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綜述，重點介紹各種典型加工方法及其材料去除機理。從加工精度和加工效率角度對上述幾類超精密加工方法進行比較，介紹以實現高效精密加工為目的的半固著磨粒加工技術。對超精密加工的發展趨勢進行預測。

       1、前言

       超精密加工技術是現代高技術戰爭的重要支撐技術，是現代高科技產業和科學技術的發展基礎，是現代制造科學的發展方向。以超精密加工技術為支撐的高性能武器，對第一次海灣戰爭(1992 年)、科索沃戰爭(1996 年)、阿富汗戰爭(1999 年)及第二次海灣戰爭(2003 年)的進程及結果發揮了決定性的作用。以超精密加工技術為支撐的三代半導體器件，為電子、信息產業的發展奠定了基礎。現代科學技術的發展以試驗為基礎，所需試驗儀器和設備幾乎無一不需要超精密加工技術的支撐。由宏觀制造進入微觀制造是未來制造業發展趨勢之一，當前超精密加工已進入納米尺度，納米制造是超精密加工最前沿的課題。世界發達國家均予以高度重視。最近啟動的研究計劃包括，2001 年美國的 NNI(National nanotechnology initiative)計劃、英國的多學科納米研究合作計劃IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote- chnology)，2002 年日本的納米技術支撐計劃。目前的超精密加工，以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應力、組織變化)

為目標。

       超精密加工的研究內容，即影響超精密加工精度的各種因素包括：超精密加工機理、被加工材料、超精密加工設備、超精密加工工具、超精密加工夾具、超精密加工的檢測與誤差補償、超精密加工環境(包括恒溫、隔振、潔凈控制等)和超精密加工工藝等。一直以來，國內外學者圍繞這些內容展開了系統的研究。

       1983 年在國際生產工程年會上，TANIGUCHI對當時的超精密加工狀況進行了描述，并對超精密加工的發展趨勢進行了預測。此后的 20 余年內，超精密加工技術蓬勃發展。本文對當前的超精密加工現狀進行綜述，第 1 節介紹超精密加工的發展及其推動因素。第2節介紹超精密加工材料，著重于先進陶瓷材料。第3節將超精密加工技術分為超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光三類，介紹典型加工技術(廣義的超精密加工還包括微細加工技術)。第 4 節對上述幾類超精密加工技術從加工精度和加工效率的角度出發進行比較，介紹半固著磨粒加工方法。第 5 節對超精密加工的發展趨勢進行預測。

       2、超精密加工的發展

       超精密加工的發展經歷了如下三個階段。

       (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精密切削——單點金剛石切削(Single point  diamond  turning，SPDT)技術，又稱為“微英寸技術”用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從 1966年起，美國的Union Carbide 公司、荷蘭Philips公司和美國 Lawrence Livermore Laboratories 陸續推出各自的超精密金剛石車床，但其應用限于少數大公司與研究單位的試驗研究，并以國防用途或科學研究用途的產品加工為主。這一時期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復雜的工件，但只限于軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。

       (2)  20 世紀 80 年代至 90 年代為民間工業應用初期。在20世紀80年代，美國政府推動數家民間公司如 Moore Special Tool 和 Pneumo Precision 公司開始超精密加工設備的商品化，而日本數家公司如Toshiba 和 Hitachi 與歐洲的 Cranfield  大學等也陸續推出產品，這些設備開始面向一般民間工業光學組件商品的制造。但此時的超精密加工設備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質金屬的金剛石車床外，可加工硬質金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發出來。該技術特點是使用高剛性機構，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然，其加工效率和機構的復雜性無法和金剛石車床相比。20世紀80 年代后期，美國通過能源部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進制造技術開發計劃”對超精密金剛石切削機床的開發研究，投入了巨額資金和大量人力，實現了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLL 國家實驗室研制出的大型光學金剛石車床(Large optics diamond turning machine，LODTM)成為超精密加工史上的經典之作。這是一臺最大加工直徑為 1.625 m 的立式車床，定位精度可達 28 nm，借助在線誤差補償能力，可實現長度超過 1 m、而直線度誤差只有±25 nm 的加工。

