精密（mì）超精密加工技術發展趨勢
1 超精密加工技術基礎（chǔ）理論和實驗（yàn）還需進一步不斷發展
所謂超精密加工技術基礎理論，是指在了解（jiě）並掌握超（chāo）精密加工過程的基（jī）本規律和現（xiàn）象的（de）描（miáo）述後才能駕馭這一過程，取得預期結果。例如上世紀90年代初，日（rì）本學者用金（jīn）剛石車刀在LLNL的（de）DTM3上（shàng）加工出最薄的連（lián）續切（qiē）屑的照（zhào）片，當時認為達到（dào）了1nm的（de）切（qiē）削厚度（dù），已成為世界最高水平，並至今無人突破（如圖4）。那麽超（chāo）精（jīng）密切削極限尺度（dù）是多（duō）少、材料此時是（shì）如何去除的，此外（wài）超精密加工工藝（yì）係統在力、熱、電、磁、氣等多物理量/
場複雜耦合下的作用機理是什麽（me）、此時係統的動態特性、動（dòng）態精度及穩定性如（rú）何保證（zhèng）等都需要得到新（xīn）理論的支持。
隨著計算機技術的發展，分子動力學仿真技術從（cóng）20世紀90年代開始在物理、化（huà）學、材料學、摩擦學等領域得到了很好（hǎo）的應用，美國（guó）、日本等國首先應用該技術研究（jiū）納米級機械（xiè）加工過程，國內（nèi）從21世紀初在一（yī）些高校開始應用分子動力學仿真技術對納米切削及磨削過程進行研（yán）究，可描述原子尺寸、瞬態的切削過程，在（zài）一定程度上反映了材料的微觀去除機（jī）理，但這一切還有待於實驗驗證。
2 被加工材料和工藝方法也在不斷擴展
鈦合金是航空最常用的材料之一，氫作為有害雜質元素對鈦合金的使用性能有極其不利的影（yǐng）響，如會引起鈦合金氫（qīng）脆、應力腐蝕（shí）及延遲斷裂等（děng），但是近年來研究表（biǎo）明通（tōng）過合理有（yǒu）效地控製滲氫、相變及除氫等過程，獲（huò）得鈦合金組織結構的變化，從而可以改善其（qí）加工性能，提高加工表麵質量和效率。同樣（yàng）通常認為黑色金屬是無法（fǎ）利用天然金剛石進行（háng）超精密切削加工的（de），多年來也一直在進行各種工藝研究，如利用低溫流體（液氮或二氧（yǎng）化碳）冷（lěng）卻切削區進行低溫冷卻車削、采用超（chāo）聲振動切削黑色金（jīn）屬、采用金剛石塗（tú）層刀具等，采（cǎi）用離子滲氮和氣體滲氮工藝對模具鋼進行處（chù）理（lǐ），但上述方法到目前為止還無法工（gōng）程化應（yīng）用（yòng）。近年來通過離子注入輔助方式改變被加工材料表層的可加工性能，實現矽等（děng）硬脆材料複雜形狀的高效超精密切削。
抗疲勞製（zhì）造（zào）技（jì）術的發展為超精（jīng）密（mì）加工技術提出了新的發展方向，超硬材料的精（jīng）密加工工（gōng）藝要求控製表層及亞表層的損（sǔn）傷及組（zǔ）織結構、應（yīng）力狀態等參數，如航（háng）空發動機軸承材料M50NiL表麵處理後硬度超過了HRC70。隨著單（dān）晶渦輪葉盤（pán）和單晶渦輪葉片在航空發動機上的應用，要求被加工材料沒有重融層和變質層（céng），從而對精密加工工藝提出了新要求。隨著導彈馬赫數的增加，要求頭罩材料的抗耐磨性提高，已從紅外材料向藍寶石材料頭罩（zhào）乃至金剛（gāng）石材料發展，形狀也從球形向非球麵乃至自（zì）由曲麵發展，對超（chāo）精密（mì）加工設備、工（gōng）藝及檢（jiǎn）測技術提出了新的要求。
3 微納結構功能表麵的超精密加工技術
