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(duì)提高加工的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性十分重要。對(duì)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(duì)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(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

       1、前言

       超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐技術(shù)，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展方向。以超精密加工技術(shù)為支撐的高性能武器，對(duì)第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)(1992 年)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)(1996 年)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)(1999 年)及第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)(2003 年)的進(jìn)程及結(jié)果發(fā)揮了決定性的作用。以超精密加工技術(shù)為支撐的三代半導(dǎo)體器件，為電子、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，所需試驗(yàn)儀器和設(shè)備幾乎無一不需要超精密加工技術(shù)的支撐。由宏觀制造進(jìn)入微觀制造是未來制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一，當(dāng)前超精密加工已進(jìn)入納米尺度，納米制造是超精密加工最前沿的課題。世界發(fā)達(dá)國(guó)家均予以高度重視。最近啟動(dòng)的研究計(jì)劃包括，2001 年美國(guó)的 NNI(National nanotechnology initiative)計(jì)劃、英國(guó)的多學(xué)科納米研究合作計(jì)劃IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002 年日本的納米技術(shù)支撐計(jì)劃。目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應(yīng)力、組織變化)

為目標(biāo)。

       超精密加工的研究?jī)?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(cè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這些內(nèi)容展開了系統(tǒng)的研究。

       1983 年在國(guó)際生產(chǎn)工程年會(huì)上，TANIGUCHI對(duì)當(dāng)時(shí)的超精密加工狀況進(jìn)行了描述，并對(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。此后的 20 余年內(nèi)，超精密加工技術(shù)蓬勃發(fā)展。本文對(duì)當(dāng)前的超精密加工現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，第 1 節(jié)介紹超精密加工的發(fā)展及其推動(dòng)因素。第2節(jié)介紹超精密加工材料，著重于先進(jìn)陶瓷材料。第3節(jié)將超精密加工技術(shù)分為超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光三類，介紹典型加工技術(shù)(廣義的超精密加工還包括微細(xì)加工技術(shù))。第 4 節(jié)對(duì)上述幾類超精密加工技術(shù)從加工精度和加工效率的角度出發(fā)進(jìn)行比較，介紹半固著磨粒加工方法。第 5 節(jié)對(duì)超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

       2、超精密加工的發(fā)展

       超精密加工的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。

       (1)  20 世紀(jì) 50 年代至 80 年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20 世紀(jì) 50 年代末，出于航天、國(guó)防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國(guó)率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削——單點(diǎn)金剛石切削(Single point  diamond  turning，SPDT)技術(shù)，又稱為“微英寸技術(shù)”用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從 1966年起，美國(guó)的Union Carbide 公司、荷蘭Philips公司和美國(guó) Lawrence Livermore Laboratories 陸續(xù)推出各自的超精密金剛石車床，但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗(yàn)研究，并以國(guó)防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時(shí)期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對(duì)稱形狀的工件例如非球面鏡等。

       (2)  20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)政府推動(dòng)數(shù)家民間公司如 Moore Special Tool 和 Pneumo Precision 公司開始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba 和 Hitachi 與歐洲的 Cranfield  大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時(shí)的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機(jī)的形式訂作。在這一時(shí)期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點(diǎn)是使用高剛性機(jī)構(gòu)，以極小切深對(duì)脆性材料進(jìn)行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級(jí)表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀(jì)80 年代后期，美國(guó)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(duì)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。美國(guó)LLL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出的大型光學(xué)金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺(tái)最大加工直徑為 1.625 m 的立式車床，定位精度可達(dá) 28 nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過 1 m、而直線度誤差只有±25 nm 的加工。

       (3)  20 世紀(jì) 90 年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。從 1990 年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)的需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel 鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時(shí)期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級(jí)水平，加工行程變得更大，加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對(duì)稱非球面的光學(xué)鏡片。

