精密和超精密加工技術近年來獲得飛躍發展。本書是全面系統講述精密和超精密加工技術的書，內容包括：超精密切削和金剛石刀具，精密和超精密磨削、研磨與拋光，精密和超精密機床，精加工中的測量技術和在線誤差補償，微細加工技術，精加工的支撐環境，納米技術。本書內容豐富，不僅系統講述了精密加工的基礎原理和技術，新技術在精加工中的應用，還介紹了國內外的最新發展和成就。本書可供機制專業研究生和本科生作教材，同時也是科技人員的重要參考書。

  1．概述

精密和超精密加工技術的發展，直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進行研究開發，同時實行技術保密，控制關鍵加工技術及設備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導平臺、光學和激光等技術的迅速發展和多領域的廣泛應用，對各種高精度復雜零件、光學零件、高精度平面、曲面和復雜形狀的加工需求日益迫切。目前國外已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發展了新的精密加工和精密測量技術。

我國目前已是一個“制造大國”，制造業規模名列世界第四位，僅次于美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備制造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“制造強國”，與發達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產品出口，但多數是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產品；而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產的精密數控機床設備和儀器，例如，2003年我國進口了價值41.6億美元的機床，而出口機床僅為3.8億美元，且主要為低精度的普通機床。2004年我國進口機床為57.8億美元，出口機床僅為5.2億美元。2005年我國機床總產值約為50億美元，出口機床為8億美元，而進口機床則達到67億美元。

由于國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設備儀器正是我國發展國防工業和尖端技術所迫切需要的，因此，為了使我國的國防和科技發展不受制于人，我們必須投入必要的人力物力，自主發展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下面對國內外精密和超精密加工技術的最新發展情況介紹如下。

2．精密機床技術的發展

精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發展方向是：在繼續提高精度的基礎上，采用高速切削以提高加工效率，同時采用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名于世，該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控系統，成為一臺加工中心；同時為實現高速切削，已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min，定位精度達5μm，已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩臺機床的性能可以看出，現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。

3．使用金剛石刀具的超精密切削技術

3.1超精密切削技術的進展

金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份，不少國防尖端產品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統中的多種零件等）都需要利用金剛石超精密切削來加工。

使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削，可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳，刃口半徑在0.5～0.01μm。因刃口半徑甚小，過去對刃口的測量極為困難，現在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進行測量。

3.2 超精密切削機理的研究

對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如，超精密切削脆性材料時，加工表面可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題，最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見，開始時切削厚度甚小，切除機理為塑性去除，加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除，加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。

目前，使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識，同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到，由于晶體的各向異性，導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬，可以對超精密切削極薄層材料的動態切除過程進行觀察和分析，并能對切除過程進行動畫演示。

3.3 新的金剛石刀具晶體定向方法

由于金剛石硬度極高，且晶體各向異性，因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。制造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向，過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀，儀器昂貴，且定向操作相當繁瑣。哈爾濱工業大學成功開發了一種新的激光晶體定向方法，所用設備較簡單，且定向操作方便，可使金剛石晶體定向大大簡化。

4．超精密加工機床的進展

4.1 國外超精密機床的發展情況

研發超精密機床是發展超精密加工的重要前提條件。近年來發達國家已成功開發了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發展方向是：進一步提高超精密機床的精度，發展大型超精密機床，發展多功能和高效專用超精密機床。

美、英、德等國在上世紀七十年代（日本在八十年代）即開始生產超精密機床產品，并可批量供貨。在大型超精密機床方面，美國的LLL國家實驗室于1986年研制成功兩臺大型超精金剛石車床：一臺為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床，另一臺為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床。其中，LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國后來又研制出大型6軸數控精密研磨機，用于大型光學反射鏡的精密研磨加工。

英國的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐標聯動數控磨床（工作臺面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車削）和測量精密自由曲面。該機床采用加工件拼合方法，還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

日本的多功能和高效專用超精密機床發展較快，對日本微電子和家電工業的發展起到了很好的促進作用。

4.2 我國超精密機床的發展情況

在過去相當長一段時期，由于受到西方國家的禁運限制，我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數控超精密機床研制成功后，西方國家馬上對我國開禁，我國現在已經進口了多臺超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學等單位現在已能生產若干種超精密數控金剛石機床，如北京機床研究所研制的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業大學研制的超精密車床，這兩臺機床均有兩坐標精密數控系統和兩坐標激光在線測量系統，可以加工非球回轉曲面；還有哈爾濱工業大學研制了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用于光學倍頻，是大功率激光系統中的重要元件。必須承認，在超棈密機床技術方面，我們與國外先進水平相比還有相當大的差距，國產超精密機床的質量水平尚待進一步提高。

在大型超精密機床方面，目前美、英、俄等國都擁有自行開發的大型超精密機床，而我國由于沒有大型超精密機床，因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件，國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限制，從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發展。現在我國正在加緊研制加工直徑1m以上的立式超精密機床。

在多功能和高效專用超精密機床方面，目前我國基本上仍是空白。