       (3)  20 世紀 90 年代至今為民間工業應用成熟期。從 1990 年起，由于汽車、能源、醫療器材、信息、光電和通信等產業的蓬勃發展，超精密加工機的需求急劇增加，在工業界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel 鏡片、超精密模具、磁盤驅動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設備的相關技術，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設備變為工業界常見的生產機器設備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產型設備。此外，設備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術也被開發出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。

       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，但碳化硅硬度很高，須使用超精密研磨加工等方法。日本對超精密加工技術的研究相對美、英來說起步較晚，卻是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。日本超精密加工的應用對象大部分是民用產品，包括辦公自動化設備、視像設備、精密測量儀器、醫療器械和人造器官等。日本在聲、光、圖像、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，具有優勢，甚至超過了美國。日本超精密加工最初從鋁、銅輪轂的金剛石切削開始，而后集中于計算機硬盤磁片的大批量生產，隨后是用于激光打印機等設備的多面鏡的快速金剛石切削，之后是非球面透鏡等光學元件的超精密切削。1982 年上市的 Eastman  Kodak 數碼相機使用的一枚非球面透鏡引起了日本產業界的廣泛關注，因為 1 枚非球面透鏡至少可替代 3 枚球面透鏡，光學成像系統因而小型化、輕質化，可廣泛應用于照相機、錄像機、工業電視、機器人視覺、CD、VCD、DVD、投影儀等光電產品。因而，非球面透鏡的精密成形加工成為日本光學產業界的研究熱點。

       盡管隨時代的變化，超精密加工技術不斷更新，加工精度不斷提高，各國之間的研究側重點有所不同，但促進超精密加工發展的因素在本質上是相同的。這些因素可歸結如下。

       (1)  對產品高質量的追求。為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好，就必須獲得粗糙度更低的表面。為使電子元件的功能正常發揮，就要求加工后的表面不能殘留加工變質層。按美國微電子技術協會(SIA)提出的技術要求，下一代計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度 Ra≤0.2 nm，磁盤要求表面劃痕深度 h≤1 nm，表面粗糙度 Ra≤0.1 nm。1983 年 TANIGUCHI 對各時期的加工精度進行了總結并對其發展趨勢進行了預測，以此為基礎，BYRNE 等描繪了20世紀40年代后加工精度的發展，如圖 1 所示。圖 2 顯示了 2003 年時各種加工方法可獲得的加工精度。其中微細加工可實現特征尺寸為 1 μm、表面粗糙度趨于 5 nm 的加工。

       (2)  對產品小型化的追求。伴隨著加工精度提高的是工程零部件尺寸的減小。圖 3 描述了各時期汽車上 ABS 系統的質量變化。從 1989～2001 年，從 6.2 kg 降低到 1.8 kg。電子電路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高電路曝光用鏡片的精度、半導體制造設備的運動精度。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質量及其完整性越來越重要。

       (3)  對產品高可靠性的追求。對軸承等一邊承受載荷一邊做相對運動的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，提高其工作穩定性、延長使用壽命。目前，高速高精密軸承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度要求達到數納米。加工變質層的化學性質活潑，易受腐蝕，所以從提高零件耐腐蝕能力的角度出發，要求加工產生的變質層盡量小。

       (4)  對產品高性能的追求。機構運動精度的提高，有利于減緩力學性能的波動、降低振動和噪聲。對內燃機等要求高密封性的機械，良好的表面粗糙度可減少泄露而降低損失。二戰后，航空航天工業要求部分零件在高溫環境下工作，因而采用鈦合金、陶瓷等難加工材料，為超精密加工提出了新的課題。

       以上四個方面相互關聯，共同促進了超精密加工技術的發展。國際知名超精密加工研究單位與企業主要有，美國 LLL 實驗室和 Moore 公司、英國 Granfield 和 Tayler 公司、德國Zeiss 公司和 Kugler 公司、日本東芝機械、豐田工機和不二越公司等。我國從 20 世紀 80 年代初期開始研究超精密加工技術，主要的研究單位有北京機床研究所、清華大學、哈爾濱工業大學、中國科學院長春光機所應用光學重點實驗室、大連理工大學和浙江工業大學等。

       2   超精密加工材料

       為滿足高精度、高可靠性、高穩定性等品質需求，眾多金屬及其合金、陶瓷材料、光學玻璃等需要經過超精密加工達到特定的形狀、精度和表面完整性。這里特別對先進陶瓷材料進行介紹。