       目前世界上的超精密加工強(qiáng)國(guó)以歐美和日本為先，但兩者的研究重點(diǎn)并不一樣。歐美出于對(duì)能源或空間開發(fā)的重視，特別是美國(guó)，幾十年來不斷投入巨額經(jīng)費(fèi)，對(duì)大型紫外線、Ｘ射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的加工進(jìn)行研究。如美國(guó)太空署(NASA)推動(dòng)的太空開發(fā)計(jì)劃，以制作 1 m 以上反射鏡為目標(biāo)，目的是探測(cè) X 射線等短波(0.1～30 nm)。由于 X 射線能量密度高，必須使反射鏡表面粗糙度達(dá)到埃級(jí)來提高反射率。目前此類反射鏡的材料為質(zhì)量輕且熱傳導(dǎo)性良好的碳化硅，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來說起步較晚，卻是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本超精密加工的應(yīng)用對(duì)象大部分是民用產(chǎn)品，包括辦公自動(dòng)化設(shè)備、視像設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，具有優(yōu)勢(shì)，甚至超過了美國(guó)。日本超精密加工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而后集中于計(jì)算機(jī)硬盤磁片的大批量生產(chǎn)，隨后是用于激光打印機(jī)等設(shè)備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學(xué)元件的超精密切削。1982 年上市的 Eastman  Kodak 數(shù)碼相機(jī)使用的一枚非球面透鏡引起了日本產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，因?yàn)?nbsp;1 枚非球面透鏡至少可替代 3 枚球面透鏡，光學(xué)成像系統(tǒng)因而小型化、輕質(zhì)化，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、錄像機(jī)、工業(yè)電視、機(jī)器人視覺、CD、VCD、DVD、投影儀等光電產(chǎn)品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學(xué)產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

       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(guó)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(duì)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(guó)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(duì)各時(shí)期的加工精度進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(duì)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(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承等一邊承受載荷一邊做相對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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。

       以上四個(gè)方面相互關(guān)聯(lián)，共同促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的發(fā)展。國(guó)際知名超精密加工研究單位與企業(yè)主要有，美國(guó) LLL 實(shí)驗(yàn)室和 Moore 公司、英國(guó) Granfield 和 Tayler 公司、德國(guó)Zeiss 公司和 Kugler 公司、日本東芝機(jī)械、豐田工機(jī)和不二越公司等。我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代初期開始研究超精密加工技術(shù)，主要的研究單位有北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連理工大學(xué)和浙江工業(yè)大學(xué)等。

       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。這里特別對(duì)先進(jìn)陶瓷材料進(jìn)行介紹。

       先進(jìn)陶瓷材料已經(jīng)成為高精密機(jī)械、航空航天、軍事、光電信息發(fā)展的基礎(chǔ)之一。先進(jìn)陶瓷根據(jù)性能和應(yīng)用范圍不同，大致可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩類。功能陶瓷主要指利用材料的電、光、磁、化學(xué)或生物等方面直接或耦合的效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)特定功能的陶瓷，在電子、通信、計(jì)算機(jī)、激光和航空航天等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有優(yōu)良的耐高溫抗磨損性能，作為高性能機(jī)械結(jié)構(gòu)零件新材料顯示出廣闊的應(yīng)用前景。表 1 列出了一些典型先進(jìn)陶瓷材料及其用途。

       表 2 給出了延性金屬材料與脆性先進(jìn)陶瓷材料的部分物理特性。表 3 給出了幾種先進(jìn)陶瓷材料的物理特性。先進(jìn)陶瓷材料多為共價(jià)?離子鍵化合物，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低、位錯(cuò)少，因而硬度高、脆性大。氮化硅、碳化硅和藍(lán)寶石的硬度僅次于金剛石和 CBN，是公認(rèn)的典型硬脆難加工材料。先進(jìn)陶瓷材料與金屬材料物理特性的差異決定了兩者材料去除機(jī)理的不同。先進(jìn)陶瓷材料加工過程中易產(chǎn)生裂紋等表面和亞表面損傷，對(duì)器件工作性能和工作壽命造成不利影響。

