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、機械、電子系統中所用的先進陶瓷或光學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 級表面粗糙度)及較小的加工變質層。掌握超精密加工過程中材料去除規律和損傷層特性對提高加工的穩定性與經濟性十分重要。對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進行(xing)綜述，重(zhong)點(dian)介(jie)紹各種典型加(jia)(jia)工(gong)方法及其(qi)材料去(qu)除機(ji)理。從加(jia)(jia)工(gong)精度和加(jia)(jia)工(gong)效(xiao)率角(jiao)度對上述幾類超(chao)精密加(jia)(jia)工(gong)方法進行(xing)比(bi)較，介(jie)紹以實現高效(xiao)精密加(jia)(jia)工(gong)為(wei)目(mu)的的半固著磨(mo)粒加(jia)(jia)工(gong)技術。對超(chao)精密加(jia)(jia)工(gong)的發展趨勢進行(xing)預(yu)測。

       1、前言

       超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)是現代(dai)(dai)高技(ji)(ji)術(shu)戰爭(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)要支(zhi)(zhi)撐(cheng)技(ji)(ji)術(shu)，是現代(dai)(dai)高科(ke)(ke)(ke)技(ji)(ji)產業和(he)科(ke)(ke)(ke)學(xue)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)基(ji)礎，是現代(dai)(dai)制(zhi)(zhi)造科(ke)(ke)(ke)學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)方(fang)向。以(yi)超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)為(wei)支(zhi)(zhi)撐(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)高性能武器(qi)，對第(di)一(yi)次海灣(wan)戰爭(zheng)(1992 年(nian)(nian)(nian))、科(ke)(ke)(ke)索沃戰爭(zheng)(1996 年(nian)(nian)(nian))、阿富汗戰爭(zheng)(1999 年(nian)(nian)(nian))及第(di)二次海灣(wan)戰爭(zheng)(2003 年(nian)(nian)(nian))的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)程及結果(guo)發(fa)(fa)揮了決(jue)定(ding)性的(de)(de)(de)(de)(de)作用。以(yi)超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)為(wei)支(zhi)(zhi)撐(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)三(san)代(dai)(dai)半導體器(qi)件(jian)，為(wei)電子(zi)、信息產業的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)奠定(ding)了基(ji)礎。現代(dai)(dai)科(ke)(ke)(ke)學(xue)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)以(yi)試驗為(wei)基(ji)礎，所需(xu)試驗儀器(qi)和(he)設備(bei)幾乎無一(yi)不需(xu)要超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)支(zhi)(zhi)撐(cheng)。由宏(hong)觀(guan)制(zhi)(zhi)造進(jin)入微觀(guan)制(zhi)(zhi)造是未來制(zhi)(zhi)造業發(fa)(fa)展(zhan)趨(qu)勢之一(yi)，當前超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)已進(jin)入納(na)米(mi)尺度(du)，納(na)米(mi)制(zhi)(zhi)造是超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)最前沿的(de)(de)(de)(de)(de)課(ke)題(ti)。世界發(fa)(fa)達國家(jia)均予以(yi)高度(du)重(zhong)視。最近啟動的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)計劃包(bao)括，2001 年(nian)(nian)(nian)美國的(de)(de)(de)(de)(de) NNI(National nanotechnology initiative)計劃、英國的(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)學(xue)科(ke)(ke)(ke)納(na)米(mi)研究(jiu)合作計劃IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002 年(nian)(nian)(nian)日(ri)本的(de)(de)(de)(de)(de)納(na)米(mi)技(ji)(ji)術(shu)支(zhi)(zhi)撐(cheng)計劃。目前的(de)(de)(de)(de)(de)超精(jing)(jing)密加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)，以(yi)不改(gai)變工(gong)(gong)(gong)件(jian)材料物理特性為(wei)前提(ti)，以(yi)獲得極(ji)限的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)狀精(jing)(jing)度(du)、尺寸精(jing)(jing)度(du)、表面粗糙度(du)、表面完整(zheng)性(無或極(ji)少的(de)(de)(de)(de)(de)表面損傷，包(bao)括微裂紋等缺(que)陷(xian)、殘余應力、組織變化(hua))

為目標。

       超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)的研究(jiu)內(nei)容(rong)，即(ji)影響超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)精(jing)(jing)度的各種因(yin)素包(bao)括(kuo)(kuo)：超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)機理、被加(jia)(jia)(jia)工(gong)材料、超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)設備、超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)工(gong)具、超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)夾具、超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)的檢測與(yu)誤差補償、超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)環(huan)境(包(bao)括(kuo)(kuo)恒溫(wen)、隔振、潔(jie)凈控(kong)制等)和超(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝等。一(yi)直以來，國內(nei)外學者圍繞這些內(nei)容(rong)展開了系統(tong)的研究(jiu)。

       1983 年(nian)在國際(ji)生產工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程年(nian)會上，TANIGUCHI對(dui)當(dang)時(shi)的(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)狀(zhuang)(zhuang)況進(jin)行了描述(shu)，并對(dui)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)發(fa)展趨勢(shi)進(jin)行了預(yu)測。此后的(de) 20 余年(nian)內(nei)，超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術蓬勃發(fa)展。本文(wen)對(dui)當(dang)前(qian)的(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)現狀(zhuang)(zhuang)進(jin)行綜述(shu)，第 1 節(jie)(jie)介(jie)紹(shao)(shao)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)發(fa)展及(ji)其推動因(yin)素。第2節(jie)(jie)介(jie)紹(shao)(shao)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)材料(liao)(liao)，著重于(yu)先進(jin)陶(tao)瓷材料(liao)(liao)。第3節(jie)(jie)將超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術分(fen)為超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)切削、超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)磨削和超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)研磨拋光三類，介(jie)紹(shao)(shao)典型加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術(廣義的(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)還包括微細加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術)。第 4 節(jie)(jie)對(dui)上述(shu)幾類超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術從(cong)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)精(jing)(jing)(jing)(jing)度和加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)效率的(de)角(jiao)度出發(fa)進(jin)行比較(jiao)，介(jie)紹(shao)(shao)半固著磨粒加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)方法。第 5 節(jie)(jie)對(dui)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)(mi)(mi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)發(fa)展趨勢(shi)進(jin)行預(yu)測。

       2、超精密加工的發展

       超精密加(jia)工的發(fa)展經歷了如(ru)下三個階段。

       (1)  20 世紀 50 年代至 80 年代為技術開創期。20 世紀 50 年代末，出于航天、國防等尖端技術發展的需要，美國率先發展了超精密加工技術，開發了金剛石刀具超(chao)精密(mi)切削(xue)——單點金剛石(shi)(shi)切削(xue)(Single point  diamond  turning，SPDT)技術(shu)，又(you)稱為(wei)“微(wei)英寸(cun)技術(shu)”用(yong)(yong)(yong)于加工(gong)(gong)激光核聚變反射(she)鏡(jing)、戰術(shu)導彈及(ji)載人(ren)飛船用(yong)(yong)(yong)球(qiu)面(mian)、非(fei)球(qiu)面(mian)大型零件(jian)等(deng)(deng)。從 1966年(nian)起，美國的(de)(de)(de)Union Carbide 公(gong)司、荷蘭Philips公(gong)司和美國 Lawrence Livermore Laboratories 陸續(xu)推出各自的(de)(de)(de)超(chao)精密(mi)金剛石(shi)(shi)車床，但其(qi)應(ying)用(yong)(yong)(yong)限于少數大公(gong)司與研究單位(wei)的(de)(de)(de)試(shi)驗研究，并以國防用(yong)(yong)(yong)途(tu)或(huo)科(ke)學(xue)研究用(yong)(yong)(yong)途(tu)的(de)(de)(de)產品加工(gong)(gong)為(wei)主。這一(yi)時期，金剛石(shi)(shi)車床主要用(yong)(yong)(yong)于銅(tong)、鋁等(deng)(deng)軟金屬(shu)的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)，也可以加工(gong)(gong)形(xing)狀(zhuang)較復雜的(de)(de)(de)工(gong)(gong)件(jian)，但只限于軸對稱形(xing)狀(zhuang)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)件(jian)例(li)如非(fei)球(qiu)面(mian)鏡(jing)等(deng)(deng)。

       (2)  20 世紀(ji) 80 年(nian)代至 90 年(nian)代為(wei)(wei)民(min)間工(gong)(gong)(gong)業(ye)應用(yong)初期(qi)(qi)(qi)。在(zai)20世紀(ji)80年(nian)代，美國政(zheng)府推動數(shu)家民(min)間公司(si)如(ru) Moore Special Tool 和 Pneumo Precision 公司(si)開(kai)(kai)始超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)商品化，而(er)日本數(shu)家公司(si)如(ru)Toshiba 和 Hitachi 與歐洲(zhou)的(de)(de)(de)(de) Cranfield  大學(xue)等(deng)也陸(lu)續推出產品，這(zhe)些設備(bei)開(kai)(kai)始面(mian)向一(yi)般(ban)民(min)間工(gong)(gong)(gong)業(ye)光(guang)(guang)(guang)學(xue)組(zu)件(jian)商品的(de)(de)(de)(de)制造。但此時的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)設備(bei)依然高貴而(er)稀(xi)少，主要以專用(yong)機的(de)(de)(de)(de)形式訂作。在(zai)這(zhe)一(yi)時期(qi)(qi)(qi)，除了加(jia)工(gong)(gong)(gong)軟質(zhi)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石車(che)床外，可加(jia)工(gong)(gong)(gong)硬質(zhi)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)和硬脆(cui)性材料的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石磨削也被開(kai)(kai)發出來。該技術(shu)特點(dian)是(shi)使用(yong)高剛(gang)性機構(gou)，以極小切深對(dui)脆(cui)性材料進(jin)行延性研磨，可使硬質(zhi)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)和脆(cui)性材料獲得(de)納米級(ji)表面(mian)粗糙(cao)度。當(dang)然，其加(jia)工(gong)(gong)(gong)效率和機構(gou)的(de)(de)(de)(de)復雜(za)性無(wu)法和金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石車(che)床相比。20世紀(ji)80 年(nian)代后期(qi)(qi)(qi)，美國通過能源部“激(ji)光(guang)(guang)(guang)核(he)聚變項目”和陸(lu)、海、空三軍“先進(jin)制造技術(shu)開(kai)(kai)發計劃”對(dui)超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石切削機床的(de)(de)(de)(de)開(kai)(kai)發研究，投入了巨額資金(jin)(jin)(jin)和大量人力(li)，實(shi)(shi)現(xian)了大型零件(jian)的(de)(de)(de)(de)微英寸超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)。美國LLL 國家實(shi)(shi)驗(yan)室研制出的(de)(de)(de)(de)大型光(guang)(guang)(guang)學(xue)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石車(che)床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成(cheng)為(wei)(wei)超(chao)(chao)(chao)精(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)史(shi)上的(de)(de)(de)(de)經典之作。這(zhe)是(shi)一(yi)臺最大加(jia)工(gong)(gong)(gong)直(zhi)徑為(wei)(wei) 1.625 m 的(de)(de)(de)(de)立式車(che)床，定位精(jing)度可達 28 nm，借助在(zai)線誤差補(bu)償能力(li)，可實(shi)(shi)現(xian)長度超(chao)(chao)(chao)過 1 m、而(er)直(zhi)線度誤差只有±25 nm 的(de)(de)(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)。