       先進陶瓷材料已經成為高精密機械、航空航天、軍事、光電信息發展的基礎之一。先進陶瓷根據性能和應用范圍不同，大致可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩類。功能陶瓷主要指利用材料的電、光、磁、化學或生物等方面直接或耦合的效應以實現特定功能的陶瓷，在電子、通信、計算機、激光和航空航天等技術領域有著廣泛的應用。結構陶瓷材料具有優良的耐高溫抗磨損性能，作為高性能機械結構零件新材料顯示出廣闊的應用前景。表 1 列出了一些典型先進陶瓷材料及其用途。

       表 2 給出了延性金屬材料與脆性先進陶瓷材料的部分物理特性。表 3 給出了幾種先進陶瓷材料的物理特性。先進陶瓷材料多為共價?離子鍵化合物，晶體結構對稱性低、位錯少，因而硬度高、脆性大。氮化硅、碳化硅和藍寶石的硬度僅次于金剛石和 CBN，是公認的典型硬脆難加工材料。先進陶瓷材料與金屬材料物理特性的差異決定了兩者材料去除機理的不同。先進陶瓷材料加工過程中易產生裂紋等表面和亞表面損傷，對器件工作性能和工作壽命造成不利影響。

       3、超精密加工技術

       3.1超精密切削

       超精密切削以 SPDT 技術開始，該技術以空氣軸承主軸、氣動滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環境溫度控制為支撐，可獲得納米級表面粗糙度。所用刀具為大塊金剛石單晶，刀具刃口半徑極小(約 20 nm)。最先用于銅的平面和非球面光學元件的加工。隨后，加工材料拓展至有機玻璃、塑料制品(如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復合材料等。超精密切削技術也由單點金剛石切削拓展至多點金剛石銑削。

       由于金剛石刀具在切削鋼材時會產生嚴重的磨損現象，因此有些研究嘗試使用單晶 CBN、超細晶粒硬金屬、陶瓷刀具來改善此問題，但研究成果仍未達到可商業化的階段。未來的發展趨勢是利用鍍膜技術來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。此外，MEMS 組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達 50～100 μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須再縮小。其發展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。綜合而言，刀具材料與微細刀具制作問題將是超精密加工未來的一個重要研究課題。

       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的發展，超精密磨削技術逐漸成形并迅速發展。

       (1)  超硬磨料砂輪。超硬磨料砂輪是指由金剛石或 CBN 磨料制成的砂輪。金剛石砂輪適于磨削硬、脆有色金屬和硬質合金、光學玻璃、陶瓷、寶石等高硬度、高脆性的非金屬材料，CBN 砂輪適于磨削淬硬鋼、耐熱合金和高硬度、高韌性的金屬材料，兩者相互補充幾乎涵蓋了所有被加工材料。超硬磨料砂輪的種類和特性如表 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限制。多孔金屬結合劑金剛石砂輪雖然具有陶瓷結合極超硬磨料砂輪易修整的特點，但以犧牲結合強度為代價。為此，徐鴻鈞等提出了開發多層釺焊超硬磨料砂輪的構想，將磨粒高把持力、磨粒和孔隙擇優排布、磨粒高出露度融為一體。

