1從現(xiàn)代幾次戰(zhàn)爭的特點(diǎn)認(rèn)識超精密加工技術(shù)的重要性
從上個世紀(jì)九十年代開始的幾次局部戰(zhàn)爭中，包括第一次海灣戰(zhàn)爭(1992年)、科索沃戰(zhàn)爭(1996年)、阿富汗戰(zhàn)爭(1999年)以及剛剛結(jié)束的第二次海灣戰(zhàn)爭(2003年)，世界各國已經(jīng)越來越清楚地認(rèn)識到高科技對戰(zhàn)爭進(jìn)程及最終結(jié)果的影響。如果說過去的戰(zhàn)爭主要靠“數(shù)量”和“速度”的話，現(xiàn)在高科技、智能化武器則起了決定作用。高技術(shù)、智能化武器具有高能效、高精度等特點(diǎn)，武器的高精度必然要求其元部件的高精度，從而必須具備高精度的制造技術(shù)才能生產(chǎn)出來。美國及其盟國正是由于多年來大力發(fā)展包括超精密加工技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)，突破了制造技術(shù)中的許多關(guān)鍵使其發(fā)展到實(shí)用階段，才具備了生產(chǎn)精確制導(dǎo)、夜視設(shè)備等高技術(shù)武器的能力。
1.1精確制導(dǎo)武器的大量使用和超視距攻擊能力的提高
剛剛結(jié)束的第二次海灣戰(zhàn)爭與第一次海灣戰(zhàn)爭、科索沃以及阿富汗戰(zhàn)爭相比，使用精確制導(dǎo)炸彈的比例已經(jīng)從6.8%、34%、66%上升到這次的接近100%，制導(dǎo)方式也由慣性制導(dǎo)(INS)向激光制導(dǎo)、數(shù)字景像匹配末端制導(dǎo)以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)制導(dǎo)方式發(fā)展，其中應(yīng)用最廣的激光制導(dǎo)中所用的許多激光元件如激光反射鏡、激光陀螺腔體、非球面透鏡等都要求非常高的精度和表面質(zhì)量，這些元件將直接影響到制導(dǎo)精度。激光反射鏡的高精度高反射率的平面、數(shù)字景像匹配末端制導(dǎo)需用的紅外探測及接受、紅外成像(碲鎘汞)等要求的高表面質(zhì)量平面，只能通過超精密研磨才能進(jìn)行高質(zhì)量批量生產(chǎn)，而非球面反射鏡和透鏡可利用CNC超精密車削、磨削及拋光制成。
機(jī)載雷達(dá)是空中超視距攻擊的關(guān)鍵，其中微波器件波導(dǎo)管的制造技術(shù)對雷達(dá)性能有重要影響，波導(dǎo)管的品質(zhì)因素與其表面粗糙度、精度有關(guān)，用超精密車削技術(shù)可以較容易地保證要求，從而最終保證雷達(dá)的性能。
1.2夜戰(zhàn)能力的提高
夜戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭空襲的主要手段，它可以使許多不受電子干擾而使用光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的常規(guī)武器失效，從而減小攻擊方的傷亡。夜戰(zhàn)中可利用前視紅外探測器、激光測距器、微光夜視以及光柵電視等清楚的看到地面成像。夜視設(shè)備的使用包含直升機(jī)、裝夾車輛、導(dǎo)彈、人員等。由于沙漠氣候炎熱，為了便于晚間作戰(zhàn)，這次海灣戰(zhàn)爭中美國為每個士兵都配備了高清晰度的夜視設(shè)備，而且與前幾次戰(zhàn)爭相比重量大大減輕(400G)，可以直接固定在頭盔上，從而提高了士兵作戰(zhàn)的靈活性。上述裝置中，紅外成像是關(guān)鍵技術(shù)，其中關(guān)鍵元件碲鎘汞晶體要求很高的表面質(zhì)量(低粗糙度、無劃痕、無變質(zhì)層)，需要用特殊的超精密研磨(如非接觸研磨、機(jī)械化學(xué)研磨等)加工。夜視設(shè)備中同樣用到了非球面曲面光學(xué)元部件。
1.3電子對抗技術(shù)的進(jìn)步
第二次海灣戰(zhàn)爭美軍大量使用了電子干擾和反輻射導(dǎo)彈壓制了伊軍的通訊與雷達(dá)，使伊軍徹底失去了指揮、預(yù)警等能力，由于各地駐軍失去了與指揮部的聯(lián)系，只能各自為戰(zhàn)，所以美軍的進(jìn)展異常順利。電子對抗中本方的電子裝備必須具有極好的抗干擾能力與快速反應(yīng)能力，利用砷化鎵半導(dǎo)體制成的大規(guī)模集成電路與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅相比，具有速度快、工作可靠、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。砷化鎵半導(dǎo)體器件的制造需要一整套超精密磨削、研磨、拋光工藝以及刻劃等外延設(shè)備。此外，美國軍用大規(guī)模集成電路的刻劃必須要有一整套超精密加工及微細(xì)加工設(shè)備。