       (3)  20 世紀 90 年代至今(jin)為民間工(gong)(gong)業應用(yong)成(cheng)(cheng)熟期(qi)。從(cong) 1990 年起，由于汽車、能源、醫療(liao)器材、信(xin)息、光電和通(tong)信(xin)等(deng)產(chan)業的(de)(de)蓬勃發展，超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)(jia)工(gong)(gong)機(ji)的(de)(de)需求(qiu)急劇增加(jia)(jia)，在(zai)工(gong)(gong)業界的(de)(de)應用(yong)包括非(fei)球面光學鏡(jing)片(pian)、Fresnel 鏡(jing)片(pian)、超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)模具、磁(ci)盤驅動器磁(ci)頭(tou)、磁(ci)盤基板加(jia)(jia)工(gong)(gong)、半導(dao)體晶片(pian)切割(ge)等(deng)。在(zai)這一時期(qi)，超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)(jia)工(gong)(gong)設(she)備的(de)(de)相關(guan)技(ji)術，例如(ru)控(kong)制器、激光干(gan)涉儀、空氣軸(zhou)承精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)主軸(zhou)、空氣軸(zhou)承導(dao)軌(gui)、油壓(ya)軸(zhou)承導(dao)軌(gui)、摩(mo)擦(ca)驅動進給軸(zhou)也逐(zhu)漸(jian)成(cheng)(cheng)熟，超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)(jia)工(gong)(gong)設(she)備變(bian)為工(gong)(gong)業界常見的(de)(de)生產(chan)機(ji)器設(she)備，許多公(gong)司，甚至是小公(gong)司也紛(fen)紛(fen)推出量產(chan)型(xing)設(she)備。此外(wai)，設(she)備精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)度也逐(zhu)漸(jian)接近納米級水(shui)平，加(jia)(jia)工(gong)(gong)行程變(bian)得更大，加(jia)(jia)工(gong)(gong)應用(yong)也逐(zhu)漸(jian)增廣，除了(le)金剛石車床和超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)研磨外(wai)，超(chao)精(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)密(mi)(mi)五軸(zhou)銑削和飛切技(ji)術也被開發出來(lai)，并且(qie)可以加(jia)(jia)工(gong)(gong)非(fei)軸(zhou)對(dui)稱非(fei)球面的(de)(de)光學鏡(jing)片(pian)。

       目前世界上的超精密加工強國以歐美和日本為先，但兩者的研究重點并不一樣。歐美出于對能源或空間開發的重視，特別是美國，幾十年來不斷投入巨額經費，對大型紫外線、Ｘ射線探測望遠鏡的大口徑反射鏡的加工進行研究。如美國太空署(NASA)推動的太空開發計劃，以制作 1 m 以上反射鏡為目標，目的是探測 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到埃級來提高反射率。目前此類反射鏡的材料為質量輕且熱傳導性良好的碳化硅，但(dan)碳化(hua)(hua)硅硬(ying)度很高(gao)，須使用(yong)(yong)(yong)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)研磨加(jia)工(gong)等(deng)方法。日(ri)(ri)本(ben)(ben)對超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)技術(shu)(shu)的(de)(de)(de)研究相對美、英來(lai)說(shuo)起(qi)步較晚(wan)，卻(que)是當今世界上超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)技術(shu)(shu)發展最快的(de)(de)(de)國家。日(ri)(ri)本(ben)(ben)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)對象大部分是民用(yong)(yong)(yong)產(chan)品，包(bao)括辦(ban)公(gong)自動化(hua)(hua)設備(bei)、視像(xiang)(xiang)設備(bei)、精(jing)(jing)密(mi)(mi)測量(liang)儀器(qi)(qi)、醫療器(qi)(qi)械(xie)和人(ren)造器(qi)(qi)官等(deng)。日(ri)(ri)本(ben)(ben)在聲、光、圖(tu)像(xiang)(xiang)、辦(ban)公(gong)設備(bei)中的(de)(de)(de)小(xiao)型(xing)、超(chao)(chao)(chao)小(xiao)型(xing)電子和光學(xue)零件(jian)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)技術(shu)(shu)方面(mian)(mian)，具(ju)有優勢，甚(shen)至超(chao)(chao)(chao)過了(le)美國。日(ri)(ri)本(ben)(ben)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)加(jia)工(gong)最初從(cong)鋁、銅輪(lun)轂(gu)的(de)(de)(de)金剛石切(qie)削(xue)開始，而后集(ji)中于計算(suan)機硬(ying)盤磁片的(de)(de)(de)大批量(liang)生產(chan)，隨后是用(yong)(yong)(yong)于激光打(da)印機等(deng)設備(bei)的(de)(de)(de)多(duo)面(mian)(mian)鏡的(de)(de)(de)快速金剛石切(qie)削(xue)，之后是非(fei)球面(mian)(mian)透鏡等(deng)光學(xue)元件(jian)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)精(jing)(jing)密(mi)(mi)切(qie)削(xue)。1982 年上市的(de)(de)(de) Eastman  Kodak 數(shu)碼(ma)相機使用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)一枚(mei)非(fei)球面(mian)(mian)透鏡引起(qi)了(le)日(ri)(ri)本(ben)(ben)產(chan)業界的(de)(de)(de)廣(guang)泛關注(zhu)，因為 1 枚(mei)非(fei)球面(mian)(mian)透鏡至少(shao)可(ke)替代(dai) 3 枚(mei)球面(mian)(mian)透鏡，光學(xue)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)系統因而小(xiao)型(xing)化(hua)(hua)、輕質化(hua)(hua)，可(ke)廣(guang)泛應用(yong)(yong)(yong)于照(zhao)相機、錄(lu)像(xiang)(xiang)機、工(gong)業電視、機器(qi)(qi)人(ren)視覺、CD、VCD、DVD、投影(ying)儀等(deng)光電產(chan)品。因而，非(fei)球面(mian)(mian)透鏡的(de)(de)(de)精(jing)(jing)密(mi)(mi)成(cheng)(cheng)形(xing)加(jia)工(gong)成(cheng)(cheng)為日(ri)(ri)本(ben)(ben)光學(xue)產(chan)業界的(de)(de)(de)研究熱點。

       盡(jin)管(guan)隨(sui)時代(dai)的變化，超精密(mi)加工(gong)(gong)技術不斷(duan)更新，加工(gong)(gong)精度不斷(duan)提高(gao)，各國之間(jian)的研(yan)究側重點有所(suo)不同，但促進超精密(mi)加工(gong)(gong)發展(zhan)的因素(su)在本質上是相同的。這些因素(su)可歸結如下。

       (1)  對(dui)產品高質(zhi)量(liang)的(de)(de)追求(qiu)。為(wei)使磁片存儲(chu)密度(du)更(geng)(geng)高或(huo)鏡片光(guang)學(xue)性能更(geng)(geng)好(hao)，就必(bi)須獲得粗(cu)糙(cao)度(du)更(geng)(geng)低的(de)(de)表面。為(wei)使電(dian)子(zi)元件的(de)(de)功能正常發揮，就要求(qiu)加工(gong)(gong)后的(de)(de)表面不能殘留加工(gong)(gong)變(bian)質(zhi)層。按美國微電(dian)子(zi)技(ji)術協會(hui)(SIA)提出的(de)(de)技(ji)術要求(qiu)，下一代(dai)(dai)計算機硬盤(pan)的(de)(de)磁頭要求(qiu)表面粗(cu)糙(cao)度(du) Ra≤0.2 nm，磁盤(pan)要求(qiu)表面劃(hua)痕深度(du) h≤1 nm，表面粗(cu)糙(cao)度(du) Ra≤0.1 nm。1983 年(nian) TANIGUCHI 對(dui)各時(shi)期的(de)(de)加工(gong)(gong)精度(du)進行(xing)了總結并對(dui)其發展趨勢(shi)進行(xing)了預測，以此為(wei)基(ji)礎(chu)，BYRNE 等描繪了20世紀40年(nian)代(dai)(dai)后加工(gong)(gong)精度(du)的(de)(de)發展，如圖(tu) 1 所(suo)示(shi)。圖(tu) 2 顯示(shi)了 2003 年(nian)時(shi)各種加工(gong)(gong)方(fang)法可獲得的(de)(de)加工(gong)(gong)精度(du)。其中微細加工(gong)(gong)可實現特征尺寸為(wei) 1 μm、表面粗(cu)糙(cao)度(du)趨于 5 nm 的(de)(de)加工(gong)(gong)。

       (2)  對產品小型化的追求(qiu)。伴隨著(zhu)(zhu)加工精(jing)度提高的是工程零(ling)部件(jian)尺寸的減小。圖 3 描述了(le)各時(shi)期汽車上 ABS 系統的質(zhi)量變(bian)化。從 1989～2001 年，從 6.2 kg 降低到 1.8 kg。電(dian)子電(dian)路(lu)(lu)高集成化要(yao)求(qiu)降低硅(gui)晶(jing)片(pian)表(biao)面(mian)(mian)粗糙度、提高電(dian)路(lu)(lu)曝光用(yong)鏡片(pian)的精(jing)度、半(ban)導體制造設備的運動精(jing)度。零(ling)部件(jian)的小型化意味著(zhu)(zhu)表(biao)面(mian)(mian)積與體積的比值不斷增加，工件(jian)的表(biao)面(mian)(mian)質(zhi)量及(ji)其(qi)完整(zheng)性越(yue)來(lai)越(yue)重要(yao)。

       (3)  對(dui)(dui)產品高(gao)(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)(de)(de)追求(qiu)。對(dui)(dui)軸承等(deng)一(yi)邊(bian)承受載(zai)荷一(yi)邊(bian)做(zuo)相對(dui)(dui)運(yun)動的(de)(de)(de)零件，降低表(biao)面粗糙度可(ke)改善零件的(de)(de)(de)耐(nai)磨損性(xing)，提(ti)高(gao)(gao)其工作穩(wen)定(ding)性(xing)、延(yan)長使用(yong)壽命(ming)。目前，高(gao)(gao)速高(gao)(gao)精密軸承中使用(yong)的(de)(de)(de)Si3N4陶瓷球(qiu)的(de)(de)(de)表(biao)面粗糙度要求(qiu)達到數(shu)納米。加工變(bian)質層的(de)(de)(de)化學(xue)性(xing)質活潑，易受腐(fu)蝕，所以從提(ti)高(gao)(gao)零件耐(nai)腐(fu)蝕能力(li)的(de)(de)(de)角度出發，要求(qiu)加工產生的(de)(de)(de)變(bian)質層盡(jin)量小。

