【正文】 I 超精密加工的環(huán)境條件與控制策略 摘要： 超精密加工是現(xiàn)代國(guó)家高新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前進(jìn)基礎(chǔ)和保障，是各個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的象征，推動(dòng)著國(guó)家高新制造產(chǎn)業(yè)的不斷前進(jìn)。加工精度和效率的提高促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的向更高層面邁進(jìn)，但是環(huán)境條件尤其是振動(dòng)條件是影響超精密加工精度和效率的主要因素。為了研究超精密加工中環(huán)境條件特別是振動(dòng)環(huán)境的控制，本文主要研究超精密加工主要影響超精密加工的環(huán)境條件及其控制的策略；研究超精密加工中環(huán)境振動(dòng)的分類和來(lái)源以及其對(duì)超精密加工的影響；研究超精密加工中控制環(huán)境振動(dòng)所采用的技術(shù)和材料裝置，并 對(duì)其采用后的效果進(jìn)行評(píng)估和相對(duì)應(yīng)振動(dòng)的分類。 通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的研究，初步掌握環(huán)境振動(dòng)對(duì)于超精密加工的影響，并對(duì)環(huán)境振動(dòng)采取有效的隔振消振處理和探索，為超精密加工中的環(huán)境振動(dòng)的控制提出合理有建設(shè)性意義的建議。 關(guān)鍵詞 ：超精密加工；環(huán)境振動(dòng)；隔振措施；消振措施 1 超精密加工制造技術(shù)是當(dāng)今高新科技工業(yè)發(fā)展的基本要素，同樣也成為了將來(lái)制造科學(xué)前進(jìn)的方向，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，超精密加工制造技術(shù)也是至關(guān)重要的高新頂尖技術(shù)步驟之一。它綜合運(yùn)用了機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的最新的研究成果以及現(xiàn)代電子訊息技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量 和電腦技術(shù)等高新技術(shù)，是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要依據(jù)，因此受到各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。 從應(yīng)用的角度來(lái)看，在關(guān)系國(guó)家安全和綜合國(guó)力的行業(yè)如國(guó)防科技、探空技術(shù)、核子能、高新電子等高科技的高新技術(shù)領(lǐng)域中超精密加工及其制造的高精儀器起著相當(dāng)重要的角色，在這些領(lǐng)域的使用中有探空火箭技術(shù)、高新儀器里的齒輪、人工智能機(jī)器等。超精密加工的加工材料范圍廣泛，包括軟金屬、淬火鋼、不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等較難加工的材料，也包括半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料，不受材料外形的限制，使用的未來(lái)遠(yuǎn)景極為廣 [1]。 跟著現(xiàn)代加工制造技術(shù)和高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品的精度以及表面完整性的要求愈來(lái)愈高 ,超精密加工制造技術(shù)的重要性逐漸體現(xiàn)。有關(guān)范疇的技術(shù)開(kāi)發(fā)和發(fā)展就開(kāi)始竭力于加工精度的一直提升 ,從微米級(jí)、亞微米級(jí)到納米級(jí) ,甚至現(xiàn)在的亞納米級(jí) ,比如航空航天產(chǎn)業(yè)里陀螺儀的軸承、電子信息產(chǎn)業(yè)里的集成電路和光學(xué)工業(yè)上的集成光路等 ,這些技術(shù)使生產(chǎn)的產(chǎn)品的體積減小 ,使產(chǎn)品質(zhì)量和性能得到提升 ,并減少了這些工業(yè)產(chǎn)品使用成本?？傮w上看，產(chǎn)品精度的不斷提升促使產(chǎn)業(yè)有產(chǎn)品微型化的趨勢(shì) ,并且提高了產(chǎn)品零件之間的可置換性 ,有效提升了組裝裝配的效率 ,提高產(chǎn)業(yè) 的整體自動(dòng)化程度。 對(duì)于超精密加工生產(chǎn)中產(chǎn)品加工精度產(chǎn)生影響的主要是因?yàn)榧庸どa(chǎn)中的環(huán)境振動(dòng)。