1.4軍用衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展
現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)不能離開各種衛(wèi)星，如偵查用間諜衛(wèi)星、GPS用的衛(wèi)星網(wǎng)等。目前世界上正在運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄羅斯的G23N4SS，二者都提供軍碼和民碼兩種信號，主要用于戰(zhàn)機(jī)及作戰(zhàn)部隊(duì)的導(dǎo)航定位、精確制導(dǎo)以及救援服務(wù)等用途，與第一次海灣戰(zhàn)爭相比，GPS制導(dǎo)占精確制導(dǎo)的比例已由10%提高到這次海灣戰(zhàn)爭的90%，而且與激光制導(dǎo)相比，GPS制導(dǎo)具有精度更高，不受氣候條件等外界因素干擾等優(yōu)點(diǎn)。但美、俄目前GPS開放的僅僅是民碼，如果不盡快發(fā)展本國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，勢必在未來戰(zhàn)爭中受制于人，處于被動挨打的局面，我國近年來也開始研制導(dǎo)航定位衛(wèi)星正是在努力改變這種局面。
衛(wèi)星上的姿態(tài)控制極為重要，必須有超精密的真空無潤滑軸承，其孔軸幾何精度為毫微米級，表面粗糙度為納米級，必須用超精密磨削與研磨才能達(dá)到。此外對于偵查用的間諜衛(wèi)星，必須裝備先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、高分辨率電視攝像系統(tǒng)、高靈敏度紅外成像系統(tǒng)等，這其中高精度非球面透鏡、高分辨率電視中的光柵、紅外成像的碲鎘汞半導(dǎo)體元件等都必須用超精密加工技術(shù)才能制造出來。GPS系統(tǒng)中也要求具有抗干擾、反應(yīng)快等特點(diǎn)，同樣也離不開砷化鎵半導(dǎo)體制成的大規(guī)模集成電路。
1.5軍用微型武器系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢
微小型武器是20世紀(jì)90年代美國等先進(jìn)工業(yè)國家開始發(fā)展的新概念武器，它不但在基礎(chǔ)理論、設(shè)計、制造與計量測試技術(shù)等方面是革命性創(chuàng)新，而且對21世紀(jì)戰(zhàn)爭的模式將會帶來變革性的影響�；谖⒚住⒓{米、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展起來的微小型武器技術(shù)的內(nèi)涵是：根據(jù)微小型武器特殊功能和特性，應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、計算機(jī)、感知、控制等先進(jìn)技術(shù)，通過軟、硬件接口，綜合集成為微小型武器系統(tǒng)的光機(jī)電一體化技術(shù)。
微小型武器的種類主要包括微型飛行器、微小型水下無人潛器、微小型軍用機(jī)器人技術(shù)、微小型偵察傳感器系統(tǒng)。微小型武器具有以下重大作用：微小型無人武器由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場等)的局部戰(zhàn)爭。
由于微小型武器系統(tǒng)的發(fā)展，許多非硅材料以及其他結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，只靠傳統(tǒng)的(光刻掩模、電鑄、LIGA等)MEMS加工工藝已經(jīng)無法滿足要求，而普通精密加工又無法滿足尺度及精度的要求，所以可以利用超精密加工技術(shù)的特點(diǎn)，對一些非硅結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行加工，滿足使用要求。
2超精密加工技術(shù)的發(fā)展思路及面臨的任務(wù)