       (4)  對產品高(gao)(gao)性(xing)能(neng)的(de)追求(qiu)。機(ji)構運動(dong)精度的(de)提(ti)高(gao)(gao)，有(you)利于減(jian)緩力(li)學性(xing)能(neng)的(de)波動(dong)、降低振動(dong)和噪(zao)聲。對內燃機(ji)等要求(qiu)高(gao)(gao)密封(feng)性(xing)的(de)機(ji)械，良好的(de)表面粗糙度可減(jian)少泄露而(er)(er)降低損失。二戰后，航空航天工業(ye)要求(qiu)部分(fen)零件在高(gao)(gao)溫環(huan)境下工作，因(yin)而(er)(er)采(cai)用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為(wei)超精密加工提(ti)出了新的(de)課題(ti)。

       以(yi)上四個方面相互關聯，共同促進了超(chao)(chao)精密加工(gong)技術的發(fa)展。國際知(zhi)名超(chao)(chao)精密加工(gong)研(yan)(yan)究單(dan)位與(yu)企業(ye)主要有(you)，美國 LLL 實驗室(shi)和(he)(he) Moore 公(gong)(gong)司(si)、英國 Granfield 和(he)(he) Tayler 公(gong)(gong)司(si)、德國Zeiss 公(gong)(gong)司(si)和(he)(he) Kugler 公(gong)(gong)司(si)、日本東(dong)芝機械、豐田工(gong)機和(he)(he)不(bu)二越(yue)公(gong)(gong)司(si)等。我國從 20 世(shi)紀 80 年(nian)代(dai)初期(qi)開始研(yan)(yan)究超(chao)(chao)精密加工(gong)技術，主要的研(yan)(yan)究單(dan)位有(you)北京機床研(yan)(yan)究所、清華大學(xue)、哈爾濱工(gong)業(ye)大學(xue)、中國科(ke)學(xue)院長春光(guang)機所應用光(guang)學(xue)重(zhong)點實驗室(shi)、大連理工(gong)大學(xue)和(he)(he)浙江工(gong)業(ye)大學(xue)等。

       2   超精密加工(gong)材(cai)料

       為滿足高(gao)精(jing)度、高(gao)可靠性、高(gao)穩定性等品(pin)質需求，眾(zhong)多金(jin)屬及其合金(jin)、陶瓷材(cai)料、光學玻璃等需要經過超(chao)精(jing)密(mi)加工(gong)達到特(te)定的形狀、精(jing)度和表面完整性。這(zhe)里特(te)別(bie)對先進陶瓷材(cai)料進行介紹(shao)。

       先進陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)(liao)已(yi)經(jing)成為高精密機(ji)械、航空航天、軍事、光(guang)電信息發(fa)展的(de)(de)(de)基礎之一。先進陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)根據性能(neng)和應(ying)用(yong)(yong)范圍不同，大致可分(fen)為功能(neng)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)和結(jie)構陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)兩類。功能(neng)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)主要指利用(yong)(yong)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)電、光(guang)、磁、化學或生物等(deng)方面直接或耦(ou)合(he)的(de)(de)(de)效應(ying)以實現特定功能(neng)的(de)(de)(de)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，在電子、通信、計(ji)算機(ji)、激(ji)光(guang)和航空航天等(deng)技術領域(yu)有著(zhu)廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)。結(jie)構陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)(liao)具有優良的(de)(de)(de)耐高溫抗(kang)磨損性能(neng)，作(zuo)為高性能(neng)機(ji)械結(jie)構零件新材(cai)料(liao)(liao)顯示出廣闊(kuo)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)前景。表 1 列出了一些典型先進陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)(liao)及其用(yong)(yong)途(tu)。

       表(biao) 2 給(gei)出(chu)了延性(xing)(xing)(xing)(xing)金屬(shu)(shu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)與脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)先進(jin)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)部分物(wu)(wu)理(li)特性(xing)(xing)(xing)(xing)。表(biao) 3 給(gei)出(chu)了幾種先進(jin)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)物(wu)(wu)理(li)特性(xing)(xing)(xing)(xing)。先進(jin)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)多為共價?離子鍵化(hua)合物(wu)(wu)，晶體結(jie)構(gou)對(dui)稱性(xing)(xing)(xing)(xing)低、位錯(cuo)少，因而硬(ying)度(du)高(gao)、脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)大。氮化(hua)硅、碳化(hua)硅和藍寶(bao)石的(de)硬(ying)度(du)僅次于(yu)金剛石和 CBN，是公認的(de)典型硬(ying)脆(cui)難加工(gong)(gong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。先進(jin)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)與金屬(shu)(shu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)物(wu)(wu)理(li)特性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)差異決定了兩者(zhe)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)去除(chu)機理(li)的(de)不同(tong)。先進(jin)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)加工(gong)(gong)過程(cheng)中易產生裂紋(wen)等表(biao)面和亞表(biao)面損傷，對(dui)器件工(gong)(gong)作(zuo)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)和工(gong)(gong)作(zuo)壽命造(zao)成不利影(ying)響。

       3、超精密加工技術

       3.1超精密切(qie)削(xue)

       超(chao)精(jing)(jing)(jing)密切削(xue)以(yi) SPDT 技(ji)術(shu)開始(shi)，該技(ji)術(shu)以(yi)空氣軸(zhou)承(cheng)主軸(zhou)、氣動(dong)滑板、高(gao)剛(gang)性、高(gao)精(jing)(jing)(jing)度(du)工(gong)具(ju)、反饋(kui)控制(zhi)和環境溫度(du)控制(zhi)為支(zhi)撐，可獲得納米級表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)。所用刀(dao)具(ju)為大塊金剛(gang)石單(dan)晶，刀(dao)具(ju)刃口半徑極小(約 20 nm)。最先用于銅的(de)平(ping)面(mian)和非球面(mian)光學(xue)元件的(de)加工(gong)。隨后，加工(gong)材(cai)料(liao)(liao)拓(tuo)展至(zhi)有機(ji)玻璃、塑料(liao)(liao)制(zhi)品(如照相機(ji)的(de)塑料(liao)(liao)鏡(jing)片(pian)、隱(yin)形眼鏡(jing)鏡(jing)片(pian)等)、陶瓷及復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)等。超(chao)精(jing)(jing)(jing)密切削(xue)技(ji)術(shu)也由單(dan)點金剛(gang)石切削(xue)拓(tuo)展至(zhi)多點金剛(gang)石銑削(xue)。

       由于金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)在切削鋼(gang)材(cai)(cai)(cai)時會產生嚴(yan)重的(de)(de)磨損現象，因此(ci)(ci)有些研究嘗試使用(yong)單晶 CBN、超(chao)細(xi)晶粒硬金(jin)(jin)屬、陶瓷刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)來改善(shan)此(ci)(ci)問題(ti)(ti)，但研究成(cheng)果仍(reng)未達到可(ke)商業化(hua)的(de)(de)階(jie)段。未來的(de)(de)發展(zhan)趨勢是利用(yong)鍍膜(mo)技術(shu)來改善(shan)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)在加工(gong)硬化(hua)鋼(gang)材(cai)(cai)(cai)時的(de)(de)磨耗。此(ci)(ci)外，MEMS 組件(jian)等(deng)微小(xiao)(xiao)零件(jian)的(de)(de)加工(gong)需要微小(xiao)(xiao)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)，目前(qian)微小(xiao)(xiao)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)尺寸約可(ke)達 50～100 μm，但如(ru)果加工(gong)幾(ji)何(he)特(te)征(zheng)在亞微米甚至納米級，刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)直(zhi)徑必須(xu)再縮小(xiao)(xiao)。其發展(zhan)趨勢是利用(yong)納米材(cai)(cai)(cai)料如(ru)納米碳管(guan)來制作(zuo)超(chao)小(xiao)(xiao)刀(dao)(dao)(dao)(dao)徑的(de)(de)車(che)刀(dao)(dao)(dao)(dao)或銑刀(dao)(dao)(dao)(dao)。綜合而言，刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)材(cai)(cai)(cai)料與微細(xi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)制作(zuo)問題(ti)(ti)將是超(chao)精密(mi)加工(gong)未來的(de)(de)一個(ge)重要研究課題(ti)(ti)。

       3.2   超精密磨削

       超精密加工發展初期，磨削這種加工方法是被忽略的，因為砂輪中磨粒切削刃高度沿徑向分布的隨機性和磨損的不規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(shu)的(de)發展，超精(jing)密磨削技術(shu)逐漸成(cheng)形(xing)并(bing)迅速(su)發展。

       (1)  超(chao)硬(ying)(ying)磨料(liao)砂(sha)輪(lun)。超(chao)硬(ying)(ying)磨料(liao)砂(sha)輪(lun)是指由(you)金剛(gang)石或 CBN 磨料(liao)制(zhi)成的砂(sha)輪(lun)。金剛(gang)石砂(sha)輪(lun)適(shi)于(yu)(yu)磨削(xue)硬(ying)(ying)、脆有色金屬(shu)和(he)(he)(he)硬(ying)(ying)質合金、光學玻璃、陶瓷、寶石等(deng)高硬(ying)(ying)度、高脆性(xing)的非金屬(shu)材(cai)料(liao)，CBN 砂(sha)輪(lun)適(shi)于(yu)(yu)磨削(xue)淬硬(ying)(ying)鋼(gang)、耐熱(re)合金和(he)(he)(he)高硬(ying)(ying)度、高韌性(xing)的金屬(shu)材(cai)料(liao)，兩者相互補充幾乎涵蓋了所有被加(jia)工材(cai)料(liao)。超(chao)硬(ying)(ying)磨料(liao)砂(sha)輪(lun)的種類和(he)(he)(he)特性(xing)如表 4所示。

       金屬結合劑超硬磨料砂輪硬度高、強度大、保形能力強、耐磨性好，往往為精密和超精密磨削、成形磨削所采用。多層金屬結合劑超硬砂輪在實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；磨料分布隨機性強。針對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合劑的化學反應與擴散作用，提高結合劑對磨料的把持力，如此誕生了鍍銥砂輪。為解決磨粒出刃難的問題，將孔隙結構引入胚體誕生了多孔金屬結合劑砂輪。電鍍、高溫釬焊砂輪對上述三個方面都有改善，這些新型超硬磨料砂輪均出現于 20 世紀 90 年代。

       盡管超硬磨料砂輪的制作研究取得了上述進展，但鍍銥砂輪中活性元素主要通過純固態或半固態的反應與磨粒結合，結合強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充，盡管其使用壽命已接近多層磨具但畢竟受到(dao)限制。多孔金屬(shu)結(jie)合(he)劑金剛石砂(sha)輪雖然(ran)具(ju)有陶瓷結(jie)合(he)極(ji)超硬磨料(liao)砂(sha)輪易(yi)修整的特點，但以犧牲(sheng)結(jie)合(he)強度為代價(jia)。為此，徐(xu)鴻鈞等提出(chu)(chu)了開(kai)發(fa)多層(ceng)釺焊超硬磨料(liao)砂(sha)輪的構想，將磨粒(li)高把持力、磨粒(li)和孔隙擇優排布、磨粒(li)高出(chu)(chu)露度融為一(yi)體(ti)。