       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(shì)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(shì)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)?a href='/news/search/key/%25E7%25A0%2582%25E8%25BD%25AE.html' target='_blank'>砂輪中磨粒切削刃高度沿徑向分布的隨機(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(duì)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(duì)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(duì)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。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了多種修整方法，如電解在線修整(Electronic in-process dressing，ELID)、電 化 學(xué) 在 線 控 制 修 整 (Electrochemical  in-process controlled dressing，ECD)、干式 ECD、接觸式電 火 花 修 整 (Electro-contact  discharge  dressing ，ECDD)、電化學(xué)放電加工(Electro-  chemical  dis-charge  machining ， ECDM)、 激 光 輔 助 修 整(Laser-assisted truing and dressing)、噴射壓力修整(Water-jet  in-process  dressing)、超聲振動(dòng)修整(Ultrasonic dressing)等。其中以 ELID 技術(shù)最為典型，應(yīng)用最為成熟。該技術(shù)是由日本理化學(xué)研究所的大森整博士與東京大學(xué)中川威雄教授于 1990 年提出的。ELID 磨削的基本原理是，磨削加工過程中利用電解作用對(duì)金屬結(jié)合劑砂輪進(jìn)行在線的精細(xì)修整，使磨粒始終在具有鋒利微刃狀態(tài)下進(jìn)行加工。微刃的數(shù)量多且具有等高性，磨削痕跡微細(xì)，從而在保持高效率的情況下獲得極高的加工精度。他們用粒度 4 μm 金剛石砂輪加工硅片獲得 Rmax 48 nm、Ra4 nm 的表面。用亞微米級(jí)粒度金剛石砂輪加工獲得Rmax 8.92 nm、Ra1.21 nm 的表面。1995 年大森整與川威雄對(duì) ELID 進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，用#3 000 000鑄鐵基金剛石砂輪對(duì)單晶硅進(jìn)行 ELID 磨削，加工后的表面粗糙度達(dá) Rmax 2.34 nm、Ra0.329 nm。

       各國(guó)學(xué)者對(duì) Al2O3、Si3N4、Zr O2、SiC、Mn-Zn鐵氧體、單晶硅、光學(xué)玻璃和金屬陶瓷等多種材料的 ELID 加工進(jìn)行了研究，包括去除機(jī)理、磨削力、磨削熱、表面質(zhì)量等基本規(guī)律，以及金剛石砂輪的磨削性能、砂輪磨損及修整工藝等關(guān)鍵技術(shù)，并研制成多種產(chǎn)品，為許多工業(yè)部門所采用。但是，超精密磨削以磨粒的強(qiáng)制性切削去除材料，不可避免地在加工表面留下加工損傷層。大森整與川威雄以40000#金剛石砂輪對(duì)硅晶片與玻璃進(jìn)行加工，得到了 Ra2.8 nm 的表面粗糙度，但具有約 1 μm 的表面損傷層。劉世民等利用掃描電鏡的選區(qū)電子通道花樣技術(shù)研究了用 ELID 磨削技術(shù)制作的兩種單晶硅片磨削樣品的表面變質(zhì)層的厚度及其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩種單晶硅片樣品的表面粗糙度依次為 9.5 nm 和22.5 nm，變質(zhì)層厚度分別為 2.8 μm 和4.8 μm。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(duì)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(duì)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(duì)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)。

       CMP 是 IBM  公司于 20 世紀(jì) 80 年代中期開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，最先用于 64 位 RAM 的生產(chǎn)，而后擴(kuò)展至整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。YASUNAGA 等人用 Si O2拋光藍(lán)寶石，用 BaCO3、CeO2和 CaCO3拋光單晶硅，用 Fe2O3和 MgO 拋光石英，獲得了光滑無損傷表面(表面粗糙度接近1 nm)，首次提出并驗(yàn)證了化學(xué)機(jī)械拋光的概念。CMP 加工通過磨粒—工件—加工環(huán)境之間的機(jī)械、化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)工件材料的微量去除，能獲得超光滑、少/無損傷的加工表面；加工軌跡呈現(xiàn)多方向性，有利于加工表面的均勻一致性；加工過程遵循“進(jìn)化”原則，無需精度很高的加工設(shè)備。由于 CMP 技術(shù)能夠提供超大規(guī)模集成電路制造所需全面平坦化(這是其他技術(shù)不可比擬的)，目前已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)中的主導(dǎo)技術(shù)之一，并在不斷地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。

