岁月如歌：超精密加工简史

寂静天花板

关于精密和超精密加工，目前的定义还不统一，在不同的历史时期，不同的科学技术发展水平情况下，有不同的理解。通常我们把被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术称为超精密加工技术。
% G; A/ ?* [/ D4 m5 O超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的象征，尤其是国防、航天、电子等工业，它既是高代价、高投入的工艺技术，又是高增值、高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家技术和经济振兴的重要位置。但是，因为这个领域应用很窄，但是要求极高，所以非常关键，中国在普通机床领域已经发展很快，但在这个行业，国外技术封锁严格，因为涉及的都是高精尖技术。
例如惯性导航仪器系统中的气浮陀螺的浮子及支架、气浮陀螺马达轴承等零件的尺寸精度、圆度和圆柱度都要求达到亚微米级精度；人造卫星仪器轴承是真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度Rα达到1 nm，圆度和圆柱度均为纳米级精度，这些零件都是用超精密金刚石刀具镜面车削加工的，也就是“单点金刚石车削”。精密液压控制系统中的精密伺服阀的阀芯与阀套的配合精度也常在亚微米等级，它是用超精密磨削方法加工的。
4 X! V* k! \1 C$ L; |8 Y超精密异形零件例如航空高速多瓣防滑轴承的内滚道、激光陀螺微晶玻璃腔体，都是用超精密数控磨削加工而成的。陀螺仪框架与平台是形状复杂的高精度零件，是用超精密数控铣床加工的。
* N- T6 I7 Y2 `) H p/ M% B/ n超精密光学零件加工如激光陀螺的反射镜的平面度达0．05μm，表面粉糙度Rα达0．001μm、它是由超精密抛研加工、再进行镀膜而成，最终要求反射率达99．99％。—些高精度瞄准系统要求小型化，所以用少量非球面镜来代替复杂的光学系统。这些非球镜是用超精密车、磨、研、抛加工而成的。
另外近期二元光学器件的理论研究进展很大，二元光学器件的制造设备是专用的超精密加工设备。比如在民用的隐形眼镜就是用超精密数控车床加工而成的。计算机的硬盘、光盘、复印机等高技术产品的很多精密零件都是用超精密加工手段制成的。

20世纪80年代，美国联合碳化物公司、Moore公司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状[size=+0]精度为0.1μm、直径为800mm的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究计划——POMA(Point One MicrometerAccuracy)计划，这是一个里程碑式的研究计划。
20世纪80年代中后期，美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”，对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的超精密加工。到1984年，美国著名的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制出一台大型光学金刚石车床(Large Optics DiamondTurning Machine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工设备的最高水平，其创造的纪录至今无人能及！
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% y7 \7 ?+ n) ~该机床可加工直径为2.1m，重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨，在1.07m×1.12m范围内直线度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013μm(用氦屏蔽的激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.057″(通过两路激光干涉仪测量，压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统，不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在（20±0.0025）℃。采用摩擦驱动，运动分辨率达0.005μm。最终可实现加工大型光学零件直径达1.4m，面形精度为 0.025μm，表面粗糙度Ra≤5nm。
美国LODTM大型金刚石车床，代表了超精密加工设备的最高水平
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LivermoreLLNL）在超精密加工领域实力雄厚，哈勃太空望远镜镜片、美国军舰的激光陀螺仪平面发射镜、红外导弹制导头反射镜、导弹惯导器件、受控激光聚变反射镜等这些产品的精密超精密光学加工，基本上都是该实验室的成果。但LLNL是个科研性质的单位，有个精密工程precision engineering部，研制超精密机床主要就在这个部门。但他们又不完全是为了单纯研制机床，而是深入研究包括基础研究、新工艺，以及超精密测量技术等相关领域，所以象LODTM这样的大型设备除非有国家需求，一般不是主要目的，现在他们基本上是寻找合适的企业界合作伙伴完成，如MOORE等。
9 Z3 `/ [. K) _https://www.llnl.gov/
: u5 h+ i9 K' C5 ~事实上，美国做超精密的最早还是企业，联合碳化物公司，他们62年就开始做可加工100 mm 的半球,尺寸精度±0.18 μm ,粗糙度Ra01002 5μm的超精密车床。其实LLNL研究超精密加工在50年代就开始了，因为美国政府发现私人企业没有经济实力能够承担为国家核武器工程提供高质量的加工、测试手段，所以才启动了这个计划，将那批人集结到LLNL，首先开发出称为“SPDT”( Single Point Diamond Turning) 的单点金刚石刀具的超精密切削技术，取得了无与伦比的成就，至今无人能够超越，20多年竟然无人超越，不禁让人仰止！
$ a" F A5 E0 h1 vLLNL的另外一件神器DTM-3