        (2)  超硬磨料砂輪修整技術。

       超硬磨粒砂輪具有優良的耐磨損能力，不需經常修整，但在初始安裝和使用磨鈍后修整卻比較困難。傳統的修整方法往往通過剪切和擠壓作用去除磨粒達到修整的目的，修整過程難控制，修整精度低、砂輪損耗大。為此，國內外學者還提出了多種修整方法，如電解在線修整(Electronic in-process dressing，ELID)、電 化 學 在 線 控 制 修 整 (Electrochemical  in-process controlled dressing，ECD)、干式 ECD、接觸式電 火 花 修 整 (Electro-contact  discharge  dressing ，ECDD)、電化學放電加工(Electro-  chemical  dis-charge  machining ， ECDM)、 激 光 輔 助 修 整(Laser-assisted truing and dressing)、噴射壓力修整(Water-jet  in-process  dressing)、超聲振動修整(Ultrasonic dressing)等。其中以 ELID 技術最為典型，應用最為成熟。該技術是由日本理化學研究所的大森整博士與東京大學中川威雄教授于 1990 年提出的。ELID 磨削的基本原理是，磨削加工過程中利用電解作用對金屬結合劑砂輪進行在線的精細修整，使磨粒始終在具有鋒利微刃狀態下進行加工。微刃的數量多且具有等高性，磨削痕跡微細，從而在保持高效率的情況下獲得極高的加工精度。他們用粒度 4 μm 金剛石砂輪加工硅片獲得 Rmax 48 nm、Ra4 nm 的表面。用亞微米級粒度金剛石砂輪加工獲得Rmax 8.92 nm、Ra1.21 nm 的表面。1995 年大森整與川威雄對 ELID 進行了進一步的研究，用#3 000 000鑄鐵基金剛石砂輪對單晶硅進行 ELID 磨削，加工后的表面粗糙度達 Rmax 2.34 nm、Ra0.329 nm。

       各國學者對 Al2O3、Si3N4、Zr O2、SiC、Mn-Zn鐵氧體、單晶硅、光學玻璃和金屬陶瓷等多種材料的 ELID 加工進行了研究，包括去除機理、磨削力、磨削熱、表面質量等基本規律，以及金剛石砂輪的磨削性能、砂輪磨損及修整工藝等關鍵技術，并研制成多種產品，為許多工業部門所采用。但是，超精密磨削以磨粒的強制性切削去除材料，不可避免地在加工表面留下加工損傷層。大森整與川威雄以40000#金剛石砂輪對硅晶片與玻璃進行加工，得到了 Ra2.8 nm 的表面粗糙度，但具有約 1 μm 的表面損傷層。劉世民等利用掃描電鏡的選區電子通道花樣技術研究了用 ELID 磨削技術制作的兩種單晶硅片磨削樣品的表面變質層的厚度及其結構，發現兩種單晶硅片樣品的表面粗糙度依次為 9.5 nm 和22.5 nm，變質層厚度分別為 2.8 μm 和4.8 μm。此外，超精密磨削要求機床具有很高的精度和剛度，砂輪軸的高速旋轉必須使用價格昂貴的軸承，而某種程度的振動總是不可避免的。磨削過程中需要對砂輪不斷地進行修整，以保持磨粒的銳利，防止磨屑堵塞砂輪燒傷工件表面，容屑空間及其保持性成為制作超微細磨粒砂輪的主要難題；另外，磨削過程中，工件與砂輪主要為線接觸方式，加工具有單向性，很難保證加工表面的均勻性；非導磁性工件裝夾困難。這些問題都限制了磨削加工可獲得的表面質量。

       (3)  珩磨。20 世紀 80 年代出現了平面珩磨技術(或精細磨削)，該技術采用類似研磨的運動方式，珩磨的砂輪速度是傳統磨削砂輪速度的 1/30～1/60。由于采用了面接觸的方式，同時參與磨削的磨粒數增多，每個磨粒的垂直負荷僅是磨削情況的1/50～1/100，單個平均切削刃的單位時間發熱量是傳統磨削的 1/1 500～1/3 000 左右，所產生的熱變質層微小。由于磨粒切削深度小，所產生的加工變質層以及殘余應力也小。另外，平面珩磨加工中，一次可以同時對一批工件進行加工；作用于磨粒的切削力方向經常發生變化，使磨粒破碎幾率增加、自礪作用顯著。因此，從獲得優于磨削加工的表面粗糙度這一點來說，具有比磨削更高的效率，并且對機床精度要求不高。采用平面珩磨技術加工先進陶瓷材料，目前已可部分替代研磨。應用金剛石丸片的平面固著磨料高速研磨就是采用這種原理，且已廣泛應用到陶瓷、玻璃、金屬等材料的平面加工中。但仍然利用磨粒強制切削工件表面完成加工，可獲得的表面質量受到限制。

       3.3   超精密研磨與拋光

       研磨、拋光是最古老的加工工藝，也一直都是超精密加工最主要的加工手段。通常，研磨為次終加工工序，將平面度降低至數微米以下，并去前道工序(通常為磨削)產生的損傷層。拋光是目前主要的終加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的損傷層，獲得光滑、無損傷的加工表面。拋光過程中材料去除量十分微小，約為 5 μm。到目前為止，眾多學者提出了多種拋光方法，其中應用最為廣泛，技術最為成熟的是化學機械拋光(Chemical- mechanical polishing，CMP)技術。

