浅论超精密加工快速发展的必要性及发展方向

李 婷，谢明军，杜万中

(榆林职业技术学院 矿业工程系，陕西 榆林 719000)

装备制造业是一国国民经济的基础、战略性产业；为国民经济和社会各行、各业提供技术装备的产业。其关联度较高、市场需求量较大、资本技术更为密集，装备制造业的水平代表着一国的科技水平，创新能力以及工业实力。

自从我国将“装备制造业”列为国家重点发展战略以来，其制造技术水平已经取得了突飞猛进的发展，尤其是很多大型军用、民用装备的制造水平已跃居世界前列，但我国制造业总体水平相比于欧美、日韩等发达国家还有一定的差距，差距的关键就在于我国的超精密加工技术水平还不够先进。

超精密加工技术是现代科技和产业的发展基础；也是现代装备制造业的发展方向；更是现代国防和战争的关键技术。因为但凡以试验为基础的科学技术，其试验所需的仪器、仪表和设备都需要超精密加工技术来加工制造。因此要想使得我国在未来世界发展的舞台中占有举足轻重的地位，进一步提升超精密加工技术的发展速度已迫在眉睫。

1 超精密加工快速发展的必要性

1.1 超精密加工是一国制造业水平的重要标志之一

超精密加工技术主要体现在高精密仪器，设备上被加工零部件的尺寸、形状、位置精度以及表面粗糙度等方面。为了满足航空、航天、航海，激光、核能以及大规模集成电路等尖端技术的发展，超精密加工技术从20世纪50年代末60年初就已开始发展。如美国首先研发出了单点金刚石切削(Single Point Diamond Turning，简称SPDT)技术，即"微英寸技术"，航天载人飞船所用的球面、非球面大型零件，导弹头罩以及激光核聚变反应的反射镜等都得使用超精密加工技术进行加工。超精密加工技术发展到20世纪80年代初，其加工精度可达10 nm(1 nm=1×10-8m)，表面粗糙度可达1 nm，目前超精密加工技术正在向微纳米级的方向发展。超精密加工技术是集多门学科发展的一门综合技术，除了涉及机械加工新技术外，还包括材料、测量、传感、光学、现代电子，计算机等诸多高新技术。因此超精密加工技术是一国制造业技术水平的重要标志。

1.2 超精密加工是先进制造技术的基础和关键

先进制造技术(AMT)其实就是指电子技术、自动化技术，网络信息技术等给传统制造技术带来的各种变化并组成新的制造系统。具体就是机械工程、电子工程、自动化控制工程，网络信息工程等集多种工程为一体所产生的新技术、新设备和新系统的总称。主要包含：CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助分析)、CAPP(计算机辅助工艺设计)以及CAM(计算机辅助制造)等工程；是综合利用现代信息技术和现代管理技术对现代产品进行设计、加工、检测、生产管理、销售、使用和回收等产品全寿命技术过程的总称。如电火花加工、激光加工、电子束加工等特种加工；生产线的自动控制、加工、检测、装配；机器人、3D打印、飞机制造、汽车制造、城市轨道交通设备、三航装备以及新能源设备等都是当前先进装备制造技术所涉及的行业和领域。而这些领域都离不开超精密加工技术；再比如美国提出的汽车制造业“2 mm工程”使其汽车的质量和整体性能赶上了欧洲和日本的水平。因此超精密加工技术是先进装备制造技术的基础和关键。

1.3 超精密加工是我国国防工业快速发展的需求

现代化的战争和防御靠的是先进的通讯、控制以及武器装备技术等，而先进的武器、通讯、控制等设备的生产、加工均离不开超精密加工。如20世纪60年代初还没有解决须使用脆性材料制造的陀螺仪的腔体和反射镜的高精度加工，导致美国当时研制的激光陀螺仪在飞机上延迟使用20年；再如导弹头罩等关键元器件的加工精度直接影响其命中率；再如飞控系统中液压零部件的加工精度对飞机的寿命、维修以及可靠性都起至关重要的作用。以上这些问题的解决均离不开超精密加工技术，因此超精密加工技术是现代化国防和战争的关键技术支撑，它在现代化国防建设中起着至关重要的技术作用。

1.4 超精密加工是我国信息产品快速发展的需求

因为计算机技术的进步不光取决于其软件功能更取决于其硬件性能，如计算机集成电路的芯片、磁板基片、光盘基片以及半导体晶片等；再如喷墨打印机的喷墨头，复印机的磁头、感光鼓，激光打印机的多面体等。而以上这些硬件质量和性能的提升都离不开对其制造精度的提高，即就是对其进行超精密加工。目前我国对计算机零部件、元器件的加工精度与美、日、韩等国相比还存在一定的差距，其超精密加工技术水平在一定程度上约束着我国计算机工业的快速发展，因此我国信息产品的快速崛起亟需超精密加工技术。