盡管超精密加工機(jī)床在設(shè)計(jì)生產(chǎn)之初就已經(jīng)盡可能減少了環(huán)境振動(dòng)對(duì)于超精密加工的不良影響 ,但由于生產(chǎn)加工環(huán)境和加工技術(shù)的轉(zhuǎn)變 ,環(huán)境振動(dòng)還是會(huì)存在在一些超精密加工的機(jī)床設(shè)備里 ,從而使產(chǎn)品加工精度的下降 ,這個(gè)現(xiàn)象嚴(yán)重影響了超精密加工制造的未來(lái)成長(zhǎng)與壯大。所以處理環(huán)境振動(dòng)對(duì)超精密加工設(shè)備的干擾就變得格外迫切。 介紹 國(guó)際上其他國(guó)家超精密加工開(kāi)展較早，上個(gè)世紀(jì)六十年 代初期，上個(gè)世紀(jì)五十年代至 2 八十年代為技術(shù)發(fā)展初期。這一個(gè)時(shí)間段，美國(guó)首先開(kāi)始研究了以單點(diǎn)金剛石切削（ SPDT）為象征的超精密加工技術(shù)，主要適用于航空技術(shù)、國(guó)家防御、天文等領(lǐng)域的激光核聚變反射鏡、球面、非球面大型零件的加工 [2]。歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)成功研制成功了用于超精密加工的超精密金剛石車床，用于一些常見(jiàn)軟金屬的超精密加工，加工的形狀也只限于簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱圖形零件。上個(gè)世紀(jì)八十年代至九十年代進(jìn)入民間工業(yè)的應(yīng)用初期。美國(guó)、日本、歐洲的一些領(lǐng)頭的超精密加工研究的公司在政府的支持下，將超精密加工技術(shù)開(kāi)始投向市場(chǎng)， 一開(kāi)始是民用的精密鏡頭的生產(chǎn)。但是由于超精密加工設(shè)備的缺少和代價(jià)高昂，初期主要是少量的專門訂制。在這時(shí)間段還出現(xiàn)了可處理硬質(zhì)金屬的超精密金剛石磨削磨床，但盡管如此，超精密加工的效率還是無(wú)法趕上金剛石車床。上個(gè)世紀(jì)八十年代末期，美國(guó)投入大量研究資金和人力，成功研制了大型光學(xué)超精密加工車床，也成功成為了超精密加工領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。上個(gè)世紀(jì)九十年代后，民用超精密加工技術(shù)漸漸完善和成熟。在民用交通、環(huán)境工程、光電信息、醫(yī)療儀器設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，這些產(chǎn)業(yè)中光學(xué)鏡片、超精密制造的模具、半導(dǎo)體元件等成了超精密加工廣泛應(yīng) 用的平臺(tái)。隨著超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，超精密加工設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)中比較習(xí)見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備。另外，產(chǎn)品的加工精度也漸漸達(dá)到納米級(jí)水平、可處理加工的零件材料的尺寸也越來(lái)越大，使用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。 當(dāng)今國(guó)際范圍內(nèi)的超精密加工技術(shù)大國(guó)以日本、歐洲和美國(guó)為首，但是它們各自發(fā)展的關(guān)注重點(diǎn)又不盡相同。美國(guó)在超精密加工中已經(jīng)投入大量資金，而大型 X射線探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡是其一直研究的重點(diǎn)方向。當(dāng)下這類反射鏡的材料為重量小且導(dǎo)熱性較好的碳化硅，但這種材料的硬度較高，對(duì)于這種材料的超精密加工會(huì)遇到較高的技術(shù)要求 。日本研究超精密加工的時(shí)間要晚于歐洲和美國(guó)，但是日本研究發(fā)展的速度很快。日本超精密發(fā)展偏向于電腦硬盤磁片、民用光學(xué)透鏡等民用產(chǎn)品?，F(xiàn)如今，日本在辦公器材、光學(xué)透鏡、聲、微型電子等超精密加工方面相較于歐美有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)領(lǐng)先。 我國(guó)于上個(gè)世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始研究鏡面外圓磨床，加工圓度小于 ，表面粗糙度能低于 。