最新的是PO-GAL金刚石车磨复合机床。这是LLNL2003年立项，为满足更大口径光学零件以及硬脆材料光学零件的超精密磨削加工的需求，2006年开发的下一代超精密光学加工设备PO-GAL光学车磨复合机床，其主轴的轴向、径向精度技术指标为50nm。不过这台设备不大，和OAGM2500不是一种级别的。
. f% m$ h: T7 w5 K4 d0 }另外一个在超精密加工领域处于顶级水平的就是英国Cranfield大学的精密工程研究所。尽管同牛津、剑桥相比不那么有名，但只要一说起其精密工程研究所，则令工业界肃然起敬，这是英国5所工程技术类大学之一，在航空航天、汽车、制造业领先科技方面是英国最好的之一。CUPE和LLNL虽然都是做光学零件的超精密加工，但侧重点不同。CUPE从事超精密加工研究也很早，但由于英国传统学术背景强调的是理论研究，所以各国超精密研究成果很多就是在CUPE的理论基础上进行。CUPE的约翰?洛萨姆和帕克?麦柯温教授至今仍是超精密加工领域的大牛。因为英国没有可以让人施展的产业化空间，从CUPE出去了很多人，包括LLNL。如果以金刚石车床而言，LLNL可以算第一；但以大型超精密机床而言，公认是OAGM2500。该所研制的ORGM2500六轴数控超精密磨床至今仍和LODTM并称超精密加工领域的2面红旗。此外Nanocenter250、Nanocenter600非球面光学零件车床和大型超精密金刚石镜面车床也是该所的经典之作。

0 U5 J: m5 F, ]% @+ fOAGM2500大型CNC超精密磨床是为美国的Kodak-Rochester开发的加工大型离轴非球面光学零件的机床。加工尺寸:2.5m×2.5m×0.61m,采用液体静压轴承和摩擦传动方式，激光干涉仪位置测量与反馈，分辨率为2.5nm；平面加工精度可达1μm；表面粗糙度2～3nm，离轴非球镜加工精度达2.5μm。该超精密磨床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工工件抛光后再用柯达公司的2.5米离子束抛光设备对零件进行修形处理，工件可达到很髙的精度。床身采用轻型钢焊接结构。中间用S100花岗岩和聚苯乙烯制成的人造花岗岩填充，可保证高刚度，高度稳定度和很强的振动衰减能力。

) C) p/ I4 A% y4 C0 A目前,超精密加工技术领域里，美国MOORE公司仍然算得上是老大，目前LLNL的很多设备都是该公司提供。说起MOORE，大家都知道他们的坐标磨床很有名，你可以股沟或摆渡下“二手坐标磨床”，不是瑞士豪泽就是美国穆尔。
该公司1997年为了适应时代发展需要，将超精密加工部门分离组成了Moore Nanotechnology system，生产研制Nanotech系列超精密机床。1999年同美国Rochester大学COM (CenterforOptics Manufacturing)加工中心合作，在美国国防部(DoD)的资助下，共同研制了Nanotech 500 FG五轴联动超精密自由曲面研磨机床，该机床集成了Nanotech系列机床的所有优点，机床床身采用整块天然花岗岩并在z轴方向配有同类材料的升降装置，用以消除系统结构和热变形；床身与地面采用空气隔振垫隔离；真空吸盘装夹，直流电机+精密滚珠丝杠驱动，Fanuc 15i数控系统，既可以单点金刚石车削有色金属、晶体和高分子材料，也可以超精密磨削光学玻璃、陶瓷、硬质合金和黑色金属，最大加工工件范围：轴对称工件6500mm ×250mm，非轴对称工件50mm×250mm×150ram，最大加工工件重量55kg，加工~b250mm高纯度铝合金或OFHC紫铜凸球面，面形精度0．2 n 5mm，表面粗糙度Ra 6nm，加工q,250mm SF12光学玻璃凸球面，面形精度0．3t~m／4,75mln，表面粗糙度Ra 10nm。机床具有多轴磨削和金刚石车削的能力,能够加工大离轴扇形零件,实现了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ,加工工件具有光学表面质量,通常很少需要或不需要后续抛光。为了同该机床配套,还使用了磁流体抛光(MRF) 技术和可测量自由曲面的纳米级测量精度的坐标测量机。使用该机床能够直接磨削出共形光学零件,加工零件的面形精度优于0. 375μm( P - V 值) ,表面粗糙度优于Ra0. 002 7μm。

. F2 ?$ F4 D; ]! }, P- ~ V9 b这个自由曲面磨床是加工共型光学元件的关键设备，所谓共型共形光学零件Freeform Optics，就是一种高性能任意形状的光学零件，比球面、平面、轻度非球面具有更好的空气动力性能。共形光学指的是设计、制造和使用既不是平面也不是球面的光学窗口和整流罩，包括轴对称和非轴对称零件，以及与非球面、球面、圆柱面、圆锥面、平面和尖顶形状组合的零件。飞机的光学窗口和导弹上的整流罩安装有光学系统，用于导航、跟踪和侦察，其形状一般为球面和平面，这有一定的阻力。以前，设计师对此没有别的选择,但现在可以采用共形光学零件，它能够优化飞机外形以符合动力性能要求，显著减小阻力；同时能优化飞机形状，以使雷达上的(或用其他方法检测出的) 反射截面积最小，从而具有更好的隐身性能。共形光学元件替代球面光学窗口还能够提供大的视场。这个共形光学零件最典型的就是F-35上的光电跟踪系统（EOTS）窗口！
MOORE作为超精密加工设备制造企业，还有很多产品，也就是超精密加工附件，下面就给大家简单介绍，以方便大家了解超精密加工，这些附件都是超精密加工不可缺少的，从原理上说和传统加工方法类似，但是其中涉及到精密测量、精密控制，这些是实现超精密加工的关键。
剪切阻尼隔振系统
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6 ~$ m) @7 u0 A2 @ C. c1 |风淋室温度控制系统，实现工作间温度控制+/-0.1度
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可拆卸垂直Y轴，具有1纳米编程能力和34皮米反馈控制精度