微結構功能表麵具有特定的拓撲形狀，結構尺寸一般為10~100μm，麵（miàn）形精度小於0.1μm，其表麵微結構具有紋（wén）理結構規則、高深寬（kuān）比、幾何（hé）特性確定等特點，如凹槽陣列、微透鏡（jìng）陣列、金字塔陣列（liè）結構等（děng），這些表（biǎo）麵微結構使得元件具有某些特定的功能（néng），可以傳遞材料的物理、化學性能等，如（rú）粘（zhān）附性、摩（mó）擦性、潤滑性、耐磨損性，或者（zhě）具備特定的光學性能等。例如在航空、航天（tiān）飛行器宏觀表麵加（jiā）工（gōng）出微納結構形成功能性（xìng）表麵，不僅可以減小飛行器的風阻、摩阻，減小摩擦（cā），還可以避免結冰層形成，提高空氣動力學和熱力學功能，從而達到增速、增（zēng）程、降噪（zào）等目的，同時表麵特（tè）定的微結構特征還能起到隱身功能，增強突防能力。
在民用（yòng）方麵最典型的例子是遊泳（yǒng）運動員的泳衣表麵增加了一些微（wēi）結構，俗稱鯊魚皮泳衣，結果使運動員的成績有了大幅度的提高，使國際（jì）泳聯不得（dé）不禁止使用這種高科技的泳衣。此外微結構功能表麵在光學係統、顯（xiǎn）示設備、聚光光伏產業、交通標誌標牌、照明等（děng）領域被廣泛應（yīng）用（yòng），如LCD 顯示器的背光模組的各種光學膜片，背光（guāng）模組關鍵件—導光板（bǎn）、擴散板、增光（guāng）膜等，聚光光伏太陽能CPV 係統的菲涅爾（ěr）透鏡，道路（lù）標示用微結構光學膜片、新一代LED 照明用高效配光結構等。
在未來零部件設計與製造將（jiāng）會（huì）增加一項功能（néng）表麵結構的設計與製造，通過在（zài）零件表麵設（shè）計和加工不同形狀的微結構，從而提高零部件力學、光（guāng）學、電磁學、升學等功能，這（zhè）將是微納製造的（de）重要應（yīng）用領域，2006年（nián）成立的國際納米製造學會經專家討論並認同，納（nà）米製造中（zhōng）的（de）核心技術將從目（mù）前以MEMS技術逐步轉向超（chāo）精密加（jiā）工技術。
4 超精密加（jiā）工開始追求高效
超（chāo）精密加（jiā）工技術從發展之初是為了保證一些關鍵零部件的最終精度，所以當初並不是以加工效率為目標，更（gèng）多關注的是精（jīng）度和表麵質量，例如一（yī）些光學元件最初的加工周期是以“年”為加工周期。但是（shì）隨著零件尺寸的進一步加工增大和數量的增多，目前對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範圍和清晰度，需不斷加大（dà）天文望遠鏡的口徑，這就同樣存在天文版的摩爾定律，即每隔若幹年，光學望遠鏡的（de）口徑增大一倍（bèi），如建於1917年位於美國威爾遜山天文台的Hooker望（wàng）遠（yuǎn）鏡的（de）口徑為2.5m，是當年全世界最大的天文望遠鏡；到1948年被Hale望遠鏡取代，其口徑達到了5m；1992年新建成的Keck望遠鏡的口徑達到了10m，目前仍在發揮（huī）著巨（jù）大的作（zuò）用。目前正（zhèng）在計劃（huá）製造的巨大天文望遠鏡OWL主鏡口徑（jìng）達到100m，由3048塊六（liù）邊形球（qiú）麵反射鏡組成（chéng），次鏡由216塊六邊形平（píng）麵反射鏡組成，總重約1~1.5萬t，按照目前現有的加工工藝，可能需要上百年的時間才能完（wán）成。此外，激光核聚變點火裝置（NIF）需要7000多塊（kuài）400mm見方的KDP晶體，如果沒有高效超精密加工工藝，加工時間也無法想象。為此需要不斷開發新的（de）超精密加（jiā）工設備（bèi）和超精密（mì）加工工藝來滿足高效超精密加工的需求。
5 超精密加工技術將向極致方向發展
隨著科技的進步（bù），對超精密加工（gōng）技術已經提出了新的要求（qiú），如要求極大零件的極高精度、極小零件及（jí）特征的極高精（jīng）度、極複雜環境下（xià）的極高精度、極複雜結（jié）構（gòu）的（de）極高精度等。