上個(gè)世紀(jì)六十年代末期成功研發(fā)完成單晶金剛石鏡面車床，可加工材料的表面粗糙度降到 。上個(gè)世紀(jì)七十年代后期研制了高精度磁盤車床。進(jìn)入上 個(gè)世紀(jì)八十年代后，國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域都相繼投入資金人力開(kāi)始研究超精密加工的技術(shù)和超精密加工設(shè)備，尤其是在上個(gè)世紀(jì)九十年代后期很多企業(yè)研究機(jī)構(gòu)成功研制了非球面 3 超精密加工設(shè)備，這是我國(guó)在超精密加工領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國(guó)研究超精密加工設(shè)備技術(shù)最早的研究機(jī)構(gòu)之一，在上個(gè)世紀(jì)九十年代中期成功研制了亞微米級(jí)的超精密機(jī)床，并且對(duì)超精密切削過(guò)程的加工工藝機(jī)理、刀具耗損原理、脆性材料超精密切削去除機(jī)制等方向進(jìn)行了相當(dāng)多的研究和探索，本世紀(jì)初期研制成的大平面超精密銑床，已被采用到核聚變關(guān)鍵零件超精密加工過(guò)程中去了。 北京機(jī)床研究所我國(guó)研究超精密加工技術(shù)的重要研究所之一，研制成功了 NAM800 型納米數(shù)控車床納米級(jí)加工機(jī)床。北京航空精密機(jī)械研究所在我國(guó)超精密加工設(shè)備研究單位中是獨(dú)具特色的，研制出 Nanosys300 非球曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng) [3]。還有超精密加工技術(shù)比較領(lǐng)先的有長(zhǎng)春光機(jī)研制的數(shù)控非球面加工中心和國(guó)防科技大學(xué)于本世紀(jì)初研制的集銑磨成型、研磨拋光、接觸式檢測(cè)于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床 AOCMT。國(guó)內(nèi)有很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)磁流變拋光進(jìn)行了探索研究，國(guó)防科技大學(xué)本世紀(jì)初研制了加工尺寸可達(dá) 1m 口徑的磁 流變拋光設(shè)備 KDMRF1000。國(guó)防科技大學(xué)是我國(guó)研究離子束拋光的主要研究機(jī)構(gòu)，在世紀(jì)初完成了具備非球面加工能力的離子束拋光設(shè)備 KDIFS500，可處理加工的最大直徑 φ500mm。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫希威等 [4]首先對(duì)大氣等離子體拋光技術(shù)看展了探究，對(duì)于單晶硅片的加工試驗(yàn)獲得了較為滿意的成果。中國(guó)科學(xué)院成都光電所對(duì)應(yīng)力盤拋光技術(shù)開(kāi)展了研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和浙江工業(yè)大學(xué)對(duì)氣囊拋光進(jìn)行了研究，都獲得了預(yù)期的成果。 長(zhǎng)久以來(lái)，我國(guó)高新先進(jìn)的制造業(yè)電子產(chǎn)品主要技術(shù)設(shè)備基本上都依靠國(guó)外的進(jìn)口，更無(wú)法觸及到超精密 加工技術(shù)的核心，嚴(yán)重約束了我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)、超精密加工行業(yè)的長(zhǎng)足自主發(fā)展和壯大。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)都肩負(fù)著壯大我國(guó)電子科技產(chǎn)業(yè)、超精密加工產(chǎn)業(yè)的重?fù)?dān)，為我國(guó)的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的一份力。 超精密加工是現(xiàn)代發(fā)展高科技和高精密儀器機(jī)械的必需的機(jī)械制造工藝，該技術(shù)最核心的問(wèn)題就是怎么去除接近材料分子尺寸的極其薄的材料層。要完成這個(gè)超精密加工，除了要具有能適應(yīng)這種工藝的機(jī)床、材料、測(cè)量技術(shù)、刀具以外，還需要十分嚴(yán)苛的超精密加工環(huán)境條件。干擾超精密加工精度和質(zhì)量的環(huán)境條件有空氣環(huán)境、熱環(huán)境、 振動(dòng)環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境