2.1超精密加工技術(shù)的發(fā)展思路
對于超精密加工技術(shù)來說，最大的需求就是國防軍事工業(yè)。我國的超精密加工技術(shù)與國外，特別是美、俄等發(fā)達(dá)國家相比，落后較多，面臨的最大任務(wù)是根據(jù)目前的需求如何在較短的時間內(nèi)盡快提高超精密加工技術(shù)(包括設(shè)備及工藝)的水平，使之能夠適應(yīng)應(yīng)用要求。主要包括以下幾個方面：
重視超精密加工工藝和特種超精密加工設(shè)備的研究
美國、俄羅斯在超精密加工技術(shù)的研究上發(fā)展思路完全不同。美國充分利用其科技優(yōu)勢，研制了一系列先進(jìn)的超精密加工設(shè)備和超精密檢測儀器，利用這些先進(jìn)的設(shè)備加工出高精度的零件。而俄羅斯則很少有非常先進(jìn)的超精密加工設(shè)備，但是同樣能夠加工出所需的高精度零件，原因在于它掌握著先進(jìn)的工藝。例如從有關(guān)資料分析俄羅斯研磨機(jī)的性能指標(biāo)并不先進(jìn)，甚至不如國內(nèi)某些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，但是他們有自己獨(dú)特的工裝夾具以及研磨工藝，最終加工零件的精度及其穩(wěn)定性卻優(yōu)于國內(nèi)。所以根據(jù)我國的國情，盲目地靠引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備和儀器只能受制于人，況且許多超精密加工設(shè)備儀器禁運(yùn)。而在一定時期內(nèi)要靠自行研制所有超精密加工設(shè)備和儀器也不現(xiàn)實(shí)，所以應(yīng)該走俄羅斯的路子，即重視超精密加工工藝的研究。
國內(nèi)目前還有進(jìn)口了先進(jìn)設(shè)備，卻由于工藝不過關(guān)無法加工出合格的產(chǎn)品的例子，如NANOFORM250非球面超精密加工設(shè)備國內(nèi)引進(jìn)了有多臺，但只有某家研究所由于有以前的工藝經(jīng)驗(yàn)而使用效率以及使用效果較好。
對于一些特殊要求零件的加工，可以在現(xiàn)有成熟的超精密元部件如超精密主軸、高精度導(dǎo)軌等基礎(chǔ)上，并利用模塊化技術(shù)，研制一些特種超精密加工設(shè)備，這樣既能縮短研制周期，又能降低研制成本。
注重降低超精密加工技術(shù)研究成本，擴(kuò)展超精密加工技術(shù)的應(yīng)用范圍
由于超精密加工技術(shù)的研究需要潔凈的環(huán)境、嚴(yán)格的溫度控制、昂貴的加工設(shè)備及檢測設(shè)備，這一切都需要高投入，這在一定程度上限制了其研究和應(yīng)用。可以通過各種途徑，例如應(yīng)用模塊化技術(shù)降低超精密加工設(shè)備研制成本，采用局部小環(huán)境控制技術(shù)降低對整體環(huán)境的控制成本等。在此基礎(chǔ)上，可以將先進(jìn)的超精密加工技術(shù)應(yīng)用于某些民用行業(yè)，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
在國防預(yù)研的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)應(yīng)用性以及可靠性、快速響應(yīng)性的研究
我國在八五、九五期間，在國防預(yù)研上取得了一些具有先進(jìn)水平的成果，但是目前這些成果還局限于實(shí)驗(yàn)室，離實(shí)際工程應(yīng)用還有一定距離，或者說其加工效率以及穩(wěn)定性還有待提高。所以在繼續(xù)重視先進(jìn)技術(shù)預(yù)研的同時，更重要的是加強(qiáng)成果的應(yīng)用，使之能夠及時服務(wù)于先進(jìn)武器裝備系統(tǒng)和其它民用行業(yè)。
需求為牽引，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合
由于超精密加工技術(shù)的研究是一項(xiàng)需要高投入的項(xiàng)目，所以國內(nèi)各單位不能各自為戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的龍頭作用，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)的人力、物力努力提高我國的超精密加工水平。此外在現(xiàn)階段，根據(jù)我國的實(shí)際情況，進(jìn)行超精密加工技術(shù)的研究應(yīng)該強(qiáng)調(diào)以需求為牽引，這樣可以爭取更大的投資，也才可能更快地取得成果，直接應(yīng)用于武器型號任務(wù)。
