要應(yīng)用是太赫茲雷達(dá)可用于隱身飛行器探測(cè)，其中束控元件是太赫茲探測(cè)系統(tǒng)的重要功能部件，其透鏡主要采用硅基遠(yuǎn)紅外透射材料，反射元件面形有拋物面、橢球面、離軸非球面以及賦形曲面等，采用鋁等金屬基材料。我國(guó)正研的主反射元件尺寸已有φ300mm、φ800mm、φ1000mm等，面形精度要求已要求達(dá)微米級(jí)，表面質(zhì)量為鏡面，并且要求零件精度質(zhì)量具有良好的穩(wěn)定性。我國(guó)中期發(fā)展的太赫茲系統(tǒng)擬采用φ4~5m的主鏡，遠(yuǎn)期主鏡直徑將達(dá)30m或更大，太赫茲系統(tǒng)束控主反射元件面形也將采用主動(dòng)控制的拼接式平面、離軸非球面等形狀。基于上述要求，需要大型單點(diǎn)金剛石超精密車(chē)削設(shè)備、復(fù)雜曲面超精密加工工藝技術(shù)、大型復(fù)雜曲面的高精度三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)等支撐。

2  精密超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)

國(guó)家目前非常重視交通、能源、信息、生物醫(yī)藥等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但是目前這些產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有掌握，關(guān)鍵設(shè)備或零部件仍然依賴(lài)進(jìn)口。如高性能軸承是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、高鐵、風(fēng)電等產(chǎn)品的關(guān)鍵，但由于目前國(guó)內(nèi)材料、工藝等方面的原因，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，其他一些承受高頻載荷的部件同樣面臨這些問(wèn)題。近年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究的抗疲勞制造技術(shù)則是以被加工件的抗疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命為判據(jù)，其中的核心技術(shù)之一是精密超精密加工工藝，可提高表面質(zhì)量、改善表面應(yīng)力狀態(tài)，從而提高零件的疲勞壽命，這不僅要求具有超精密加工設(shè)備及工藝，而且還需研制材料及零部件的疲勞壽命精密測(cè)試設(shè)備（如圖2所示）。

新能源產(chǎn)業(yè)（如太陽(yáng)能）國(guó)內(nèi)雖然發(fā)展很快，但核心技術(shù)還是掌握在國(guó)外，如硅片切割、研磨、拋光、刻劃設(shè)備，高倍聚光菲涅爾透鏡模具超精密加工設(shè)備等與國(guó)外還存在較大差距。信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了芯片、存儲(chǔ)等發(fā)展，隨著存儲(chǔ)密度越來(lái)越大，對(duì)磁盤(pán)的表面粗糙度以及相應(yīng)的讀寫(xiě)設(shè)備的懸浮高度及磁頭的上下跳動(dòng)量的要求大大提高，目前國(guó)外已經(jīng)可以把磁頭、磁盤(pán)的相對(duì)間隙最高控制在1nm左右。在醫(yī)療器械行業(yè)，超精密加工技術(shù)也起著很大的作用，人造關(guān)節(jié)采用鈦合金或其他貴金屬材料，這些高精度零件的表面處理對(duì)清潔度、光整度和表面粗糙度具有極高要求，需要進(jìn)行超精密研拋，形狀要根據(jù)個(gè)人的身體結(jié)構(gòu)定制，國(guó)外價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)無(wú)論從使用壽命和安全性等方面存在較大差距。其他如微型內(nèi)窺鏡中的微小透鏡及器件、心臟搭橋及血管擴(kuò)張器、醫(yī)用微注射頭陣列等國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還無(wú)法生產(chǎn)。

3  精密超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要技術(shù)支撐

超精密加工技術(shù)對(duì)國(guó)防武器裝備的發(fā)展具有重大影響，掌握超精密加工技術(shù)并具備相應(yīng)的生產(chǎn)能力是國(guó)防工業(yè)涉入現(xiàn)代國(guó)防科技和武器裝備尖端技術(shù)領(lǐng)域的必要手段， 20世紀(jì)90年代初，美國(guó)就將其列為21項(xiàng)美國(guó)國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)之一。