        (2)  超硬磨料(liao)砂輪修整技術。

       超(chao)(chao)硬(ying)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)砂(sha)輪(lun)(lun)具(ju)有(you)優良的(de)(de)(de)(de)(de)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損能力，不需經常修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)，但在(zai)初始安裝和(he)使用磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)鈍(dun)后修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)卻(que)比較困(kun)難。傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)方(fang)(fang)法(fa)往往通過剪切和(he)擠(ji)壓作用去除磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)達(da)到修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)，修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)過程(cheng)難控制，修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)精(jing)度(du)低、砂(sha)輪(lun)(lun)損耗大。為(wei)此(ci)，國內外學(xue)者(zhe)還提(ti)出了(le)多種(zhong)修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)方(fang)(fang)法(fa)，如電(dian)解(jie)在(zai)線修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)(Electronic in-process dressing，ELID)、電(dian) 化 學(xue) 在(zai) 線 控 制 修(xiu) 整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng) (Electrochemical  in-process controlled dressing，ECD)、干式 ECD、接觸式電(dian) 火 花 修(xiu) 整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng) (Electro-contact  discharge  dressing ，ECDD)、電(dian)化學(xue)放電(dian)加工(gong)(gong)(gong)(gong)(Electro-  chemical  dis-charge  machining ， ECDM)、 激 光 輔 助 修(xiu) 整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)(Laser-assisted truing and dressing)、噴射壓力修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)(Water-jet  in-process  dressing)、超(chao)(chao)聲(sheng)振(zhen)動(dong)修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)(Ultrasonic dressing)等。其中以 ELID 技術最為(wei)典型，應(ying)用最為(wei)成熟。該技術是由日本理化學(xue)研究所的(de)(de)(de)(de)(de)大森(sen)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)博(bo)士與(yu)東京(jing)大學(xue)中川(chuan)威(wei)雄(xiong)教授于 1990 年(nian)提(ti)出的(de)(de)(de)(de)(de)。ELID 磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)基本原理是，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)加工(gong)(gong)(gong)(gong)過程(cheng)中利用電(dian)解(jie)作用對(dui)金屬結合劑砂(sha)輪(lun)(lun)進行(xing)在(zai)線的(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)細(xi)修(xiu)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)，使磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)始終在(zai)具(ju)有(you)鋒利微刃狀態下進行(xing)加工(gong)(gong)(gong)(gong)。微刃的(de)(de)(de)(de)(de)數量多且具(ju)有(you)等高性(xing)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)痕跡微細(xi)，從而(er)在(zai)保持高效率的(de)(de)(de)(de)(de)情況下獲得極高的(de)(de)(de)(de)(de)加工(gong)(gong)(gong)(gong)精(jing)度(du)。他們用粒(li)(li)(li)度(du) 4 μm 金剛石砂(sha)輪(lun)(lun)加工(gong)(gong)(gong)(gong)硅片獲得 Rmax 48 nm、Ra4 nm 的(de)(de)(de)(de)(de)表面。用亞微米級粒(li)(li)(li)度(du)金剛石砂(sha)輪(lun)(lun)加工(gong)(gong)(gong)(gong)獲得Rmax 8.92 nm、Ra1.21 nm 的(de)(de)(de)(de)(de)表面。1995 年(nian)大森(sen)整(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)與(yu)川(chuan)威(wei)雄(xiong)對(dui) ELID 進行(xing)了(le)進一步的(de)(de)(de)(de)(de)研究，用#3 000 000鑄(zhu)鐵基金剛石砂(sha)輪(lun)(lun)對(dui)單晶(jing)硅進行(xing) ELID 磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)，加工(gong)(gong)(gong)(gong)后的(de)(de)(de)(de)(de)表面粗糙(cao)度(du)達(da) Rmax 2.34 nm、Ra0.329 nm。

       各國學者對(dui) Al2O3、Si3N4、Zr O2、SiC、Mn-Zn鐵氧(yang)體、單(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)、光學玻璃和(he)金(jin)屬陶(tao)瓷等多(duo)種(zhong)材料的(de)(de)(de) ELID 加(jia)(jia)工(gong)(gong)進(jin)行(xing)了(le)(le)(le)研究，包括(kuo)去(qu)除機(ji)理、磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)力、磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)熱、表(biao)面(mian)(mian)(mian)質量(liang)等基(ji)本規律，以及(ji)(ji)金(jin)剛石砂輪(lun)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)(xing)能、砂輪(lun)磨(mo)(mo)(mo)損及(ji)(ji)修(xiu)整工(gong)(gong)藝等關鍵技(ji)(ji)術，并研制(zhi)(zhi)成多(duo)種(zhong)產品，為許多(duo)工(gong)(gong)業部(bu)門(men)所采用(yong)。但(dan)是，超(chao)精密磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)以磨(mo)(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)(de)強制(zhi)(zhi)性(xing)(xing)(xing)(xing)切削(xue)(xue)去(qu)除材料，不(bu)可(ke)(ke)避(bi)免地在加(jia)(jia)工(gong)(gong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)留下加(jia)(jia)工(gong)(gong)損傷(shang)(shang)(shang)層(ceng)。大(da)森整與(yu)川威雄以40000#金(jin)剛石砂輪(lun)對(dui)硅(gui)(gui)晶(jing)(jing)片與(yu)玻璃進(jin)行(xing)加(jia)(jia)工(gong)(gong)，得到了(le)(le)(le) Ra2.8 nm 的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度，但(dan)具有約 1 μm 的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)損傷(shang)(shang)(shang)層(ceng)。劉世民等利(li)用(yong)掃(sao)描電鏡的(de)(de)(de)選區(qu)電子通道花樣(yang)技(ji)(ji)術研究了(le)(le)(le)用(yong) ELID 磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)技(ji)(ji)術制(zhi)(zhi)作的(de)(de)(de)兩(liang)種(zhong)單(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)片磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)樣(yang)品的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)變(bian)質層(ceng)的(de)(de)(de)厚度及(ji)(ji)其結(jie)構，發(fa)現(xian)兩(liang)種(zhong)單(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)片樣(yang)品的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度依次(ci)為 9.5 nm 和(he)22.5 nm，變(bian)質層(ceng)厚度分別為 2.8 μm 和(he)4.8 μm。此外(wai)，超(chao)精密磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)要(yao)求機(ji)床具有很(hen)高(gao)的(de)(de)(de)精度和(he)剛度，砂輪(lun)軸的(de)(de)(de)高(gao)速旋(xuan)轉必須使(shi)用(yong)價格昂貴的(de)(de)(de)軸承(cheng)，而某種(zhong)程度的(de)(de)(de)振動總是不(bu)可(ke)(ke)避(bi)免的(de)(de)(de)。磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)過程中(zhong)需(xu)要(yao)對(dui)砂輪(lun)不(bu)斷地進(jin)行(xing)修(xiu)整，以保(bao)持磨(mo)(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)(de)銳(rui)利(li)，防(fang)止磨(mo)(mo)(mo)屑(xie)(xie)堵塞砂輪(lun)燒(shao)傷(shang)(shang)(shang)工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)(mian)(mian)，容(rong)屑(xie)(xie)空間及(ji)(ji)其保(bao)持性(xing)(xing)(xing)(xing)成為制(zhi)(zhi)作超(chao)微細(xi)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)砂輪(lun)的(de)(de)(de)主要(yao)難題；另外(wai)，磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)過程中(zhong)，工(gong)(gong)件與(yu)砂輪(lun)主要(yao)為線接觸方式，加(jia)(jia)工(gong)(gong)具有單(dan)向性(xing)(xing)(xing)(xing)，很(hen)難保(bao)證加(jia)(jia)工(gong)(gong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)均(jun)勻(yun)性(xing)(xing)(xing)(xing)；非導磁(ci)性(xing)(xing)(xing)(xing)工(gong)(gong)件裝夾(jia)困難。這些問題都限制(zhi)(zhi)了(le)(le)(le)磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)可(ke)(ke)獲得的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)質量(liang)。

       (3)  珩(heng)磨(mo)(mo)。20 世(shi)紀 80 年代(dai)出現了(le)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)珩(heng)磨(mo)(mo)技(ji)(ji)術(或(huo)精(jing)細磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue))，該技(ji)(ji)術采用(yong)(yong)類(lei)似研磨(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)運動方(fang)式，珩(heng)磨(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)砂輪速(su)度(du)(du)是(shi)傳(chuan)統(tong)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)砂輪速(su)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de) 1/30～1/60。由于(yu)采用(yong)(yong)了(le)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)接觸(chu)的(de)(de)(de)(de)方(fang)式，同時(shi)(shi)參與(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)粒(li)(li)數增多，每個磨(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)垂直負荷僅是(shi)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)情況的(de)(de)(de)(de)1/50～1/100，單個平均切削(xue)(xue)(xue)刃的(de)(de)(de)(de)單位(wei)時(shi)(shi)間發(fa)熱(re)量是(shi)傳(chuan)統(tong)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de) 1/1 500～1/3 000 左(zuo)右，所(suo)產生的(de)(de)(de)(de)熱(re)變質(zhi)層(ceng)微小(xiao)。由于(yu)磨(mo)(mo)粒(li)(li)切削(xue)(xue)(xue)深度(du)(du)小(xiao)，所(suo)產生的(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工變質(zhi)層(ceng)以(yi)及殘余應(ying)力也小(xiao)。另外，平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)珩(heng)磨(mo)(mo)加(jia)(jia)(jia)工中，一(yi)(yi)(yi)次可以(yi)同時(shi)(shi)對一(yi)(yi)(yi)批工件進行加(jia)(jia)(jia)工；作用(yong)(yong)于(yu)磨(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)切削(xue)(xue)(xue)力方(fang)向經常(chang)發(fa)生變化(hua)，使磨(mo)(mo)粒(li)(li)破碎(sui)幾率(lv)增加(jia)(jia)(jia)、自(zi)礪作用(yong)(yong)顯著(zhu)。因此(ci)，從獲(huo)得優于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)加(jia)(jia)(jia)工的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)(du)這一(yi)(yi)(yi)點來說，具有比磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)更高的(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)，并且對機床精(jing)度(du)(du)要求不高。采用(yong)(yong)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)珩(heng)磨(mo)(mo)技(ji)(ji)術加(jia)(jia)(jia)工先進陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)，目前已(yi)可部分替代(dai)研磨(mo)(mo)。應(ying)用(yong)(yong)金剛石丸(wan)片(pian)的(de)(de)(de)(de)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)固著(zhu)磨(mo)(mo)料(liao)高速(su)研磨(mo)(mo)就是(shi)采用(yong)(yong)這種原理，且已(yi)廣泛應(ying)用(yong)(yong)到(dao)陶(tao)瓷(ci)、玻璃(li)、金屬等材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)加(jia)(jia)(jia)工中。但(dan)仍然利用(yong)(yong)磨(mo)(mo)粒(li)(li)強制切削(xue)(xue)(xue)工件表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)完成加(jia)(jia)(jia)工，可獲(huo)得的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)質(zhi)量受(shou)到(dao)限制。