       雖然 CMP 技術(shù)被認(rèn)為是獲得超光滑無損傷表面的有效方法，可獲得 0.1 nm 級(jí)表面粗糙度和極小的表面損傷層(2000年OGITA等用SC1清洗CMP上的硅片，發(fā)現(xiàn)表面損傷層厚度為 21 nm)，但也存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在加工精度對(duì)磨粒尺寸差異敏感。在理想狀況下，工件與磨具之間的磨粒粒度均勻一致，磨粒上的載荷相等(圖 4a)。當(dāng)加工區(qū)內(nèi)有硬質(zhì)大顆粒產(chǎn)生(磨粒團(tuán)聚或工件磨屑)或進(jìn)入(外界環(huán)境中的大顆?；覊m)時(shí)，若磨具為剛性，則加工載荷由少量大顆粒承擔(dān)，導(dǎo)致大顆粒對(duì)工件的切深增加因而形成劃痕、凹坑等損傷，或者大顆粒在載荷作用下破碎，但在破碎前往往已在工件表面形成損傷(圖 4b)；為此，通常采用彈性拋光墊(瀝青、聚氨酯等材料)的方法來緩解大顆粒對(duì)工件表面的負(fù)面作用，但由于拋光墊與大顆粒所接觸的位置彈性變形增大，使得對(duì)大顆粒的壓力增加，仍會(huì)造成工件表面的劃痕等損傷形式(圖 4c)。目前，只能靠提高加工環(huán)境的凈化程度和磨粒尺寸的一致性來避免硬質(zhì)大顆粒對(duì)加工面的損傷，但代價(jià)高昂且不能完全避免大顆粒的侵入。硬質(zhì)大顆粒引起的表面劃痕使大量工件返修或報(bào)廢，嚴(yán)重阻礙了整體加工效率的提高，如何有效避免硬質(zhì)大顆粒造成的損傷已經(jīng)成為拋光工藝中亟待解決的問題。此外，材料去除主要基于三體磨損機(jī)理，磨粒主要以滾動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)材料去除，單位時(shí)間內(nèi)參與材料去除的磨粒數(shù)量少，材料去除率低，帶有化學(xué)成分的加工液和磨粒危害環(huán)境且處理成本高。

       除 CMP 技術(shù)外，經(jīng)典的超精密研磨拋光方法還有以下幾種。

       (1)  彈性發(fā)射加工(Elastic  emission  machine，EEM)。日本大阪大學(xué) TSUWA 等研究了在工件表面，以原子級(jí)去除材料的可行性，建立了彈性發(fā)射加工理論，其加工原理和生產(chǎn)設(shè)備分別如圖 5、6所示。EEM 技術(shù)采用浸液工作方式，利用在工件表面高速旋轉(zhuǎn)的聚氨酯小球帶動(dòng)拋光液中粒度為幾十納米的磨料，以盡可能小的入射角沖擊工件表面，通過磨粒與工件之間的化學(xué)作用去除工件材料，工件表層無塑性變形，不產(chǎn)生晶格轉(zhuǎn)位等缺陷，對(duì)加工功能晶體材料極為有利。TSUWA 等使用聚氨基甲酸脂球?yàn)楣ぞ?，利?nbsp;Zr O2微粉對(duì)單晶硅進(jìn)行彈性發(fā)射加工，表面粗糙度達(dá) 0.5 nm。