9 i# D, Q; M8 `% b" k8 \* b* j纳米级快速机床伺服系统

带位置控制的工作主轴
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; |6 {# a* R3 w% E! S* i. s" _气浮轴承B轴，它采用了直接驱动无刷直流电动机旋转和高分辨率编码器，径向和轴向运动误差小于50纳米
美国做超精密加工设备的另外一个强人公司AMETEK Precitech Inc. 将参加中国SIOE-上海国际光电展览会 (Shangahi International Optoelectronic Exposition)和中国CIOE–中国国际光电博览会 (China International Optoelectronic Exposition)深圳（2011 年 9 月 6 日至 9 日）
- q; y) r' f3 K& e+ W" m这个公司是美国新罕布什尔州基恩市的一家超精密机床制造商。公司大约有 100 名才华横溢的员工，最近竣工的办公大楼占地60,000 平方英尺。
Precitech 是一家超精密机床制造商，于 1992 年开始运营，具有丰富的机床制造史，其前身是 1962 年成立的Pneumo Precision。1997 年 10 月，Taylor Hobson 的 Pneumo 超精密机床部门（之前的 Rank Taylor Hobson / Rank Pneumo）与 Precitech 合并。Precitech 作为此合并公司实体的名称继续沿用。目前，所有办事处和制造工厂均位于 44 Blackbrook Road in Keene, New Hampshire（新罕布什尔州基恩市的 44 Blackbrook 大街）。
Precitech 是美国制造技术协会 (Association of Manufacturing Technology, AMT) 的成员之一，并与多家专业协会和学术机构有着密切协作，例如，德国弗劳恩霍夫研究所 (Fraunhofer Institute) 的超精密技术研究必威体育网址 (Research Community for Ultra Precision Technology)、美国精密工程学会 (American Society for Precision Engineering, ASPE) 和欧洲精密工程与纳米技术学会 (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, EUSPEN)。
Precitech 已在全球推出超过 1200 款机床，主要为单晶、有色金属和黑色金属材料旋转对称和自由形态应用提供全面的超精密多轴金刚石车削、研磨、切槽和铣削机床。另外，我们还提供其他解决方案，例如，采用快刀和慢刀伺服加工技术的伺服加工。Precitech 现已推出由 Precitech 独家设计和制造的下一代气浮主轴。我们的新型 HydroRound 静压旋转轴承专门用于 3 轴普通金刚石车削和平行研磨机床及 4 轴和 5 轴铣削和研磨机床。核心产品线包括 Nanoform®、Freeform®、Optoform® 和 Planoform®。这些系统主要应用于可见光和红外线、光学模塑成型、眼科、机械组件和光通信领域。
( i0 k# g% q0 d0 R这个公司有中文网站，大家可以去看http://www.precitech.com/zh
近年来，很多做超精密加工的企业如雨后春笋般地加上了中文网页，其实就是公司雇佣了大量中国员工，并在中国成立了办事处。这说明了什么？这说明在超精加工领域已经逐渐对华开放。建议大家去机床展看看，会收获不小。具有做精密仪器传统的瑞士、德国、日本的很多企业都是中小型的,但是他们的员工很少跳槽，经年累月地呆在一个企业里专干一种或者几种活，所以手艺磨练的炉火纯青。
! _* \- _1 a8 q8 o$ l' `瑞士人为什么在钟表、机床、精密仪器等领域独领风骚？他们的祖先都是农民，当年也是从周边地区逃入山地的，冬天时候大雪封山，所以这些人就做手工艺，制作钟表零件和机械零件，逐渐的形成了传统，并产生了独特的“学徒制”职业教育模式。所以瑞士青年2/3不上大学而是做学徒，能拿工资还能学技术，使得瑞士产品的品质誉满全球。日本这类公司很多也带有家族性质，人不多，但长年在这里做，怎么着都磨练出来了。
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qianglong

学习了

mech2008

受教！

chen0024

受教

明月照青松

学习下

fei12long

学习了

zhumao6011

请教 天花板 大侠，3D打印机成熟后，传统机床会不会走向没落？

辉辉在飞12138

这只是传奇

蓝色冰雪3456

qianglong 发表于 2015-12-26 22:24
学习了

这写的那么多，感觉号厉害

青bj

感谢总结分享。