       CMP 是 IBM  公司于 20 世紀 80 年代中期開發的一項技術，最先用于 64 位 RAM 的生產，而后擴展至整個半導體行業。YASUNAGA 等人用 Si O2拋光藍寶石，用 BaCO3、CeO2和 CaCO3拋光單晶硅，用 Fe2O3和 MgO 拋光石英，獲得了光滑無損傷表面(表面粗糙度接近1 nm)，首次提出并驗證了化學機械拋光的概念。CMP 加工通過磨粒—工件—加工環境之間的機械、化學作用，實現工件材料的微量去除，能獲得超光滑、少/無損傷的加工表面；加工軌跡呈現多方向性，有利于加工表面的均勻一致性；加工過程遵循“進化”原則，無需精度很高的加工設備。由于 CMP 技術能夠提供超大規模集成電路制造所需全面平坦化(這是其他技術不可比擬的)，目前已經成為半導體工業中的主導技術之一，并在不斷地擴展其應用領域。

       雖然 CMP 技術被認為是獲得超光滑無損傷表面的有效方法，可獲得 0.1 nm 級表面粗糙度和極小的表面損傷層(2000年OGITA等用SC1清洗CMP上的硅片，發現表面損傷層厚度為 21 nm)，但也存在一定的局限性，主要體現在加工精度對磨粒尺寸差異敏感。在理想狀況下，工件與磨具之間的磨粒粒度均勻一致，磨粒上的載荷相等(圖 4a)。當加工區內有硬質大顆粒產生(磨粒團聚或工件磨屑)或進入(外界環境中的大顆粒灰塵)時，若磨具為剛性，則加工載荷由少量大顆粒承擔，導致大顆粒對工件的切深增加因而形成劃痕、凹坑等損傷，或者大顆粒在載荷作用下破碎，但在破碎前往往已在工件表面形成損傷(圖 4b)；為此，通常采用彈性拋光墊(瀝青、聚氨酯等材料)的方法來緩解大顆粒對工件表面的負面作用，但由于拋光墊與大顆粒所接觸的位置彈性變形增大，使得對大顆粒的壓力增加，仍會造成工件表面的劃痕等損傷形式(圖 4c)。目前，只能靠提高加工環境的凈化程度和磨粒尺寸的一致性來避免硬質大顆粒對加工面的損傷，但代價高昂且不能完全避免大顆粒的侵入。硬質大顆粒引起的表面劃痕使大量工件返修或報廢，嚴重阻礙了整體加工效率的提高，如何有效避免硬質大顆粒造成的損傷已經成為拋光工藝中亟待解決的問題。此外，材料去除主要基于三體磨損機理，磨粒主要以滾動的方式實現材料去除，單位時間內參與材料去除的磨粒數量少，材料去除率低，帶有化學成分的加工液和磨粒危害環境且處理成本高。

       除 CMP 技術外，經典的超精密研磨拋光方法還有以下幾種。

       (1)  彈性發射加工(Elastic  emission  machine，EEM)。日本大阪大學 TSUWA 等研究了在工件表面，以原子級去除材料的可行性，建立了彈性發射加工理論，其加工原理和生產設備分別如圖 5、6所示。EEM 技術采用浸液工作方式，利用在工件表面高速旋轉的聚氨酯小球帶動拋光液中粒度為幾十納米的磨料，以盡可能小的入射角沖擊工件表面，通過磨粒與工件之間的化學作用去除工件材料，工件表層無塑性變形，不產生晶格轉位等缺陷，對加工功能晶體材料極為有利。TSUWA 等使用聚氨基甲酸脂球為工具，利用 Zr O2微粉對單晶硅進行彈性發射加工，表面粗糙度達 0.5 nm。