超精密加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等慣性器件的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。美國(guó)1962年就研制成功了激光陀螺，但因未突破硬脆材料的陀螺腔體和反射鏡的超精密加工技術(shù)，使激光陀螺在飛機(jī)上的應(yīng)用整整延遲了20年，超精密車(chē)削、磨削、研磨以及離子束拋光等工藝的相繼突破才使激光陀螺投入了批生產(chǎn)，并將陀螺性能指標(biāo)提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。半球諧振陀螺儀中半球諧振子采用超精密振動(dòng)切削工藝達(dá)到了精度和性能指標(biāo)。激光加工和離子刻蝕等超精密加工技術(shù)是制造硅微型慣性傳感器的重要工藝，這將對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈慣性系統(tǒng)的小型化起重要作用。采用超精密銑削工藝及超精密研拋工藝提高了慣性傳感器中撓性件的精度和尺寸穩(wěn)定性。此外，飛控系統(tǒng)中的液壓零件采用超精密磨削及研磨拋光、超精密清洗工藝，對(duì)提高飛機(jī)的可靠性、可維修性和壽命起到了至關(guān)重要的作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴零件（如旋流槽、微小孔等特征）的精密加工與檢測(cè)技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面及進(jìn)排氣邊的精密加工與檢測(cè)技術(shù)、整體葉盤(pán)的精密加工與檢測(cè)技術(shù)等發(fā)展為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的加工與檢測(cè)提供了可靠保證，促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件專(zhuān)用五軸非接觸掃描精密測(cè)量機(jī)。

超精密加工技術(shù)使導(dǎo)彈關(guān)鍵元器件的精度和質(zhì)量產(chǎn)生了飛躍，進(jìn)而大大提高了導(dǎo)彈的命中率。例如導(dǎo)彈頭罩形狀由球形向適應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜形狀發(fā)展，材料由紅外材料向藍(lán)寶石乃至金剛石發(fā)展，這也對(duì)超精密加工設(shè)備和超精密加工工藝提出了新的要求。

1  超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步不斷發(fā)展

所謂超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)理論，是指在了解并掌握超精密加工過(guò)程的基本規(guī)律和現(xiàn)象的描述后才能駕馭這一過(guò)程，取得預(yù)期結(jié)果。例如上世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者用金剛石車(chē)刀在LLNL的DTM3上加工出最薄的連續(xù)切屑的照片，當(dāng)時(shí)認(rèn)為達(dá)到了1nm的切削厚度，已成為世界最高水平，并至今無(wú)人突破（如圖4）。那么超精密切削極限尺度是多少、材料此時(shí)是如何去除的，此外超精密加工工藝系統(tǒng)在力、熱、電、磁、氣等多物理量/場(chǎng)復(fù)雜耦合下的作用機(jī)理是什么、此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)精度及穩(wěn)定性如何保證等都需要得到新理論的支持。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始在物理、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，美國(guó)、日本等國(guó)首先應(yīng)用該技術(shù)研究納米級(jí)機(jī)械加工過(guò)程，國(guó)內(nèi)從21世紀(jì)初在一些高校開(kāi)始應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)納米切削及磨削過(guò)程進(jìn)行研究，可描述原子尺寸、瞬態(tài)的切削過(guò)程，在一定程度上反映了材料的微觀去除機(jī)理，但這一切還有待于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2  被加工材料和工藝方法也在不斷擴(kuò)展

鈦合金是航空最常用的材料之一，氫作為有害雜質(zhì)元素對(duì)鈦合金的使用性能有極其不利的影響，如會(huì)引起鈦合金氫脆、應(yīng)力腐蝕及延遲斷裂等，但是近年來(lái)研究表明通過(guò)合理有效地控制滲氫、相變及除氫等過(guò)程，獲得鈦合金組織結(jié)構(gòu)的變化，從而可以改善其加工性能，提高加工表面質(zhì)量和效率。同樣通常認(rèn)為黑色金屬是無(wú)法利用天然金剛石進(jìn)行超精密切削加工的，多年來(lái)也一直在進(jìn)行各種工藝研究，如利用低溫流體（液氮或二氧化碳）冷卻切削區(qū)進(jìn)行低溫冷卻車(chē)削、采用超聲振動(dòng)切削黑色金屬、采用金剛石涂層刀具等，采用離子滲氮和氣體滲氮工藝對(duì)模具鋼進(jìn)行處理，但上述方法到目前為止還無(wú)法工程化應(yīng)用。近年來(lái)通過(guò)離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能，實(shí)現(xiàn)硅等硬脆材料復(fù)雜形狀的高效超精密切削。

抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展為超精密加工技術(shù)提出了新的發(fā)展方向，超硬材料的精密加工工藝要求控制表層及亞表層的損傷及組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料M50NiL表面處理后硬度超過(guò)了HRC70。隨著單晶渦輪葉盤(pán)和單晶渦輪葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，要求被加工材料沒(méi)有重融層和變質(zhì)層，從而對(duì)精密加工工藝提出了新要求。隨著導(dǎo)彈馬赫數(shù)的增加，要求頭罩材料的抗耐磨性提高，已從紅外材料向藍(lán)寶石材料頭罩乃至金剛石材料發(fā)展，形狀也從球形向非球面乃至自由曲面發(fā)展，對(duì)超精密加工設(shè)備、工藝及檢測(cè)技術(shù)提出了新的要求。

3  微納結(jié)構(gòu)功能表面的超精密加工技術(shù)

微結(jié)構(gòu)功能表面具有特定的拓?fù)湫螤睿Y(jié)構(gòu)尺寸一般為10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微結(jié)構(gòu)具有紋理結(jié)構(gòu)規(guī)則、高深寬比、幾何特性確定等特點(diǎn)，如凹槽陣列、微透鏡陣列、金字塔陣列結(jié)構(gòu)等，這些表面微結(jié)構(gòu)使得元件具有某些特定的功能，可以傳遞材料的物理、化學(xué)性能等，如粘附性、摩擦性、潤(rùn)滑性、耐磨損性，或者具備特定的光學(xué)性能等。例如在航空、航天飛行器宏觀表面加工出微納結(jié)構(gòu)形成功能性表面，不僅可以減小飛行器的風(fēng)阻、摩阻，減小摩擦，還可以避免結(jié)冰層形成，提高空氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)功能，從而達(dá)到增速、增程、降噪等目的，同時(shí)表面特定的微結(jié)構(gòu)特征還能起到隱身功能，增強(qiáng)突防能力。

在民用方面最典型的例子是游泳運(yùn)動(dòng)員的泳衣表面增加了一些微結(jié)構(gòu)，俗稱(chēng)鯊魚(yú)皮泳衣，結(jié)果使運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有了大幅度的提高，使國(guó)際泳聯(lián)不得不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結(jié)構(gòu)功能表面在光學(xué)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、聚光光伏產(chǎn)業(yè)、交通標(biāo)志標(biāo)牌、照明等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如LCD 顯示器的背光模組的各種光學(xué)膜片，背光模組關(guān)鍵件—導(dǎo)光板、擴(kuò)散板、增光膜等，聚光光伏太陽(yáng)能CPV 系統(tǒng)的菲涅爾透鏡，道路標(biāo)示用微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜片、新一代LED 照明用高效配光結(jié)構(gòu)等。

在未來(lái)零部件設(shè)計(jì)與制造將會(huì)增加一項(xiàng)功能表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造，通過(guò)在零件表面設(shè)計(jì)和加工不同形狀的微結(jié)構(gòu)，從而提高零部件力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、升學(xué)等功能，這將是微納制造的重要應(yīng)用領(lǐng)域，2006年成立的國(guó)際納米制造學(xué)會(huì)經(jīng)專(zhuān)家討論并認(rèn)同，納米制造中的核心技術(shù)將從目前以MEMS技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向超精密加工技術(shù)。

4  超精密加工開(kāi)始追求高效

超精密加工技術(shù)從發(fā)展之初是為了保證一些關(guān)鍵零部件的最終精度，所以當(dāng)初并不是以加工效率為目標(biāo)，更多關(guān)注的是精度和表面質(zhì)量，例如一些光學(xué)元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是隨著零件尺寸的進(jìn)一步加工增大和數(shù)量的增多，目前對(duì)超精密加工的效率也提出了要求。例如為了不斷提高觀察天體范圍和清晰度，需不斷加大天文望遠(yuǎn)鏡的口徑，這就同樣存在天文版的摩爾定律，即每隔若干年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑增大一倍，如建于1917年位于美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的Hooker望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.5m，是當(dāng)年全世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡；到1948年被Hale望遠(yuǎn)鏡取代，其口徑達(dá)到了5m；1992年新建成的Keck望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)到了10m，目前仍在發(fā)揮著巨大的作用。目前正在計(jì)劃制造的巨大天文望遠(yuǎn)鏡OWL主鏡口徑達(dá)到100m，由3048塊六邊形球面反射鏡組成，次鏡由216塊六邊形平面反射鏡組成，總重約1~1.5萬(wàn)t，按照目前現(xiàn)有的加工工藝，可能需要上百年的時(shí)間才能完成。此外，激光核聚變點(diǎn)火裝置（NIF）需要7000多塊400mm見(jiàn)方的KDP晶體，如果沒(méi)有高效超精密加工工藝，加工時(shí)間也無(wú)法想象。為此需要不斷開(kāi)發(fā)新的超精密加工設(shè)備和超精密加工工藝來(lái)滿(mǎn)足高效超精密加工的需求。