       (2)  動(dòng)壓浮離拋光。WATANABE 等利用動(dòng)壓軸承的原理開發(fā)了動(dòng)壓浮離拋光技術(shù)，如圖 7 所示。通過在拋光盤沿其圓周方向制有若干傾斜平面，利用拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液動(dòng)壓，使工件浮于拋光盤表面，通過浮動(dòng)間隙中的拋光料微粒對(duì)工件進(jìn)行拋光。因?yàn)闆]有摩擦熱和磨具磨損，標(biāo)準(zhǔn)面不會(huì)變化，因此可重復(fù)獲得精密的工件表面。采用這種拋光方法加工直徑為 75 mm 的硅晶片，可獲得 0.3 μm 的平面度和 1 nm 的表面粗糙度。

       (3)  浮法拋光。1977 年，日本的 NAMBA 等研究人員為了加工拋光磁頭材料，提出了浮法拋光工藝。其原理如圖 8 所示。該工藝使用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，將拋光液覆蓋在整個(gè)拋光盤表面上，使得拋光盤和工件高速旋轉(zhuǎn)，在兩者之間拋光液呈動(dòng)壓液體狀態(tài)，并形成一層液膜，再利用液膜里的磨料高速?zèng)_擊工件表面，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。NAMBA等采用SiO2膠粒、CeO2和 Al2O3拋光工藍(lán)寶石(001)面進(jìn)行了浮動(dòng)拋光，表面粗糙度低于 1 nm。與其他拋光方法相比，拋光后的工件邊緣幾何形狀規(guī)整、亞表層無破壞、由拋光引起的表面殘余應(yīng)力極小、晶體面有完好的晶格。浮法拋光類似于 EEM 拋光法，不同之處在于浮法拋光使用的是硬質(zhì)錫盤作為磨具，而 EEM法拋光以聚氨酯膠輪作為磨具。

       (4)  低溫拋光。低溫拋光是指在低溫環(huán)境下利用凝結(jié)成固態(tài)的拋光液進(jìn)行拋光加工。韓榮久等將膠體 SiO2冷凍成固體膜而后，使溫度保持在–50～–30 ℃之間，對(duì) K9 玻璃進(jìn)行了加工獲得了Ra  0.4 nm 的表面粗糙度。WU等將低溫拋光方法與無磨料拋光技術(shù)相結(jié)合，提出了無磨料低溫拋光方法，即以去離子水在低溫下的固體冰作為拋光工具。對(duì) K9 玻璃進(jìn)行加工可獲得Ra0.48 nm 的表面粗糙度(加工前工件表面粗糙度為 Ra1.3 nm)。對(duì)加工后產(chǎn)生的水進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)固態(tài)玻璃碎片，判斷材料以水解方式去處，因此有效避免了微劃痕等缺陷的產(chǎn)生。拋光 40 h 后，用精度為 0.01 g 的電子天平未能測(cè)量出工件的質(zhì)量變化。但是，由于低溫、真空環(huán)境的保持需要極高的代價(jià)，應(yīng)用受到限制。

       (5)  磁場(chǎng)輔助拋光。磁場(chǎng)輔助拋光主要包括磁性磨粒加工(Magnetic abrasive finishing，MAF)、磁浮置拋光(Magnetic  float  polishing，MPF)和磁流變加工(Magnetor- heological finishing，MRF)。

       磁性研磨加工這一概念最早由前蘇聯(lián)工程師Kagolow 于 1938 年提出。加工時(shí)，磁性磨粒(必須兼有可磁化又能進(jìn)行研磨這兩種性能的微顆粒)在磁場(chǎng)作用下形成“磁刷”，通過磁極與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使“磁刷”與工件發(fā)生干涉摩擦，完成加工。加工壓力可由磁場(chǎng)控制。FOX 等用 0.1 μm 金剛石微粉對(duì)不銹鋼滾子進(jìn)行磁性磨粒加工獲得 Ra10 nm 的表面。磁性磨粒加工具有對(duì)工件幾何外形幾乎無限制、對(duì)設(shè)備精度要求不高等特點(diǎn)，特別是磨粒與工件表面之間并非剛性接觸，所以即使有少數(shù)大磨粒存在或工件表面偶然出現(xiàn)不均勻硬點(diǎn)，也不會(huì)因?yàn)榍邢髯枇ν蝗桓淖兌鴦潅ぜ砻?。但過去所發(fā)表的 MAF 研究論文當(dāng)中，幾乎 90 %以上的試驗(yàn)均是使用燒結(jié)制成的磁性磨料，因?yàn)闊Y(jié)過程復(fù)雜，成本昂貴，應(yīng)用受到限制。

