1.超精密加工的内涵

精密和超精密加工已经成为全球市场竞争取胜的关键技术。发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备。当代精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明天制造技术的基础。

超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。另外精密和超精密加工只是一个相对概念，其界限随时间的推移而不断变化，以往的超精密加工到今天可能只能作为精密加工或普通加工了。

在当今技术条件下，普通加工、精密加工、超精密加工的加工精度可以作如下划分：

（1）普通加工是加工精度在10μm、表面粗糙度Ra值为0.3～0.8μm的加工技术，如车、铣、磨、镗、铰等，适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。

（2）精密加工是加工精度在10～0.1μm、表面粗糙度Ra值为0.3～0.03μm的加工技术，如金刚车、精密镗削、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削等加工，适用于精密机床、精密测量仪器等产品的关键零件的加工，如精密丝杠、精密导轨、精密轴承等。

（3）超精密加工是加工精度在0.1～0.01μm，表面粗糙度Ra值在0.03～0.05μm的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工以及复合加工等，适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。

2.超精密加工技术的重要性

现代机械制造业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：可提高产品的性能和质量，提高产品的稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配效率。

超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有非常重要的地位。例如，导弹的命中精度是由惯性仪表的精度决定的，而惯性仪表的关键部件是陀螺仪，如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。

人造卫星的仪表轴承是真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度值达到1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位。

再如，若将飞机发动机转子叶片的加工精度由60μm提高到12μm，表面粗糙度Ra值由0.5μm减小到0.2μm，则发动机的压缩效率将从89％提高到94％。传动齿轮的齿形、齿距误差若能从目前的3～6μm降低到1μm，则单位齿轮箱质量所传递的扭矩将提高1倍左右。

3.超精密加工所涉及的技术范围

（1）超精密加工机理。(www.daowen.com)

超精密加工是从加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工等。超精密加工服从一般加工方法的普遍规律，但是也有不少其自身的特殊性，如刀具磨损、积屑瘤生成的规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等，需要用分子动力学、量子力学、原子物理等理论来研究超精密加工的物理现象。

（2）超精密加工刀具、磨具及其制备技术。

该技术包括金刚石刀具的制备与刃磨，超硬砂轮的修整等，这是超精密加工的重要关键技术。

超精密切削加工通常采用金刚石刀具来实现，因为目前只有金刚石刀具的刀尖半径可以做得极小（达到纳米级），日本大阪大学和美国LLL实验室合作研究超精密切削的最小极限，在使用极锋利的刀具和机床条件最佳的情况下，可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。美国生产的小型BODTM型超精密加工车床，用刀尖半径为5～10nm的单晶金刚石刀具，可以实现1nm的切削厚度。目前我国生产中使用的金刚石刀具，刀刃锋锐度ρ=0.2～0.5μm，特殊精心研磨的可以达到ρ=0.1μm。利用金刚石刀具实现精密切削加工的工艺比较成熟；超精密磨削即加工精度在0.1μm以下，表面粗糙度Ra0.025μm以下的砂轮磨削方法，此时因磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受到高温和高压作用，因此需要用人造金刚石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮。此外，超精密磨削质量还与砂轮特性、修整砂轮的工具、修整方法和修整用量等密切相关。

（3）超精密加工机床设备。

超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高抗振性、高稳定性和高自动化的要求，且应具有微量进给机构。

精密轴承是超精密加工设备中的一个关键零件，被加工零件的加工精度主要取决于主轴的回转精度，目前普遍利用空气轴承技术来提高主轴的回转精度（回转误差小于0.02μm）；微量进给是实现超精密加工的必要条件。在超精加工条件下，一般的微量进给方式已经远远不能满足要求，通常采用弹性变形、热变形或压电晶体变形等机构实现微量进给；通常采用空气静压或液体静压导轨，通过误差均化作用提高运动部件的移动精度。采用这种导轨还可以防止低速爬行现象。此外，采用在线检测、反馈控制技术来提高主轴的回转精度和工作台的移动或转动精度也是一种有效而经济的技术；支撑件应具有良好的抗振性和热稳定性，可以采用合成花岗岩作为机床的支撑件。

（4）精密测量及补偿技术。

超精密加工必须有相应级别的测量技术和测量装置，具有在线测量和误差补偿功能。

测量技术不仅用来检验零件的加工误差，也用于在线检测中实时测量零件的加工精度，给反馈控制提供数据。常用的精密检测技术都是基于光电原理，如电容式测微仪、光电子纤维光学测头、扫描隧道显微镜、X射线干涉仪、激光干涉仪、莫尔条纹光学尺等。对于小位移测量，采用电容式测头的分辨率可达到0.5nm（量程为15μm）和0.1nm（量程为5μm），线性误差小于0.1％；采用光电子纤维光学测头的分辨率可达到0.5nm（量程为50μm），线性误差为5％；采用扫描隧道显微镜（STM）的分辨率可达到0.01nm（量程为20μm）；X射线干涉仪的分辨率可达到0.003nm（量程为200μm）。对于大长度测量，外差式激光干涉仪的分辨率可达到1.25nm（量程为2.6m）；氦氖激光的分辨率可达到0.01nm（量程为2m）；莫尔条纹光学尺的分辨率可达到10nm（量程为1m），精度为1μm/m。

（5）严格的工作环境。

超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，加工环境极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，如恒温、净化、防振和隔振等。例如，为了消除工件、设备、仪器由于温度的变化带来的热变形，工作环境应采取恒温技术，即温差不超过±（0.01～0.005）℃。超精密加工对环境的空气清洁度也有较高的要求。隔振是隔绝外部振源对加工设备的影响，可以采用气垫弹簧组成的“防振床”来隔绝外部振源的振动，以有效隔绝频率为6～9Hz、振幅为0.1～0.2μm的外来振动。