   ;    3.3   超精密研(yan)磨與拋(pao)光

       研磨(mo)、拋(pao)光(guang)是(shi)(shi)最(zui)古老(lao)的(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)，也一直都(dou)是(shi)(shi)超精密加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)最(zui)主要的(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)手(shou)段。通常(chang)，研磨(mo)為(wei)(wei)次終加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)序，將平面度降(jiang)(jiang)低(di)至數微米以下，并去前道(dao)工(gong)(gong)(gong)(gong)序(通常(chang)為(wei)(wei)磨(mo)削)產生的(de)(de)損(sun)傷(shang)層(ceng)。拋(pao)光(guang)是(shi)(shi)目前主要的(de)(de)終加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)手(shou)段，目的(de)(de)是(shi)(shi)降(jiang)(jiang)低(di)表(biao)(biao)面粗糙度并去除研磨(mo)形成(cheng)的(de)(de)損(sun)傷(shang)層(ceng)，獲得光(guang)滑、無(wu)損(sun)傷(shang)的(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)表(biao)(biao)面。拋(pao)光(guang)過程中材料去除量十(shi)分微小，約為(wei)(wei) 5 μm。到目前為(wei)(wei)止，眾多學者提出了多種拋(pao)光(guang)方法，其中應(ying)用最(zui)為(wei)(wei)廣泛(fan)，技術最(zui)為(wei)(wei)成(cheng)熟的(de)(de)是(shi)(shi)化學機械(xie)拋(pao)光(guang)(Chemical- mechanical polishing，CMP)技術。

       CMP 是 IBM  公司于(yu) 20 世(shi)紀 80 年代(dai)中(zhong)期開(kai)發的(de)一項技(ji)術，最先用(yong)于(yu) 64 位(wei) RAM 的(de)生產，而后擴展至整(zheng)個半導體行(xing)業。YASUNAGA 等人用(yong) Si O2拋光(guang)藍寶石，用(yong) BaCO3、CeO2和 CaCO3拋光(guang)單(dan)晶硅，用(yong) Fe2O3和 MgO 拋光(guang)石英(ying)，獲(huo)得(de)了光(guang)滑無(wu)損(sun)(sun)傷表面(表面粗糙度接近1 nm)，首(shou)次提(ti)(ti)出并(bing)驗(yan)證了化學(xue)機械(xie)拋光(guang)的(de)概(gai)念。CMP 加(jia)工(gong)(gong)通過(guo)磨粒(li)—工(gong)(gong)件(jian)(jian)—加(jia)工(gong)(gong)環境之間的(de)機械(xie)、化學(xue)作用(yong)，實現工(gong)(gong)件(jian)(jian)材料的(de)微量去除，能獲(huo)得(de)超光(guang)滑、少(shao)/無(wu)損(sun)(sun)傷的(de)加(jia)工(gong)(gong)表面；加(jia)工(gong)(gong)軌跡呈現多方(fang)向性，有利于(yu)加(jia)工(gong)(gong)表面的(de)均勻一致性；加(jia)工(gong)(gong)過(guo)程遵循(xun)“進化”原則，無(wu)需(xu)精度很(hen)高的(de)加(jia)工(gong)(gong)設備。由于(yu) CMP 技(ji)術能夠提(ti)(ti)供超大規模集成(cheng)電路制造所需(xu)全面平坦(tan)化(這是其他技(ji)術不可比擬(ni)的(de))，目(mu)前已(yi)經(jing)成(cheng)為半導體工(gong)(gong)業中(zhong)的(de)主(zhu)導技(ji)術之一，并(bing)在不斷地擴展其應用(yong)領域。

       雖然(ran) CMP 技術被認(ren)為(wei)是(shi)獲得(de)(de)超光(guang)滑(hua)無(wu)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效(xiao)方(fang)法，可獲得(de)(de) 0.1 nm 級表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度和(he)(he)極小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)層(ceng)(2000年OGITA等用SC1清(qing)洗CMP上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硅片，發現(xian)(xian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)層(ceng)厚度為(wei) 21 nm)，但(dan)也存(cun)在(zai)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)局限性，主要(yao)體現(xian)(xian)在(zai)加(jia)(jia)工精度對(dui)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)尺寸差異敏感。在(zai)理(li)想狀況下，工件(jian)(jian)(jian)與(yu)磨(mo)(mo)(mo)具之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)度均(jun)勻一(yi)致(zhi)，磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)載(zai)荷(he)(he)相等(圖 4a)。當加(jia)(jia)工區內有(you)(you)硬質(zhi)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)產生(磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)團聚(ju)或(huo)工件(jian)(jian)(jian)磨(mo)(mo)(mo)屑)或(huo)進入(外界環(huan)境(jing)(jing)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)灰(hui)塵)時，若磨(mo)(mo)(mo)具為(wei)剛性，則加(jia)(jia)工載(zai)荷(he)(he)由少(shao)量大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)承擔(dan)，導致(zhi)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)對(dui)工件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)切深增(zeng)加(jia)(jia)因而形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)劃(hua)痕、凹坑(keng)等損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)，或(huo)者大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)在(zai)載(zai)荷(he)(he)作用下破(po)碎(sui)，但(dan)在(zai)破(po)碎(sui)前往往已(yi)在(zai)工件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)(圖 4b)；為(wei)此(ci)，通常采用彈性拋(pao)光(guang)墊(瀝青(qing)、聚(ju)氨酯等材(cai)料(liao))的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法來(lai)緩解(jie)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)對(dui)工件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)負(fu)面(mian)(mian)(mian)作用，但(dan)由于(yu)拋(pao)光(guang)墊與(yu)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)所接觸(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置彈性變形(xing)(xing)增(zeng)大(da)(da)，使得(de)(de)對(dui)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力增(zeng)加(jia)(jia)，仍會造(zao)成(cheng)(cheng)工件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)劃(hua)痕等損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)形(xing)(xing)式(圖 4c)。目前，只能(neng)靠提高(gao)(gao)加(jia)(jia)工環(huan)境(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凈化程度和(he)(he)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)性來(lai)避(bi)(bi)免(mian)硬質(zhi)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)對(dui)加(jia)(jia)工面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)，但(dan)代價高(gao)(gao)昂且不能(neng)完全避(bi)(bi)免(mian)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)侵入。硬質(zhi)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)劃(hua)痕使大(da)(da)量工件(jian)(jian)(jian)返修或(huo)報(bao)廢，嚴重阻(zu)礙了整體加(jia)(jia)工效(xiao)率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)(gao)，如何(he)有(you)(you)效(xiao)避(bi)(bi)免(mian)硬質(zhi)大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)造(zao)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)損(sun)(sun)(sun)(sun)傷(shang)已(yi)經成(cheng)(cheng)為(wei)拋(pao)光(guang)工藝中亟(ji)待解(jie)決的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題(ti)。此(ci)外，材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)主要(yao)基于(yu)三體磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)機理(li)，磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)主要(yao)以滾動的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式實現(xian)(xian)材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)，單位(wei)時間(jian)內參與(yu)材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)數量少(shao)，材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)率低(di)，帶有(you)(you)化學成(cheng)(cheng)分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)工液(ye)和(he)(he)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)危害環(huan)境(jing)(jing)且處理(li)成(cheng)(cheng)本(ben)高(gao)(gao)。

       除 CMP 技術外，經典的超精密研磨拋光方法還有以下幾種。

       (1)  彈性(xing)發(fa)(fa)射加(jia)工(gong)(Elastic  emission  machine，EEM)。日(ri)本大阪大學 TSUWA 等(deng)(deng)研(yan)究了在工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，以(yi)原子級(ji)去除材(cai)(cai)料(liao)的(de)可行性(xing)，建立了彈性(xing)發(fa)(fa)射加(jia)工(gong)理論，其(qi)加(jia)工(gong)原理和生產(chan)設(she)備分(fen)別(bie)如圖 5、6所(suo)示。EEM 技術(shu)采(cai)用(yong)浸(jin)液工(gong)作方式，利用(yong)在工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)高速旋轉的(de)聚(ju)氨酯小球帶動(dong)拋光液中粒(li)度為幾十(shi)納米的(de)磨(mo)料(liao)，以(yi)盡(jin)可能小的(de)入射角沖擊工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，通過磨(mo)粒(li)與工(gong)件之間的(de)化(hua)學作用(yong)去除工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)，工(gong)件表(biao)(biao)(biao)層(ceng)無塑性(xing)變形，不產(chan)生晶格轉位等(deng)(deng)缺(que)陷，對加(jia)工(gong)功能晶體材(cai)(cai)料(liao)極為有利。TSUWA 等(deng)(deng)使(shi)用(yong)聚(ju)氨基甲酸脂(zhi)球為工(gong)具，利用(yong) Zr O2微粉對單晶硅進行彈性(xing)發(fa)(fa)射加(jia)工(gong)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度達 0.5 nm。

       (2)  動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)浮離拋(pao)(pao)光。WATANABE 等利用(yong)動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)軸(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)(de)原理開發了動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)浮離拋(pao)(pao)光技術，如圖 7 所示。通過在拋(pao)(pao)光盤(pan)沿其圓(yuan)周方(fang)向制有(you)若(ruo)干傾斜平面(mian)，利用(yong)拋(pao)(pao)光盤(pan)轉(zhuan)動(dong)(dong)(dong)時產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)液(ye)動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)，使工件浮于拋(pao)(pao)光盤(pan)表面(mian)，通過浮動(dong)(dong)(dong)間隙中的(de)(de)(de)(de)拋(pao)(pao)光料微粒(li)對工件進行拋(pao)(pao)光。因(yin)為沒有(you)摩(mo)擦熱和(he)磨(mo)(mo)具磨(mo)(mo)損(sun)，標準(zhun)面(mian)不(bu)會變化，因(yin)此可重復獲得(de)精密(mi)的(de)(de)(de)(de)工件表面(mian)。采用(yong)這種(zhong)拋(pao)(pao)光方(fang)法加工直徑(jing)為 75 mm 的(de)(de)(de)(de)硅晶片，可獲得(de) 0.3 μm 的(de)(de)(de)(de)平面(mian)度和(he) 1 nm 的(de)(de)(de)(de)表面(mian)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拋光盤表面上，使得拋光盤和工件高速旋轉，在兩者之間拋光液呈動壓液體狀態，并形成一層液膜，再利用液膜里的磨料高速沖擊工件表面，從而實現材料的去除。NAMBA等采用SiO2膠粒、CeO2和 Al2O3拋光工藍寶石(001)面進行了浮動拋光，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整、亞表層無破壞、由拋光引起的表面殘余應力極小、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錫盤作為磨具，而 EEM法拋光以聚氨酯膠輪作為磨具。