       磁浮置拋光是由 TANI 等研發(fā)的，其后經(jīng)過了 UMEHARA、CHILDS、KATO 等眾多學(xué)者不斷完善發(fā)展，其裝置如圖 9 所示。非磁性磨料混入磁流體并置于磁場(chǎng)中時(shí)，由于磁流體中強(qiáng)磁性微粒的作用，磁流體被吸向高磁場(chǎng)一側(cè)，同時(shí)非磁性磨粒與磁流體的運(yùn)動(dòng)方向相反，被推向低磁場(chǎng)一側(cè)磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行拋光。JIANG 等利用磁浮置拋光方法對(duì) Si3N4陶瓷球進(jìn)行加工(Ce O2,  5 μm)，獲得了 Ra 4 nm、Rz 40 nm的表面精度。

       磁流變加工技術(shù)是 20 世紀(jì) 90 年代初由KORDONSKY 等提出的，他們將電磁學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合，利用磁流變液(由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液)在磁場(chǎng)中的流變特性對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行拋光。磁流變液的流變特性可以通過外加磁場(chǎng)強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)來控制。磁流變加工裝置如圖 10所示。磁流變液由噴嘴噴灑在旋轉(zhuǎn)的拋光輪上，磁極置于拋光輪的下方，在工件與拋光輪所形成的狹小空隙附近形成一個(gè)高梯度磁場(chǎng)。當(dāng)拋光輪上的磁流變液被傳送至工件與拋光輪形成的小空隙附近時(shí)，高梯度磁場(chǎng)使之凝聚、變硬，成為粘塑性的 Bingham 介質(zhì)。具有較高運(yùn)動(dòng)速度的 Bingham   介質(zhì)通過狹小空隙時(shí)，在工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，從而使工件的表面材料被去除。在拋光過程中，通過控制工件在磁流變液的掃過速率(或停留時(shí)間)可實(shí)現(xiàn)工件表面的選擇性去除。1997 年 JACOBS 等對(duì)紅外材料 BK7、CaF2、LiF 等進(jìn)行磁流變拋光，獲得表面粗糙度小于 5 nm的光滑表面。2006 年孫希威等用磁流變拋光加工了R41.3 mm、口徑 20 mm 的 K9 光學(xué)玻璃球面工件,獲得了表面粗糙度 8.441 nm、面形精度57.911 nm PV 的表面。

       (6)  氣囊式拋光。氣囊式拋光技術(shù)是 2000 年倫敦學(xué)院大學(xué)光學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和 Zeeko 有限公司聯(lián)合提出的。拋光工具外面包有磨料薄膜層(如聚氨酯拋光墊、拋光布等)的膠皮氣囊。拋光工作時(shí)，工具氣囊旋轉(zhuǎn)形成拋光運(yùn)動(dòng)，工件對(duì)氣囊拋光工具作相對(duì)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使工件的全部表面都被能拋光加工。工具氣囊同時(shí)還作擺動(dòng)(擺動(dòng)中心為氣囊曲面的曲率中心)，使磨料薄膜層均勻磨損。由于工具氣囊具有彈性，可以自動(dòng)適應(yīng)工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光不同外形的曲面。該方法適于大型自由曲面的超精密加工。