       (2)  動壓浮離拋光。WATANABE 等利用動壓軸承的原理開發了動壓浮離拋光技術，如圖 7 所示。通過在拋光盤沿其圓周方向制有若干傾斜平面，利用拋光盤轉動時產生的液動壓，使工件浮于拋光盤表面，通過浮動間隙中的拋光料微粒對工件進行拋光。因為沒有摩擦熱和磨具磨損，標準面不會變化，因此可重復獲得精密的工件表面。采用這種拋光方法加工直徑為 75 mm 的硅晶片，可獲得 0.3 μm 的平面度和 1 nm 的表面粗糙度。

       (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)  低溫拋光。低溫拋光是指在低溫環境下利用凝結成固態的拋光液進行拋光加工。韓榮久等將膠體 SiO2冷凍成固體膜而后，使溫度保持在–50～–30 ℃之間，對 K9 玻璃進行了加工獲得了Ra  0.4 nm 的表面粗糙度。WU等將低溫拋光方法與無磨料拋光技術相結合，提出了無磨料低溫拋光方法，即以去離子水在低溫下的固體冰作為拋光工具。對 K9 玻璃進行加工可獲得Ra0.48 nm 的表面粗糙度(加工前工件表面粗糙度為 Ra1.3 nm)。對加工后產生的水進行分析，未發現固態玻璃碎片，判斷材料以水解方式去處，因此有效避免了微劃痕等缺陷的產生。拋光 40 h 后，用精度為 0.01 g 的電子天平未能測量出工件的質量變化。但是，由于低溫、真空環境的保持需要極高的代價，應用受到限制。

       (5)  磁場輔助拋光。磁場輔助拋光主要包括磁性磨粒加工(Magnetic abrasive finishing，MAF)、磁浮置拋光(Magnetic  float  polishing，MPF)和磁流變加工(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 金剛石微粉對不銹鋼滾子進行磁性磨粒加工獲得 Ra10 nm 的表面。磁性磨粒加工具有對工件幾何外形幾乎無限制、對設備精度要求不高等特點，特別是磨粒與工件表面之間并非剛性接觸，所以即使有少數大磨粒存在或工件表面偶然出現不均勻硬點，也不會因為切削阻力突然改變而劃傷工件表面。但過去所發表的 MAF 研究論文當中，幾乎 90 %以上的試驗均是使用燒結制成的磁性磨料，因為燒結過程復雜，成本昂貴，應用受到限制。

       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。

       磁流變加工技術是 20 世紀 90 年代初由KORDONSKY 等提出的，他們將電磁學和流體動力學理論結合，利用磁流變液(由磁性顆粒、基液和穩定劑組成的懸浮液)在磁場中的流變特性對光學玻璃進行拋光。磁流變液的流變特性可以通過外加磁場強弱的調節來控制。磁流變加工裝置如圖 10所示。磁流變液由噴嘴噴灑在旋轉的拋光輪上，磁極置于拋光輪的下方，在工件與拋光輪所形成的狹小空隙附近形成一個高梯度磁場。當拋光輪上的磁流變液被傳送至工件與拋光輪形成的小空隙附近時，高梯度磁場使之凝聚、變硬，成為粘塑性的 Bingham 介質。具有較高運動速度的 Bingham   介質通過狹小空隙時，在工件表面與之接觸的區域產生很大的剪切力，從而使工件的表面材料被去除。在拋光過程中，通過控制工件在磁流變液的掃過速率(或停留時間)可實現工件表面的選擇性去除。1997 年 JACOBS 等對紅外材料 BK7、CaF2、LiF 等進行磁流變拋光，獲得表面粗糙度小于 5 nm的光滑表面。2006 年孫希威等用磁流變拋光加工了R41.3 mm、口徑 20 mm 的 K9 光學玻璃球面工件,獲得了表面粗糙度 8.441 nm、面形精度57.911 nm PV 的表面。

       (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)  應力盤拋光。為實現大型非球面元件的超精密加工，誕生了應力盤拋光方法。該方法采用大尺寸剛性盤作為基盤，在周邊可變應力的作用下，盤的面形可以實時地變形成所需要的面形，以適配非球面的不同位置上的吻合研磨。應力盤拋光技術具有優先去除表面最高點或部位的特點，具有平滑中高頻差的趨勢，可以很好地控制中高頻差的出現、有效地提高加工效率。2002 年 MARTIN 等用應力盤拋光技術對 Magellan 望遠鏡 6.5 mf/1.25 主鏡和Large Binocular 望遠鏡 8.4 mf/1.14 主鏡進行了拋光，這些大型鏡片都是非球面鏡，加工后形狀誤差為0.01%，表面粗糙度為 20 nm。