       (4)  低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)。低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)是(shi)(shi)指在低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)環(huan)(huan)境(jing)下利用(yong)凝結(jie)成固(gu)態的(de)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液進行拋(pao)(pao)(pao)光(guang)加(jia)工(gong)。韓(han)榮久等(deng)將(jiang)膠體 SiO2冷凍(dong)成固(gu)體膜而后(hou)，使(shi)溫(wen)(wen)度(du)(du)保持在–50～–30 ℃之(zhi)間，對(dui)(dui) K9 玻璃(li)(li)進行了加(jia)工(gong)獲得(de)了Ra  0.4 nm 的(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)。WU等(deng)將(jiang)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)方(fang)法(fa)與無(wu)磨料(liao)(liao)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)技術(shu)相結(jie)合，提出了無(wu)磨料(liao)(liao)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)方(fang)法(fa)，即以(yi)去(qu)離子水在低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)下的(de)固(gu)體冰作為(wei)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)工(gong)具。對(dui)(dui) K9 玻璃(li)(li)進行加(jia)工(gong)可獲得(de)Ra0.48 nm 的(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(加(jia)工(gong)前工(gong)件表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)為(wei) Ra1.3 nm)。對(dui)(dui)加(jia)工(gong)后(hou)產(chan)(chan)生的(de)水進行分(fen)析，未(wei)發現(xian)固(gu)態玻璃(li)(li)碎片，判斷材料(liao)(liao)以(yi)水解方(fang)式去(qu)處，因此(ci)有效避免了微劃(hua)痕(hen)等(deng)缺陷的(de)產(chan)(chan)生。拋(pao)(pao)(pao)光(guang) 40 h 后(hou)，用(yong)精度(du)(du)為(wei) 0.01 g 的(de)電子天平未(wei)能測量(liang)出工(gong)件的(de)質量(liang)變化。但是(shi)(shi)，由于(yu)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)、真空環(huan)(huan)境(jing)的(de)保持需(xu)要(yao)極高的(de)代價，應用(yong)受到限制(zhi)。

       (5)  磁(ci)場輔(fu)助拋(pao)光。磁(ci)場輔(fu)助拋(pao)光主要(yao)包括磁(ci)性(xing)磨粒加(jia)工(gong)(Magnetic abrasive finishing，MAF)、磁(ci)浮置拋(pao)光(Magnetic  float  polishing，MPF)和(he)磁(ci)流變(bian)加(jia)工(gong)(Magnetor- heological finishing，MRF)。

       磁性研磨加工這一概念最早由前蘇聯工程師Kagolow 于 1938 年提出。加工時，磁性磨粒(必須兼有可磁化又能進行研磨這兩種性能的微顆粒)在磁場作用下形成“磁刷”，通過磁極與工件的相對運動，使“磁刷”與工件發生干涉摩擦，完成加工。加工壓力可由磁場控制。FOX 等用 0.1 μm 金剛石微粉對不(bu)銹鋼滾子進行磁性磨(mo)粒加工(gong)獲得 Ra10 nm 的(de)(de)(de)表面(mian)。磁性磨(mo)粒加工(gong)具有對工(gong)件幾何外形幾乎無限(xian)制、對設備精度要求不(bu)高等特點，特別(bie)是(shi)磨(mo)粒與工(gong)件表面(mian)之間并非剛(gang)性接觸，所以即(ji)使有少數大(da)磨(mo)粒存(cun)在或工(gong)件表面(mian)偶然出現不(bu)均勻(yun)硬(ying)點，也(ye)不(bu)會因為(wei)切削阻力突(tu)然改(gai)變而劃傷工(gong)件表面(mian)。但過去(qu)所發表的(de)(de)(de) MAF 研(yan)究論文當中(zhong)，幾乎 90 %以上(shang)的(de)(de)(de)試驗均是(shi)使用(yong)燒結制成的(de)(de)(de)磁性磨(mo)料，因為(wei)燒結過程復雜，成本昂(ang)貴，應用(yong)受到限(xian)制。

       磁浮置拋光是由 TANI 等研發的，其后經過了 UMEHARA、CHILDS、KATO 等眾多學者不斷完善發展，其裝置如圖 9 所示。非磁性磨料混入磁流體并置于磁場中時，由于磁流體中強磁性微粒的作用，磁流體被吸向高磁場一側，同時非磁性磨粒與磁流體的運動方向相反，被推向低磁場一側磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉的工件而進行拋光。JIANG 等利用磁浮置拋光方法對 Si3N4陶瓷球進行加工(Ce O2,  5 μm)，獲得了 Ra 4 nm、Rz 40 nm的表面精度。

       磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)加(jia)(jia)工(gong)技術是 20 世紀 90 年(nian)代初由KORDONSKY 等(deng)提出的(de)(de)(de)，他們將(jiang)電磁(ci)(ci)學和流(liu)(liu)體動(dong)力(li)學理(li)論(lun)結(jie)合(he)，利用磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)(由磁(ci)(ci)性顆粒(li)、基(ji)液(ye)(ye)(ye)(ye)和穩定劑(ji)組成(cheng)的(de)(de)(de)懸浮液(ye)(ye)(ye)(ye))在磁(ci)(ci)場中(zhong)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)變(bian)(bian)特性對(dui)光(guang)(guang)(guang)學玻璃進(jin)行拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)。磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)變(bian)(bian)特性可以(yi)通過(guo)外加(jia)(jia)磁(ci)(ci)場強弱的(de)(de)(de)調節來控制。磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)加(jia)(jia)工(gong)裝置如圖 10所示。磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)由噴嘴噴灑在旋轉(zhuan)的(de)(de)(de)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)輪(lun)(lun)上(shang)，磁(ci)(ci)極置于拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)下方，在工(gong)件(jian)與拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)輪(lun)(lun)所形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)狹小(xiao)(xiao)空隙附(fu)近形(xing)成(cheng)一(yi)個高梯(ti)度(du)磁(ci)(ci)場。當拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)輪(lun)(lun)上(shang)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)被傳送(song)至工(gong)件(jian)與拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)輪(lun)(lun)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)空隙附(fu)近時，高梯(ti)度(du)磁(ci)(ci)場使(shi)之凝聚、變(bian)(bian)硬，成(cheng)為粘(zhan)塑性的(de)(de)(de) Bingham 介質。具(ju)有較高運(yun)動(dong)速(su)度(du)的(de)(de)(de) Bingham   介質通過(guo)狹小(xiao)(xiao)空隙時，在工(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)與之接觸的(de)(de)(de)區域產生(sheng)很大(da)的(de)(de)(de)剪切力(li)，從而使(shi)工(gong)件(jian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)材料被去除(chu)。在拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)過(guo)程(cheng)中(zhong)，通過(guo)控制工(gong)件(jian)在磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)的(de)(de)(de)掃過(guo)速(su)率(或停留時間)可實現(xian)工(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)選擇性去除(chu)。1997 年(nian) JACOBS 等(deng)對(dui)紅(hong)外材料 BK7、CaF2、LiF 等(deng)進(jin)行磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)，獲得(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)小(xiao)(xiao)于 5 nm的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)滑表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。2006 年(nian)孫希威(wei)等(deng)用磁(ci)(ci)流(liu)(liu)變(bian)(bian)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)加(jia)(jia)工(gong)了R41.3 mm、口徑 20 mm 的(de)(de)(de) K9 光(guang)(guang)(guang)學玻璃球面(mian)(mian)(mian)工(gong)件(jian),獲得(de)了表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du) 8.441 nm、面(mian)(mian)(mian)形(xing)精度(du)57.911 nm PV 的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。

       (6)  氣囊式拋光。氣囊式拋光技術是 2000 年倫敦學院大學光學科學實驗室和 Zeeko 有限公司聯合提出的。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，工具氣囊旋轉形成拋光運動，工件對氣囊拋光工具作相對的進給運動，使工件的全部表面都被能拋光加工。工具氣囊同時還作擺動(擺動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，可以自動適應工件的曲面形狀，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(ying)力盤(pan)(pan)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)。為實現大(da)型非(fei)(fei)(fei)球(qiu)面元件的(de)(de)超精密加工(gong)，誕生了應(ying)力盤(pan)(pan)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)方法。該(gai)方法采(cai)用大(da)尺寸剛性盤(pan)(pan)作(zuo)為基盤(pan)(pan)，在周邊可變(bian)應(ying)力的(de)(de)作(zuo)用下，盤(pan)(pan)的(de)(de)面形可以實時地(di)變(bian)形成(cheng)所需要的(de)(de)面形，以適配非(fei)(fei)(fei)球(qiu)面的(de)(de)不同位(wei)置上的(de)(de)吻合(he)研磨。應(ying)力盤(pan)(pan)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術具有(you)優先去(qu)除表(biao)面最高點或部位(wei)的(de)(de)特點，具有(you)平滑(hua)中高頻(pin)差(cha)的(de)(de)趨勢(shi)，可以很好地(di)控制(zhi)中高頻(pin)差(cha)的(de)(de)出現、有(you)效地(di)提高加工(gong)效率。2002 年 MARTIN 等用應(ying)力盤(pan)(pan)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術對 Magellan 望遠(yuan)鏡(jing)(jing)(jing) 6.5 mf/1.25 主鏡(jing)(jing)(jing)和Large Binocular 望遠(yuan)鏡(jing)(jing)(jing) 8.4 mf/1.14 主鏡(jing)(jing)(jing)進行了拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)，這些大(da)型鏡(jing)(jing)(jing)片都是非(fei)(fei)(fei)球(qiu)面鏡(jing)(jing)(jing)，加工(gong)后形狀(zhuang)誤差(cha)為0.01%，表(biao)面粗糙度為 20 nm。