       (7)  應(yīng)力盤拋光。為實(shí)現(xiàn)大型非球面元件的超精密加工，誕生了應(yīng)力盤拋光方法。該方法采用大尺寸剛性盤作為基盤，在周邊可變應(yīng)力的作用下，盤的面形可以實(shí)時(shí)地變形成所需要的面形，以適配非球面的不同位置上的吻合研磨。應(yīng)力盤拋光技術(shù)具有優(yōu)先去除表面最高點(diǎn)或部位的特點(diǎn)，具有平滑中高頻差的趨勢(shì)，可以很好地控制中高頻差的出現(xiàn)、有效地提高加工效率。2002 年 MARTIN 等用應(yīng)力盤拋光技術(shù)對(duì) Magellan 望遠(yuǎn)鏡 6.5 mf/1.25 主鏡和Large Binocular 望遠(yuǎn)鏡 8.4 mf/1.14 主鏡進(jìn)行了拋光，這些大型鏡片都是非球面鏡，加工后形狀誤差為0.01%，表面粗糙度為 20 nm。

       (8)  電解拋光。電解拋光又稱電化學(xué)拋光，起源于 20 世紀(jì)初。1930 年法國(guó)電話公司Jacquet 首次提出電解拋光技術(shù)，并進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前，解釋電解拋光過程比較合理的理論是薄膜理論。薄膜理論認(rèn)為，電解拋光時(shí)，靠近金屬試樣陽(yáng)極表面的電解液，在試樣上隨著表面凹凸高低不平形成一層薄厚不均勻的粘性薄膜。由于電解液攪拌流動(dòng)，在靠近試樣表面凹陷的地方，擴(kuò)散流動(dòng)得較慢，因而形成的膜較厚，而在凸起的地方薄膜較薄。由于試樣表面各處的電流密度相差很多，凸起頂峰地方電流密度很大，金屬快速地溶解于電解液中，而凹陷部分金屬則溶解慢，結(jié)果使得粗糙的表面變得平整從而達(dá)到拋光的目的。2003 年 HUANG 等對(duì)高速鋼進(jìn)行電解拋光，獲得 Ra30～50 nm 的表面。

       (9)  離子束拋光。離子束拋光是把中性離子在電場(chǎng)中加速，撞擊工件表面的原子或分子，使其逸出表面從而將材料去除(圖 11)。由于被加工材料以原子或分子為單位去除，可獲得納米級(jí)高質(zhì)量加工表面。LI等用氟離子束對(duì) CMP 后的 50 mmGaSb外延片進(jìn)行超精加工，使其表面粗糙度由 0.7 nm 降低到 0.18 nm。離子束拋光可加工的材料范圍較廣，對(duì)工件尺寸沒有嚴(yán)格控制，并且可加工球面、非球面和非對(duì)稱面形。

       (10)  等 離 子 體 輔 助 拋 光 (Plasma-assisted chemical ething，PACE)。等離子體輔助拋光又稱化學(xué) 蒸 發(fā) 加 工 (chemical  vaporization  machining ，CVM)，是在真空環(huán)境下進(jìn)行，其設(shè)備如圖 12 所示。將化學(xué)氣體(通常為鹵素類氣體，如 CF、Cl2等)激發(fā)成活性等離子體，與加工面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)從而達(dá)到材料去除的目的。這種加工方法實(shí)用化的一種就是等離子腐蝕。

       PACE加工具有拋光效率高，工作不受機(jī)械壓力，沒有機(jī)械變形，加工表面無亞表面損傷、無污染，加工球面和非球面難易相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)。目前Perkin-Elmer 公司用該技術(shù)已在φ 0.5 m～1.0 m 的非球面上加工出面形精度小于 1/50λ，表面粗糙度小于 0.5 nm 的表面。