歐洲南方（fāng）天文台正在（zài）研製的超大天（tiān）文望遠鏡VLT反射鏡為一塊直（zhí）徑（jìng）8.2m、厚200mm的零（líng）膨脹玻璃，經過減重後重量仍然達到了21t。法國REOSC公司負責加（jiā）工，采用了銑磨、小磨頭拋（pāo）光等（děng）加工工藝，加工周期為8~9個月，最（zuì）終滿足了設計（jì）要求，目前許（xǔ）多新的超（chāo）精密加工工藝如應（yīng）力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋（pāo）光等出現為大鏡加工提供了技術支撐。前麵提到的（de）微納結構功能表麵結構尺寸小（xiǎo）到幾個微米，如（rú）微慣性傳感器中的（de）敏感元（yuán）件撓性臂特征尺寸為9μm，而其尺（chǐ）寸精度卻要求±1μm。
美國國家標準計量局研製的納米三（sān）坐標測量機（分子測量機）是（shì）實現如何在極複雜（zá）環境下的極高精度測（cè）量的典型例子，該儀器測量範圍50mm×50mm×100μm，精度達（dá）到了1nm，對環境要求及其嚴格，最內層殼（ké）溫度控製17±0.01℃，次（cì）層殼采（cǎi）用主動隔振，高真空層工作環境保持1.0×10-5Pa，最外層殼用於（yú）噪聲（shēng）隔離（lí），最（zuì）後將整體（tǐ）結構安裝在空氣彈簧上進行（háng）被（bèi）動隔（gé）振（zhèn）。自由曲麵光學曲麵精度要求高、形狀（zhuàng）複雜，有的甚至無法用（yòng）方程表示（shì）（如賦值曲麵），但由於其具有卓越的光學性能近年來應用範圍不斷擴（kuò）大，但自由曲（qǔ）麵光學零件的設計、製造及檢測等（děng）技術還有待於進一步發展。
6 超精密加（jiā）工技術將向超精密製造技術（shù）發展
超精密（mì）加工技術以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個工序中，但目前一些領域中（zhōng）某些零部（bù）件整（zhěng）個製造過程或整個產品的研製過程都要用到超精密技術，包括超精密加工加工、超精密裝配調試以及超精密檢測等，最典型的例子就是美國的美國（guó）國（guó）家點火裝（zhuāng）置（NIF）。
為了解決人類的能源危機，各國都在研究新的能源技術，其中利用氘、氚的聚變反應產生巨大（dà）能源可供利用，而且不產生任何放（fàng）射性汙染，這就是美國國家點火工程。我國也開始了這方（fāng）麵的研究，被稱為神光工程。NIF整個係統約有2個足球場（chǎng）大小，共有192束強激光進入直（zhí）徑（jìng）10m的靶室，最終（zhōng）將能量（liàng）集中在直徑為2mm的靶（bǎ）丸上。這就要求激光反射鏡（jìng）的數量極多（duō）（7000多片），精度和表麵粗糙度極高（否則強激光會燒毀鏡（jìng）片），傳輸（shū）路徑調試安裝精度要求極高，工作環境控製要求（qiú）極高。對於直徑為2mm的靶丸，壁厚僅為（wéi）160μm，其中充氣（qì）小孔的直徑為5μm，帶有（yǒu）一直徑為12μm、深（shēn）4μm的沉孔。微孔的加（jiā）工困難（nán）在於其深徑比大（dà）、變截麵（miàn），可采用放電加工、飛秒激光加工、聚（jù）焦離子束等工藝，或采用原子力顯微鏡進行超精密加工。係統各路激光（guāng）的空間幾何位置對稱性誤差要求（qiú）小於1%、激光到達表麵時間（jiān）一（yī）致性誤差（chà）小於30fs、激光能（néng）量強度一致（zhì）性誤差小於1%等。如此複雜高精度的係統（tǒng）無論從組成的零部件加工及裝配調試過（guò）程時刻都（dōu）體現了超精密製造技術。場（chǎng）複雜耦合下的作用機理是什麽、此時係統的動態特（tè）性、動態精度及穩定性如何保證等都需要得到新理論的支持。