       (8)  電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)。電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)又稱(cheng)電(dian)(dian)(dian)化學拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)，起(qi)(qi)源于 20 世紀初。1930 年(nian)法國電(dian)(dian)(dian)話(hua)公司Jacquet 首次提出電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術，并進(jin)行了系統研究(jiu)。目(mu)前，解(jie)釋(shi)電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)過(guo)程比較(jiao)(jiao)合理(li)的(de)(de)(de)理(li)論是薄(bo)(bo)膜(mo)理(li)論。薄(bo)(bo)膜(mo)理(li)論認為，電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)時(shi)，靠近(jin)(jin)金(jin)(jin)屬試樣陽極(ji)表(biao)面的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)解(jie)液，在試樣上隨著表(biao)面凹凸高低(di)不(bu)平形成(cheng)一層薄(bo)(bo)厚(hou)不(bu)均勻的(de)(de)(de)粘性薄(bo)(bo)膜(mo)。由(you)于電(dian)(dian)(dian)解(jie)液攪拌流動，在靠近(jin)(jin)試樣表(biao)面凹陷(xian)的(de)(de)(de)地方(fang)，擴散流動得(de)較(jiao)(jiao)慢，因(yin)而(er)形成(cheng)的(de)(de)(de)膜(mo)較(jiao)(jiao)厚(hou)，而(er)在凸起(qi)(qi)的(de)(de)(de)地方(fang)薄(bo)(bo)膜(mo)較(jiao)(jiao)薄(bo)(bo)。由(you)于試樣表(biao)面各(ge)處(chu)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流密度(du)相(xiang)差(cha)很多，凸起(qi)(qi)頂峰地方(fang)電(dian)(dian)(dian)流密度(du)很大，金(jin)(jin)屬快(kuai)速地溶解(jie)于電(dian)(dian)(dian)解(jie)液中，而(er)凹陷(xian)部分金(jin)(jin)屬則(ze)溶解(jie)慢，結(jie)果使得(de)粗(cu)糙(cao)的(de)(de)(de)表(biao)面變得(de)平整從(cong)而(er)達(da)到拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。2003 年(nian) HUANG 等對高速鋼進(jin)行電(dian)(dian)(dian)解(jie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)，獲得(de) Ra30～50 nm 的(de)(de)(de)表(biao)面。

       (9)  離子(zi)(zi)(zi)束拋光。離子(zi)(zi)(zi)束拋光是把中性(xing)離子(zi)(zi)(zi)在電場中加(jia)速，撞(zhuang)擊(ji)工件(jian)表面(mian)的(de)原子(zi)(zi)(zi)或分(fen)子(zi)(zi)(zi)，使其逸出表面(mian)從(cong)而(er)將材(cai)料(liao)去除(圖 11)。由(you)于被加(jia)工材(cai)料(liao)以(yi)原子(zi)(zi)(zi)或分(fen)子(zi)(zi)(zi)為單位去除，可獲得納米級高質量加(jia)工表面(mian)。LI等用氟離子(zi)(zi)(zi)束對(dui) CMP 后(hou)的(de) 50 mmGaSb外延(yan)片進行(xing)超精加(jia)工，使其表面(mian)粗(cu)糙(cao)度由(you) 0.7 nm 降低到 0.18 nm。離子(zi)(zi)(zi)束拋光可加(jia)工的(de)材(cai)料(liao)范圍較廣，對(dui)工件(jian)尺(chi)寸沒有嚴格控制，并(bing)且可加(jia)工球面(mian)、非(fei)球面(mian)和非(fei)對(dui)稱(cheng)面(mian)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 蒸 發 加 工 (chemical  vaporization  machining ，CVM)，是在真空環境下進行，其設備如圖 12 所示。將化學氣體(通常為鹵素類氣體，如 CF、Cl2等)激發成活性等離子體，與加工面產生化學反應，生成揮發性物質從而達到材料去除的目的。這種加工方法實用化的一種就是等離子腐蝕。

       PACE加(jia)工(gong)具有(you)拋(pao)光效率(lv)高，工(gong)作不受機械壓力(li)，沒有(you)機械變形，加(jia)工(gong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)無(wu)亞表(biao)(biao)面(mian)(mian)損(sun)傷、無(wu)污染，加(jia)工(gong)球(qiu)面(mian)(mian)和非球(qiu)面(mian)(mian)難(nan)易(yi)相當等優點。目(mu)前Perkin-Elmer 公(gong)司(si)用(yong)該技(ji)術已在(zai)φ 0.5 m～1.0 m 的(de)非球(qiu)面(mian)(mian)上加(jia)工(gong)出面(mian)(mian)形精(jing)度小于(yu) 1/50λ，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度小于(yu) 0.5 nm 的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)。

       (11)  激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)技術(shu)(shu)是利(li)(li)(li)用激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)與(yu)(yu)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)表面(mian)(mian)相互作用進(jin)行加(jia)工(gong)，它遵循激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)與(yu)(yu)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)作用的(de)(de)(de)(de)普遍規律。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)與(yu)(yu)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)間的(de)(de)(de)(de)作用方式有熱(re)(re)作用和光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化(hua)學作用，可(ke)把激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)分為熱(re)(re)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和冷拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。熱(re)(re)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)是利(li)(li)(li)用激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying)，通過熔化(hua)、蒸發(fa)(fa)等(deng)過程(cheng)去除(chu)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。因(yin)此(ci)只要(yao)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)物理性能好，都可(ke)以用它來進(jin)行拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，但(dan)(dan)由于(yu)溫(wen)度梯度大而(er)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)應(ying)(ying)力大，易(yi)產(chan)(chan)生(sheng)裂紋(wen)，因(yin)此(ci)熱(re)(re)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)果不(bu)(bu)(bu)是很(hen)好。冷拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)是利(li)(li)(li)用材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)吸收(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子后，表層材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學鍵(jian)被(bei)打斷或(huo)者是晶(jing)格結構被(bei)破壞(huai)，從而(er)實現材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)去除(chu)。利(li)(li)(li)用光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化(hua)學作用時，熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying)可(ke)以被(bei)忽略，因(yin)此(ci)熱(re)(re)應(ying)(ying)力很(hen)小，不(bu)(bu)(bu)產(chan)(chan)生(sheng)裂紋(wen)，也不(bu)(bu)(bu)影響周圍(wei)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，且容易(yi)控(kong)制材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)去除(chu)量(liang)，特別(bie)適合(he)于(yu)硬脆性材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)精密加(jia)工(gong)UDREA 等(deng)利(li)(li)(li)用 CO2激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器對光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)(de)端(duan)面(mian)(mian)進(jin)行拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，得到(dao)的(de)(de)(de)(de) Ra 100 nm 表面(mian)(mian)粗糙度。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)是一種(zhong)(zhong)非接觸拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，不(bu)(bu)(bu)僅能對平面(mian)(mian)進(jin)行拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，還能對各種(zhong)(zhong)曲面(mian)(mian)進(jin)行拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。而(er)且對環境的(de)(de)(de)(de)污染小，可(ke)以實現局部拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，特別(bie)適用于(yu)超硬材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和脆性材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)精拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)，具有良好的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)前景。但(dan)(dan)目前激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)作為一種(zhong)(zhong)新技術(shu)(shu)還處于(yu)發(fa)(fa)展(zhan)階(jie)段，還存在著設備(bei)和加(jia)工(gong)成本高、加(jia)工(gong)過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測技術(shu)(shu)和精度控(kong)制技術(shu)(shu)要(yao)求比較高等(deng)缺點。

       4、幾類超精密加工技術的比較及半固

       著磨粒加工(gong) 超(chao)精密加工(gong)的(de)精度(du)不僅(jin)隨時(shi)代變化，即(ji)使在(zai)同(tong)一時(shi)期，工(gong)件(jian)的(de)尺寸、形狀、材質(zhi)、用(yong)途和加工(gong)難度(du)不同(tong)，超(chao)精密加工(gong)的(de)精度(du)也不同(tong)。對上述幾種典型的(de)超(chao)精密加工(gong)技(ji)術可進行定性(xing)比(bi)較，如表 5 所示。

       如前所述，超精密切削以高剛度、高精度的設備為支撐，可獲得納米級表面粗糙度，具有較高的材料去除率。但同一時間僅能加工一件工件，故而生產效率可能不及多片加工的磨削或研磨拋光技術。同樣超精密砂輪磨削也要求高剛度、高精度的設備，材料去除率高，使用超細磨粒砂輪甚至可以獲得埃級表面粗糙度。但超細磨粒砂輪的制備及其容屑空間的保持等問題尚未成熟。由砂輪磨削發展而來的平面珩磨技術采用降低砂輪轉速的方法，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償因轉速降低帶來的磨削效率的損失。對設備精度要求不高，但與超精密切削、磨削一樣，通過被加工材料的強制性去除方式完成加工，限制了所能獲得的表面質量，不可避免地在加工表面留下加工損傷層。相對于超精密磨削、珩磨等固著磨粒加工，利用游離磨粒進行加工的超精密研磨拋光技術，如 CMP、EEM 等，可獲得更高的表面質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，磨粒對工件的作用是非強制性的，材料去除率更低。且加工精度和加工效率對磨粒尺寸差異十分敏感，硬質大顆粒的侵入可導致大量工件返修或報廢，在降低加工精度和加工效率同時引起生產成本的大幅上升。磁性磨粒加工雖然降低了對硬質大顆粒的敏感度，但磁性磨粒復雜而昂貴的制備過程限制其發展和應用。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，使工件表面質量和損傷層進一步提高。此類技術通常需要特殊的設備，要求高精度的檢測技術和控制技術，加工成本高。

       為(wei)實現高效精密(mi)加工(gong)(gong)，誕生了將固著(zhu)磨(mo)粒(li)加工(gong)(gong)和游離磨(mo)粒(li)加工(gong)(gong)進(jin)(jin)行(xing)(xing)整合(he)的(de)半固著(zhu)磨(mo)粒(li)加工(gong)(gong)概念。SHIMADA 等提出了一種(zhong)使用半固態(tai)的(de)磁(ci)性(xing)拋光(guang)體(Magnetic compound fluid polishing tool，MPT)進(jin)(jin)行(xing)(xing)超精密(mi)加工(gong)(gong)的(de)方(fang)(fang)法。該方(fang)(fang)法將磁(ci)性(xing)復合(he)流體(Magnetic compound fluid，MCF)和磨(mo)粒(li)、植物纖維(wei)均勻混合(he)后在(zai)磁(ci)場(chang)條件下(xia)壓縮制得 MPT，MPT 在(zai)磁(ci)場(chang)作用下(xia)為(wei)半固態(tai)，以(yi)此(ci)對工(gong)(gong)件進(jin)(jin)行(xing)(xing)加工(gong)(gong)。他們使用微(wei)米(mi)級鐵粉構(gou)成(cheng)的(de) MPT 對 SUS430 不銹(xiu)鋼進(jin)(jin)行(xing)(xing)拋光(guang)，獲得 Ra15 nm 的(de)表(biao)面(mian)(mian)。目前(qian)此(ci)方(fang)(fang)面(mian)(mian)研究(jiu)尚處于起步階段。

       針對(dui)大批量生(sheng)產的(de)(de)氮(dan)化硅陶瓷、藍寶石單晶等硬(ying)脆難加工(gong)(gong)先(xian)進陶瓷材料超(chao)光(guang)滑(hua)無損傷表(biao)面高效加工(gong)(gong)的(de)(de)要求，作者提出一種(zhong)半(ban)固著磨(mo)粒(li)加工(gong)(gong)技術(shu)。磨(mo)具(ju)(ju)中的(de)(de)磨(mo)粒(li)處于半(ban)固著狀(zhuang)態，磨(mo)具(ju)(ju)表(biao)層對(dui)硬(ying)質大顆粒(li)具(ju)(ju)有“陷阱”效應，即硬(ying)質大顆粒(li)侵入(ru)時，可使之陷入(ru)磨(mo)具(ju)(ju)表(biao)面，從而主動(dong)防止或降低大顆粒(li)對(dui)加工(gong)(gong)表(biao)面造成的(de)(de)損傷。同時，該技術(shu)具(ju)(ju)有比研(yan)磨(mo)更(geng)高的(de)(de)加工(gong)(gong)效率(lv)，表(biao)面加工(gong)(gong)質量甚(shen)至(zhi)可以達到拋光(guang)的(de)(de)水(shui)平。