2.2超精密加工技術(shù)目前面臨的研究任務(wù)
超精密加工設(shè)備及工藝的研究
經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)超精密加工設(shè)備的研制已經(jīng)初具規(guī)模，包括非球面曲面復(fù)合加工系統(tǒng)在內(nèi)的許多設(shè)備的指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，但是從設(shè)備的可靠性、可操作性等方面來看還有一定的差距，如何更好地發(fā)揮設(shè)備的作用，需要進(jìn)一步的人力、物力投入。例如，本實(shí)驗(yàn)室的NANOSYS-300非球面曲面復(fù)合加工設(shè)備2003年5月交付用戶后，一直在生產(chǎn)一線服務(wù)，已經(jīng)加工了多批型號任務(wù)零件，從加工精度等方面來說完全能滿足用戶要求，但是從其他方面，例如可操作性、可靠性等方面還有許多改善余地。所以應(yīng)加強(qiáng)超精密加工技術(shù)可靠性、實(shí)用性技術(shù)的研究。
隨著科技的發(fā)展，將有更多先進(jìn)的新型功能材料及結(jié)構(gòu)材料得到應(yīng)用，包括新型高強(qiáng)度、高硬度材料、智能材料、新型半導(dǎo)體材料等，首先要解決的是其加工問題。例如在衛(wèi)星相機(jī)上用的SIC增強(qiáng)復(fù)合材料的加工工藝的研究，紅外材料諸如鍺、單晶硅、氟化鈣玻璃的超精密車削工藝研究，KDP晶體(激光核聚變)飛切加工工藝的研究等。
復(fù)雜曲面超精密加工及檢測技術(shù)研究
非球面零件的應(yīng)用十分廣泛，它可以減輕光學(xué)系統(tǒng)重量，提高成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性。特別是非軸對成非球面曲面的應(yīng)用，更是將整個系統(tǒng)的性能大大提升，目前國內(nèi)還不能加工此類曲面。
大中型非球面曲面超精密加工設(shè)備及工藝研究
目前國外對于非球面的加工設(shè)備已經(jīng)部分解禁，如NANOFORM250國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)口了幾臺，但是對于加工口徑在300MM以上的非球面加工設(shè)備嚴(yán)格禁運(yùn)，但是這部分零件數(shù)量在某些行業(yè)占有相當(dāng)大的比例，所以盡快研制中大型非球面曲面超精密加工設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。包括實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的國內(nèi)幾家單位對非球面曲面超精密加工設(shè)備及加工工藝的研究已經(jīng)有了一定的技術(shù)積累，應(yīng)在此基礎(chǔ)上聯(lián)合力量集中攻關(guān)。
非軸對稱光學(xué)曲面加工設(shè)備的研制(五軸CNC超精密加工中心)
非軸對稱光學(xué)曲面的性能比軸對稱非球面曲面更加優(yōu)越，目前只有美國、俄羅斯能夠加工此類產(chǎn)品。國內(nèi)雖有不少大專院校進(jìn)行了非軸對稱光學(xué)曲面各種加工工藝的研究，如用數(shù)控拋光、超精密車削等方法，但是還不能真正加工出產(chǎn)品。所以國內(nèi)應(yīng)加緊研制五軸CNC超精密加工中心，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非軸對稱光學(xué)曲面加工工藝的研究。
非球面曲面超精密檢測技術(shù)研究
非球面檢測技術(shù)是光學(xué)非球面加工首先要解決的關(guān)鍵問題，特別是針對我國的國情，至少在目前還只能靠人工輔助研磨加工光學(xué)非球面，測量問題顯得更為突出。只有準(zhǔn)確、快速測量出加工過程中零件的誤差，工人才有可能相應(yīng)研磨從而獲得高精度的非球面光學(xué)零件。相對于非球面加工技術(shù)來說，其測量技術(shù)與國外相比落后更多。光學(xué)非球面檢測技術(shù)應(yīng)當(dāng)具備能在鏡面加工過程中迅速判斷面型誤差狀況，隨機(jī)反饋給出進(jìn)一步修正指令，又要解決零件的終了檢驗(yàn)。