       (8)  電解拋光。電解拋光又稱電化學拋光，起源于 20 世紀初。1930 年法國電話公司Jacquet 首次提出電解拋光技術，并進行了系統研究。目前，解釋電解拋光過程比較合理的理論是薄膜理論。薄膜理論認為，電解拋光時，靠近金屬試樣陽極表面的電解液，在試樣上隨著表面凹凸高低不平形成一層薄厚不均勻的粘性薄膜。由于電解液攪拌流動，在靠近試樣表面凹陷的地方，擴散流動得較慢，因而形成的膜較厚，而在凸起的地方薄膜較薄。由于試樣表面各處的電流密度相差很多，凸起頂峰地方電流密度很大，金屬快速地溶解于電解液中，而凹陷部分金屬則溶解慢，結果使得粗糙的表面變得平整從而達到拋光的目的。2003 年 HUANG 等對高速鋼進行電解拋光，獲得 Ra30～50 nm 的表面。

       (9)  離子束拋光。離子束拋光是把中性離子在電場中加速，撞擊工件表面的原子或分子，使其逸出表面從而將材料去除(圖 11)。由于被加工材料以原子或分子為單位去除，可獲得納米級高質量加工表面。LI等用氟離子束對 CMP 后的 50 mmGaSb外延片進行超精加工，使其表面粗糙度由 0.7 nm 降低到 0.18 nm。離子束拋光可加工的材料范圍較廣，對工件尺寸沒有嚴格控制，并且可加工球面、非球面和非對稱面形。

       (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加工具有拋光效率高，工作不受機械壓力，沒有機械變形，加工表面無亞表面損傷、無污染，加工球面和非球面難易相當等優點。目前Perkin-Elmer 公司用該技術已在φ 0.5 m～1.0 m 的非球面上加工出面形精度小于 1/50λ，表面粗糙度小于 0.5 nm 的表面。

       (11)  激光拋光。激光拋光技術是利用激光與材料表面相互作用進行加工，它遵循激光與材料作用的普遍規律。激光與材料間的作用方式有熱作用和光化學作用，可把激光拋光分為熱拋光和冷拋光。熱拋光是利用激光的熱效應，通過熔化、蒸發等過程去除材料。因此只要材料的熱物理性能好，都可以用它來進行拋光，但由于溫度梯度大而產生的熱應力大，易產生裂紋，因此熱拋光的效果不是很好。冷拋光是利用材料吸收光子后，表層材料的化學鍵被打斷或者是晶格結構被破壞，從而實現材料的去除。利用光化學作用時，熱效應可以被忽略，因此熱應力很小，不產生裂紋，也不影響周圍材料，且容易控制材料的去除量，特別適合于硬脆性材料的精密加工UDREA 等利用 CO2激光器對光纖的端面進行拋光，得到的 Ra 100 nm 表面粗糙度。激光拋光是一種非接觸拋光，不僅能對平面進行拋光，還能對各種曲面進行拋光。而且對環境的污染小，可以實現局部拋光，特別適用于超硬材料和脆性材料的精拋，具有良好的發展前景。但目前激光拋光作為一種新技術還處于發展階段，還存在著設備和加工成本高、加工過程中的檢測技術和精度控制技術要求比較高等缺點。

       4、幾類超精密加工技術的比較及半固

       著磨粒加工 超精密加工的精度不僅隨時代變化，即使在同一時期，工件的尺寸、形狀、材質、用途和加工難度不同，超精密加工的精度也不同。對上述幾種典型的超精密加工技術可進行定性比較，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。

       為實現高效精密加工，誕生了將固著磨粒加工和游離磨粒加工進行整合的半固著磨粒加工概念。SHIMADA 等提出了一種使用半固態的磁性拋光體(Magnetic compound fluid polishing tool，MPT)進行超精密加工的方法。該方法將磁性復合流體(Magnetic compound fluid，MCF)和磨粒、植物纖維均勻混合后在磁場條件下壓縮制得 MPT，MPT 在磁場作用下為半固態，以此對工件進行加工。他們使用微米級鐵粉構成的 MPT 對 SUS430 不銹鋼進行拋光，獲得 Ra15 nm 的表面。目前此方面研究尚處于起步階段。