       (11)  激光拋光。激光拋光技術(shù)是利用激光與材料表面相互作用進(jìn)行加工，它遵循激光與材料作用的普遍規(guī)律。激光與材料間的作用方式有熱作用和光化學(xué)作用，可把激光拋光分為熱拋光和冷拋光。熱拋光是利用激光的熱效應(yīng)，通過熔化、蒸發(fā)等過程去除材料。因此只要材料的熱物理性能好，都可以用它來進(jìn)行拋光，但由于溫度梯度大而產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋，因此熱拋光的效果不是很好。冷拋光是利用材料吸收光子后，表層材料的化學(xué)鍵被打斷或者是晶格結(jié)構(gòu)被破壞，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。利用光化學(xué)作用時(shí)，熱效應(yīng)可以被忽略，因此熱應(yīng)力很小，不產(chǎn)生裂紋，也不影響周圍材料，且容易控制材料的去除量，特別適合于硬脆性材料的精密加工UDREA 等利用 CO2激光器對(duì)光纖的端面進(jìn)行拋光，得到的 Ra 100 nm 表面粗糙度。激光拋光是一種非接觸拋光，不僅能對(duì)平面進(jìn)行拋光，還能對(duì)各種曲面進(jìn)行拋光。而且對(duì)環(huán)境的污染小，可以實(shí)現(xiàn)局部拋光，特別適用于超硬材料和脆性材料的精拋，具有良好的發(fā)展前景。但目前激光拋光作為一種新技術(shù)還處于發(fā)展階段，還存在著設(shè)備和加工成本高、加工過程中的檢測(cè)技術(shù)和精度控制技術(shù)要求比較高等缺點(diǎn)。

       4、幾類超精密加工技術(shù)的比較及半固

       著磨粒加工 超精密加工的精度不僅隨時(shí)代變化，即使在同一時(shí)期，工件的尺寸、形狀、材質(zhì)、用途和加工難度不同，超精密加工的精度也不同。對(duì)上述幾種典型的超精密加工技術(shù)可進(jìn)行定性比較，如表 5 所示。

       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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)技術(shù)和控制技術(shù)，加工成本高。

       為實(shí)現(xiàn)高效精密加工，誕生了將固著磨粒加工和游離磨粒加工進(jìn)行整合的半固著磨粒加工概念。SHIMADA 等提出了一種使用半固態(tài)的磁性拋光體(Magnetic compound fluid polishing tool，MPT)進(jìn)行超精密加工的方法。該方法將磁性復(fù)合流體(Magnetic compound fluid，MCF)和磨粒、植物纖維均勻混合后在磁場(chǎng)條件下壓縮制得 MPT，MPT 在磁場(chǎng)作用下為半固態(tài)，以此對(duì)工件進(jìn)行加工。他們使用微米級(jí)鐵粉構(gòu)成的 MPT 對(duì) SUS430 不銹鋼進(jìn)行拋光，獲得 Ra15 nm 的表面。目前此方面研究尚處于起步階段。

       針對(duì)大批量生產(chǎn)的氮化硅陶瓷、藍(lán)寶石單晶等硬脆難加工先進(jìn)陶瓷材料超光滑無損傷表面高效加工的要求，作者提出一種半固著磨粒加工技術(shù)。磨具中的磨粒處于半固著狀態(tài)，磨具表層對(duì)硬質(zhì)大顆粒具有“陷阱”效應(yīng)，即硬質(zhì)大顆粒侵入時(shí)，可使之陷入磨具表面，從而主動(dòng)防止或降低大顆粒對(duì)加工表面造成的損傷。同時(shí)，該技術(shù)具有比研磨更高的加工效率，表面加工質(zhì)量甚至可以達(dá)到拋光的水平。

       5、超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)

       (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(shì)。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(jìng)爭(zhēng)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(shì)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(cè)。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(cè)技術(shù)還不完善，特別是在線檢測(cè)技術(shù)。從實(shí)際生產(chǎn)角度講，開發(fā)加工精度在線測(cè)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(duì)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(chǎng)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(duì)環(huán)境造成了極大的負(fù)擔(dān)。我國(guó)是磨料、磨具產(chǎn)量及消耗的第一大國(guó)，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(guó)家以及我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)均對(duì)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(guó)研究人員對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(duì)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(zhǎng)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。