5  超精密加工技術(shù)將向極致方向發(fā)展

隨著科技的進(jìn)步，對(duì)超精密加工技術(shù)已經(jīng)提出了新的要求，如要求極大零件的極高精度、極小零件及特征的極高精度、極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度、極復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極高精度等。

歐洲南方天文臺(tái)正在研制的超大天文望遠(yuǎn)鏡VLT反射鏡為一塊直徑8.2m、厚200mm的零膨脹玻璃，經(jīng)過(guò)減重后重量仍然達(dá)到了21t。法國(guó)REOSC公司負(fù)責(zé)加工，采用了銑磨、小磨頭拋光等加工工藝，加工周期為8~9個(gè)月，最終滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，目前許多新的超精密加工工藝如應(yīng)力盤(pán)拋光、磁流變拋光、離子束拋光等出現(xiàn)為大鏡加工提供了技術(shù)支撐。前面提到的微納結(jié)構(gòu)功能表面結(jié)構(gòu)尺寸小到幾個(gè)微米，如微慣性傳感器中的敏感元件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺寸精度卻要求±1μm。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局研制的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（分子測(cè)量機(jī)）是實(shí)現(xiàn)如何在極復(fù)雜環(huán)境下的極高精度測(cè)量的典型例子，該儀器測(cè)量范圍50mm×50mm×100μm，精度達(dá)到了1nm，對(duì)環(huán)境要求及其嚴(yán)格，最內(nèi)層殼溫度控制17±0.01℃，次層殼采用主動(dòng)隔振，高真空層工作環(huán)境保持1.0×10-5Pa，最外層殼用于噪聲隔離，最后將整體結(jié)構(gòu)安裝在空氣彈簧上進(jìn)行被動(dòng)隔振。自由曲面光學(xué)曲面精度要求高、形狀復(fù)雜，有的甚至無(wú)法用方程表示（如賦值曲面），但由于其具有卓越的光學(xué)性能近年來(lái)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但自由曲面光學(xué)零件的設(shè)計(jì)、制造及檢測(cè)等技術(shù)還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

6  超精密加工技術(shù)將向超精密制造技術(shù)發(fā)展

超精密加工技術(shù)以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個(gè)工序中，但目前一些領(lǐng)域中某些零部件整個(gè)制造過(guò)程或整個(gè)產(chǎn)品的研制過(guò)程都要用到超精密技術(shù)，包括超精密加工加工、超精密裝配調(diào)試以及超精密檢測(cè)等，最典型的例子就是美國(guó)的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）。

為了解決人類(lèi)的能源危機(jī)，各國(guó)都在研究新的能源技術(shù)，其中利用氘、氚的聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大能源可供利用，而且不產(chǎn)生任何放射性污染，這就是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火工程。我國(guó)也開(kāi)始了這方面的研究，被稱(chēng)為神光工程。NIF整個(gè)系統(tǒng)約有2個(gè)足球場(chǎng)大小，共有192束強(qiáng)激光進(jìn)入直徑10m的靶室，最終將能量集中在直徑為2mm的靶丸上。這就要求激光反射鏡的數(shù)量極多（7000多片），精度和表面粗糙度極高（否則強(qiáng)激光會(huì)燒毀鏡片），傳輸路徑調(diào)試安裝精度要求極高，工作環(huán)境控制要求極高。對(duì)于直徑為2mm的靶丸，壁厚僅為160μm，其中充氣小孔的直徑為5μm，帶有一直徑為12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困難在于其深徑比大、變截面，可采用放電加工、飛秒激光加工、聚焦離子束等工藝，或采用原子力顯微鏡進(jìn)行超精密加工。系統(tǒng)各路激光的空間幾何位置對(duì)稱(chēng)性誤差要求小于1%、激光到達(dá)表面時(shí)間一致性誤差小于30fs、激光能量強(qiáng)度一致性誤差小于1%等。如此復(fù)雜高精度的系統(tǒng)無(wú)論從組成的零部件加工及裝配調(diào)試過(guò)程時(shí)刻都體現(xiàn)了超精密制造技術(shù)