       針對大批量生產的氮化硅陶瓷、藍寶石單晶等硬脆難加工先進陶瓷材料超光滑無損傷表面高效加工的要求，作者提出一種半固著磨粒加工技術。磨具中的磨粒處于半固著狀態，磨具表層對硬質大顆粒具有“陷阱”效應，即硬質大顆粒侵入時，可使之陷入磨具表面，從而主動防止或降低大顆粒對加工表面造成的損傷。同時，該技術具有比研磨更高的加工效率，表面加工質量甚至可以達到拋光的水平。

       5、超精密加工的發展趨勢

       (1)  高精度、高效率。高精度與高效率是超精密加工永恒的主題。總的來說，固著磨粒加工不斷追求著游離磨粒的加工精度，而游離磨粒加工不斷追求的是固著磨粒加工的效率。當前超精密加技術如 CMP、EEM 等雖能獲得極高的表面質量和表面完整性，但以犧牲加工效率為保證。超精密切削、磨削技術雖然加工效率高，但無法獲得如 CMP、EEM 的加工精度。探索能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工領域研究人員的目標。半固著磨粒加工方法的出現即體現了這一趨勢。另一方面表現為電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復合加工方法的誕生。

       (2)  工藝整合化。當今企業間的競爭趨于白熱化，高生產效率越來越成為企業賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。

       (3)  大型化、微型化。為加工航空、航天、宇航等領域需要的大型光電子器件(如大型天體望遠鏡上的反射鏡)，需要建立大型超精密加工設備。為加工微型電子機械、光電信息等領域需要的微型器件(如微型傳感器、微型驅動元件等)，需要微型超精密加工設備(但這并不是說加工微小型工件一定需要微小型加工設備)。

       (4)  在線檢測。盡管現在超精密加工方法多種多樣，但都尚未發展成熟。例如，雖然 CMP 等加工方法已成功應用于工業生產，但其加工機理尚未明確。主要原因之一是超精密加工檢測技術還不完善，特別是在線檢測技術。從實際生產角度講，開發加工精度在線測量技術是保證產品質量和提高生產率的重要手段。

       (5)  智能化。超精密加工中的工藝過程控制策略與控制方法也是目前的研究熱點之一。以智能化設備降低加工結果對人工經驗的依賴性一直是制造領域追求的目標。加工設備的智能化程度直接關系到加工的穩定性與加工效率，這一點在超精密加工中體現更為明顯。目前，即使是臺灣的部分半導體工廠，生產過程中關鍵的操作依然由工人在現場手工完成。

       (6)  綠色化。磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環境造成了極大的負擔。我國是磨料、磨具產量及消耗的第一大國，大幅提高磨削加工的綠色化程度已成為當務之急發達國家以及我國的臺灣地區均對半導體生產廠家的廢液、廢氣排量及標準實施嚴格管制，為此，各國研究人員對CMP 加工產生的廢液、廢氣回收處理展開了研究。綠色化的超精密加工技術在降低環境負擔的同時，提高了自身的生命力。

       6、結論

       出于對產品高質量、小型化、高可靠性和高性能的追求，超精密加工技術得以迅速發展，現已成為現代制造工業的重要組成部分，其加工的對象已從軍用品拓展到民用品，并以后者為重心。超精密加工技術的發展推動了國防、航空航天、光電信息等高科技產業的發展，同時也極大地改變了人類的生活方式、改善了人們的生活水平。超精密加工技術正迎來一個繁榮的時代。鑒于軍事、信息等產業對高精度先進陶瓷元件的巨大需求，新的高性能先進陶瓷材料不斷涌現，這類材料的超精密加工成為經久不衰的研究熱點。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨與拋光技術已取得長足的進展，加工后工件表面精度可達納米級或亞納米級，并且加工方法目趨多樣化。總的來說，超精密磨削、珩磨等固著磨粒超精密加工技術正在追求游離磨粒加工技術的加工精度，而游離磨粒超精密加工技術正在追求固著磨粒加工的效率。超精密加工技術正向著適于大批量生產的高效高質量、低成本、環境友好的方向發展。