1.5 超精密加工是我国民用产品快速发展的需求

超精密加工能使我国民用机电产品的使用寿命和可靠性，使用性能和质量得到大幅度的提升。若要提高汽车、工程机械等装备发动机的功率和效率，并降低其油耗，就必须提高其活塞和汽缸的加工和装配精度；若要提高电风扇、洗衣机、厨具油烟机等家电产品的使用寿命，并要减少其振动和噪声，就必须首先提高其滚动轴承的滚动体和滚道的加工精度；若要提高摄像机、照相机等光电产品提高的录像、成像效果，就得提高其光学透镜的加工精度，这些都需要靠超精密加工技术来完成。因此要想快速提升我国民用机电产品的质量，就必须更加重视其超精密加工技术的发展。

2 超精密加工未来发展的趋势

目前超精密加工技术的发展趋势主要有以下七个方面：

1)向精密化方向发展

超精密加工技术的关键是提高对被加工件的尺寸、形状、位置精度以及表面粗糙度的要求。

超精密加工主要包括切削加工和特种加工两大类：超精密切削加工(主要有研磨、镜面磨削，精车等)就是指在车床上用精细研磨后的单晶金刚石车刀对被加工零件进行微量车削加工，其精车切削加工厚度可达1 μm，超精密切削常用来加工用有色金属制造的平面、球面以及非球面反射镜等表面光洁度要求较高的零件。如核聚变装置用的直径为800 mm非球面反射镜的加工，其加工精度可达0.1 μm，表面粗糙度可达Rz0.05 μm。当加工精度要求nm级时，需采用超精密特种加工。如大规模，超大规模集成电路板的制造，其加工精度可达0.01 μm。因此要想更大程度的提高我国装备的质量、性能以及可靠性，超精密加工向精密化方向发展是必走之路。

2)向智能化方向发展

智能制造就是指由专家和智能机器组成的人机一体化制造系统。智能制造系统能够在零部件加工制造过程中进行构思、推理、分析、判断和决策等，通过专家与智能机器的协调合作，来取代人在零件加工制造过程中的部分脑力劳动[1]。因此作为加工制造业关键技术的超精密加工，向智能化方向发展是其必然趋势。

3)向自动化方向发展

从20世纪初开始，制造业自动化技术由刚性自动化逐步向柔性自动化方向发展。自动化技术在制造业中的快速发展，不但很好的保证了被加工产品的质量和性能，而且有效地提高了其生产效率，而且很多不适合人去操作的高危工作都逐渐由自动化设备取代。如现代化矿井，其井下采煤工作正在向自动化、智能化方向发展。再如不适合加工技术操作人员长期接近的电火花加工等，其自动化程度就更为重要。因此作为制造业技术基础的超精密加工，向自动化程度越高的方向发展就显得更为重要。

4)向高效化方向发展

现代加工制造技术要求，不仅要保证被加工零件精度，还要大幅提高其生产效率。如通讯电子产品、家电用品、电器元件、高精密仪器仪表等的加工。该类产品都属于大批量生产的产品，要提高其生产效率缩短非加工的辅助时间(如工件的装夹、定位时间，编程时间等)就显得尤为重要，同时又要保证被加工件的表面粗糙度，而此类产品的加工主要靠超精密加工来完成，因此超精密加工技术必须向高效化方向发展[2]。

5)向信息化方向发展

加工制造的本质就是对表述产品各种加工制造信息的采集、组合，输入和处理的过程。最终加工制造出的产品实际上就是产品各种加工信息的物质表现。在现代加工制造业中，可以认为信息技术就是制造业中的一种产业，若加工信息能在制造业中最真实的反映到产品品质上来，产品的质量、性能、寿命以及使用的可靠性才能得到很好的保障，加工信息的作用越来越重要，它在很大程度上决定产品成本的投入。因此超精密加工作为现代加工技术的主流，更应向信息化方向发展。

6)向柔性化方向发展

所谓柔性化生产是指依靠以计算机数控机床为主的制造设备来进行大批量、多品种的生产方式。随着现代科学技术的飞速进步和人类社会生活水平的日益提高，人们日常生活所使用的各种机电产品更新换代的速度不断在加快，这就要求现代加工制造企业必须具备不错的柔性生产能力来满足产品市场的需求。而超精密加工技术更是生产人们日常用品的主流技术，更应该快速地向柔性化方向发展[3]。

7)向集成化方向发展

制造业的集成就是将原来多个独立运行的单一制造模块集成一个加工制造能相互协调，功能和用途更为强大的新的制造系统。制造业集成首先通过顶层设计进行统一规划，然后分析其原单一制造模块的功用和相互关系并对其进行优化重组[4]。集成化是未来加工制造业的主要生产方式，因此超精密加工更应尽快向集成化方向发展。

3 结 语

超精密加工技术自50年代开始，已有近半个世纪的发展历程。在我国现代装备制造业中，各类武器装备、机械设备以及机电产品使用的性能、质量、寿命以及可靠性的提升，都离不开超精密加工技术。超精密加工技术在实现现代高新技术的过程中起着至关重要的作用；在未来国际技术竞争中占据十分重要的地位。而且随着现代科技的进步和发展，以及新材料、新产品的不断出现、将会对超精密加工技术提出更高的要求。

文章从五个方面论述了加快我国超精密加工技术快速发展的必要性，七个方面阐述了未来超精密加工技术发展的方向。随着我国制造业发展战略的不断调整、相应制度和措施的不断完善，同时在全体制造业科研、技术人员的共同努力下，相信我国制造业的超精密加工技术会快速、健康地向正确方向发展。