       5、超精密加工的發展趨勢

       (1)  高(gao)(gao)精度(du)、高(gao)(gao)效率(lv)。高(gao)(gao)精度(du)與高(gao)(gao)效率(lv)是超(chao)(chao)精密加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)永恒的(de)(de)(de)主題。總的(de)(de)(de)來(lai)說(shuo)，固著(zhu)(zhu)(zhu)磨(mo)(mo)粒(li)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)不(bu)斷追求(qiu)著(zhu)(zhu)(zhu)游離磨(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)精度(du)，而游離磨(mo)(mo)粒(li)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)不(bu)斷追求(qiu)的(de)(de)(de)是固著(zhu)(zhu)(zhu)磨(mo)(mo)粒(li)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)的(de)(de)(de)效率(lv)。當前超(chao)(chao)精密加(jia)(jia)(jia)技術如 CMP、EEM 等(deng)雖能獲得極高(gao)(gao)的(de)(de)(de)表面質量和表面完整(zheng)性，但(dan)(dan)以犧(xi)牲加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)效率(lv)為保證。超(chao)(chao)精密切削、磨(mo)(mo)削技術雖然加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)效率(lv)高(gao)(gao)，但(dan)(dan)無(wu)法(fa)獲得如 CMP、EEM 的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)精度(du)。探(tan)索能兼(jian)顧效率(lv)與精度(du)的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)方法(fa)，成為超(chao)(chao)精密加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)領(ling)域研究人(ren)員的(de)(de)(de)目標。半固著(zhu)(zhu)(zhu)磨(mo)(mo)粒(li)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)方法(fa)的(de)(de)(de)出現(xian)(xian)即體(ti)現(xian)(xian)了這一趨勢。另一方面表現(xian)(xian)為電解磁力研磨(mo)(mo)、磁流變磨(mo)(mo)料流加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)等(deng)復合加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)方法(fa)的(de)(de)(de)誕(dan)生。

       (2)  工藝整合化。當今企業(ye)間(jian)的(de)競爭趨于白熱化，高生產效率越(yue)來(lai)越(yue)成為企業(ye)賴以(yi)生存的(de)條件。在這樣(yang)的(de)背景下，出現了“以(yi)磨代研(yan)”甚至“以(yi)磨代拋”的(de)呼聲。另一方面，使用一臺設備完(wan)成多種加工(如(ru)車(che)削(xue)(xue)(xue)、鉆削(xue)(xue)(xue)、銑削(xue)(xue)(xue)、磨削(xue)(xue)(xue)、光整)的(de)趨勢越(yue)來(lai)越(yue)明顯。

       (3)  大型(xing)(xing)化、微型(xing)(xing)化。為(wei)加工(gong)(gong)航空、航天、宇航等(deng)領(ling)域需(xu)要的(de)大型(xing)(xing)光(guang)電(dian)子器(qi)件(如(ru)大型(xing)(xing)天體望遠(yuan)鏡(jing)上的(de)反射(she)鏡(jing))，需(xu)要建立(li)大型(xing)(xing)超精(jing)(jing)密加工(gong)(gong)設(she)備。為(wei)加工(gong)(gong)微型(xing)(xing)電(dian)子機械(xie)、光(guang)電(dian)信息等(deng)領(ling)域需(xu)要的(de)微型(xing)(xing)器(qi)件(如(ru)微型(xing)(xing)傳感器(qi)、微型(xing)(xing)驅(qu)動元(yuan)件等(deng))，需(xu)要微型(xing)(xing)超精(jing)(jing)密加工(gong)(gong)設(she)備(但(dan)這并不是(shi)說(shuo)加工(gong)(gong)微小(xiao)型(xing)(xing)工(gong)(gong)件一定需(xu)要微小(xiao)型(xing)(xing)加工(gong)(gong)設(she)備)。

       (4)  在(zai)線(xian)檢(jian)測(ce)。盡管(guan)現(xian)在(zai)超(chao)精(jing)密加(jia)(jia)工(gong)方法多種多樣，但(dan)都尚未發(fa)展成(cheng)熟(shu)。例(li)如(ru)，雖然(ran) CMP 等(deng)加(jia)(jia)工(gong)方法已(yi)成(cheng)功(gong)應用于工(gong)業生(sheng)產(chan)，但(dan)其(qi)加(jia)(jia)工(gong)機理尚未明確(que)。主要原因之一是(shi)超(chao)精(jing)密加(jia)(jia)工(gong)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)(shu)還不完(wan)善(shan)，特別是(shi)在(zai)線(xian)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)(shu)。從(cong)實(shi)際生(sheng)產(chan)角(jiao)度(du)講，開發(fa)加(jia)(jia)工(gong)精(jing)度(du)在(zai)線(xian)測(ce)量技(ji)術(shu)(shu)是(shi)保證(zheng)產(chan)品質量和提(ti)高生(sheng)產(chan)率的重(zhong)要手段。

       (5)  智(zhi)能(neng)化。超精密加(jia)工中的(de)(de)工藝過程(cheng)控制(zhi)策(ce)略與(yu)控制(zhi)方法(fa)也是(shi)(shi)目前的(de)(de)研(yan)究熱點之一。以(yi)智(zhi)能(neng)化設(she)備降(jiang)低加(jia)工結果對人工經驗的(de)(de)依賴(lai)性(xing)一直是(shi)(shi)制(zhi)造領域(yu)追求的(de)(de)目標(biao)。加(jia)工設(she)備的(de)(de)智(zhi)能(neng)化程(cheng)度直接關(guan)系到加(jia)工的(de)(de)穩定性(xing)與(yu)加(jia)工效率，這一點在(zai)(zai)超精密加(jia)工中體現更(geng)為明顯。目前，即(ji)使是(shi)(shi)臺灣(wan)的(de)(de)部分半導體工廠，生產過程(cheng)中關(guan)鍵的(de)(de)操作(zuo)依然(ran)由工人在(zai)(zai)現場手工完成。

       (6)  綠(lv)色化(hua)。磨(mo)(mo)(mo)(mo)料加(jia)(jia)(jia)工(gong)是(shi)超精密加(jia)(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)(de)主要手段，磨(mo)(mo)(mo)(mo)料本身的(de)(de)(de)(de)制(zhi)造、磨(mo)(mo)(mo)(mo)料在加(jia)(jia)(jia)工(gong)中的(de)(de)(de)(de)消(xiao)耗(hao)(hao)、加(jia)(jia)(jia)工(gong)中造成的(de)(de)(de)(de)能源及(ji)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)消(xiao)耗(hao)(hao)、以(yi)及(ji)加(jia)(jia)(jia)工(gong)中大量(liang)(liang)使(shi)用的(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)液等(deng)對環境(jing)造成了(le)極大的(de)(de)(de)(de)負擔。我(wo)國是(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)料、磨(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)產量(liang)(liang)及(ji)消(xiao)耗(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)第一(yi)大國，大幅提高磨(mo)(mo)(mo)(mo)削加(jia)(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)(de)綠(lv)色化(hua)程度已(yi)成為(wei)當務之急發達國家以(yi)及(ji)我(wo)國的(de)(de)(de)(de)臺(tai)灣地(di)區均對半導體(ti)生產廠家的(de)(de)(de)(de)廢液、廢氣排量(liang)(liang)及(ji)標準實施嚴(yan)格管制(zhi)，為(wei)此，各國研究人(ren)員對CMP 加(jia)(jia)(jia)工(gong)產生的(de)(de)(de)(de)廢液、廢氣回收處理展(zhan)開了(le)研究。綠(lv)色化(hua)的(de)(de)(de)(de)超精密加(jia)(jia)(jia)工(gong)技術在降低環境(jing)負擔的(de)(de)(de)(de)同(tong)時，提高了(le)自身的(de)(de)(de)(de)生命力。

       6、結論

       出(chu)于(yu)對(dui)產(chan)(chan)品高(gao)質(zhi)(zhi)量、小型化、高(gao)可靠性(xing)(xing)和高(gao)性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)追求(qiu)，超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術得(de)以迅速發展(zhan)，現已成為(wei)現代制造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)業的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要組(zu)成部分，其加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)對(dui)象(xiang)已從軍(jun)用品拓展(zhan)到民用品，并以后(hou)者(zhe)為(wei)重(zhong)心(xin)。超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)推動了(le)國防、航空航天、光(guang)電信(xin)息等高(gao)科技(ji)(ji)(ji)產(chan)(chan)業的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)，同時(shi)也(ye)極(ji)大(da)地改變(bian)了(le)人(ren)類的(de)(de)(de)(de)生活(huo)方式、改善了(le)人(ren)們的(de)(de)(de)(de)生活(huo)水(shui)平。超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術正迎來(lai)一個繁(fan)榮的(de)(de)(de)(de)時(shi)代。鑒(jian)于(yu)軍(jun)事、信(xin)息等產(chan)(chan)業對(dui)高(gao)精(jing)(jing)(jing)度(du)先進(jin)(jin)陶瓷元件的(de)(de)(de)(de)巨大(da)需求(qiu)，新的(de)(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)能先進(jin)(jin)陶瓷材料不(bu)斷涌現，這類材料的(de)(de)(de)(de)超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)成為(wei)經久不(bu)衰的(de)(de)(de)(de)研究熱點(dian)。超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)切削、超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)磨(mo)(mo)削、超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)研磨(mo)(mo)與拋光(guang)技(ji)(ji)(ji)術已取得(de)長足的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)展(zhan)，加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)后(hou)工(gong)(gong)(gong)(gong)件表(biao)面精(jing)(jing)(jing)度(du)可達(da)納米(mi)級或亞納米(mi)級，并且加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)方法(fa)目(mu)趨多樣化。總(zong)的(de)(de)(de)(de)來(lai)說，超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)磨(mo)(mo)削、珩磨(mo)(mo)等固(gu)著磨(mo)(mo)粒超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術正在追求(qiu)游(you)離磨(mo)(mo)粒加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)精(jing)(jing)(jing)度(du)，而游(you)離磨(mo)(mo)粒超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術正在追求(qiu)固(gu)著磨(mo)(mo)粒加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)。超(chao)精(jing)(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)(ji)術正向著適于(yu)大(da)批量生產(chan)(chan)的(de)(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)(xiao)高(gao)質(zhi)(zhi)量、低成本、環境友好的(de)(de)(de)(de)方向發展(zhan)。