目前非球面面型測量應(yīng)用最多的方法是光波的干涉測量法，具有較高的測量精度和較好的空間分辨率。它可以快速進(jìn)行整個表面的測量，最高分辨率可達(dá)到亞納米級。但是對于不同的光學(xué)非球面，必須準(zhǔn)備相應(yīng)的光學(xué)模板才能進(jìn)行測量，這套測量系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。
利用全息干涉法可以測量非球面，但是無論是采用標(biāo)準(zhǔn)非球面還是采用計算機(jī)生成(CGH)都必須制作一張全息片，而且對于不同方程的非球面就必須有相應(yīng)的全息片。但是直到目前為止國內(nèi)制作全息片的工藝還只局限于一些傳統(tǒng)的工藝，對于非球面超精密測量所需的全息片基本上依賴于進(jìn)口，這極大地限制了光學(xué)非球面零件的測試及加工。目前進(jìn)口一張非球面超精密測量用的全息片大約需要一萬多美金，而且需要告訴對方非球面的方程，對于型號任務(wù)這就牽涉到保密等問題。特別是對于一些預(yù)研或在研以及沒有定型的項(xiàng)目，由于牽涉到非球面的種類和數(shù)量較大，所需經(jīng)費(fèi)十分可觀，所以自行研制非球面測量用的全息片已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。
國外目前最先進(jìn)的工藝是采用計算機(jī)直接生成測量非球面用全息片(COMPUTERGENERATEDHOLOGRAM)并采用激光直接刻劃技術(shù)(LASERWRITINGSYSTEM)制作全息片，不僅大大降低了制作成本，而且還縮短了制作周期。最典型的樣機(jī)德國斯圖加特大學(xué)研制的LASERPLOTTERCLWS300激光刻劃系統(tǒng)，激光記錄點(diǎn)直徑為0.5μM，徑向坐標(biāo)定位精度為0.08μM(RMS)，角方向定位精度為0.1S"(RMS)。
高精度激光刻劃系統(tǒng)主要包括以下幾個方面：
光學(xué)部分：包括激光器、聲光調(diào)制器、自動聚焦系統(tǒng)以及光路總體設(shè)計及布置等;
機(jī)械部分：高精度空氣軸承、高精度運(yùn)動導(dǎo)軌、隔振平臺等;
電控部分：高精度機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動及定位控制，激光器、調(diào)制器以及自動聚焦的控制，同時包括機(jī)械、光學(xué)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制;
軟件部分：機(jī)械、光學(xué)系統(tǒng)的控制軟件、計算機(jī)生成非球面測量用全息片的軟件。
非硅材料三維微小型零件超精密加工技術(shù)的研究
MEMS加工技術(shù)主要有從半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)展起來的硅平面工藝和體硅工藝。八十年代中期以后利用X射線光刻、電鑄、及注塑的LIGA技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個體系。MEMS的加工技術(shù)可包括硅表面加工和體加工的硅微細(xì)加工、LIGA加工和利用紫外光刻的準(zhǔn)LIGA加工、微細(xì)電火花加工(EDM)、超聲波加工、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、立體光刻成形等。
但是構(gòu)成這些微型機(jī)械的零件是各種各樣而紛繁復(fù)雜的，要想使微型機(jī)械性能真正地過關(guān)并達(dá)到實(shí)用的程度，必須要盡快地提高微型機(jī)械零件的制造工藝與設(shè)備的水平。目前微型機(jī)械零件的制造工藝最為成熟的技術(shù)就是光刻，許多經(jīng)典的微型機(jī)械零件制造的成果，基本上都是采用光刻或電鑄技術(shù)完成的。然而這些成熟的工藝方法所加工的微型機(jī)械零件只能是二維的(或準(zhǔn)三維)，而實(shí)際真正的三維形狀零件用光刻技術(shù)是完成不了的。在微型機(jī)械中，存在著許多三維的微小零件，如微型模具、直徑為70μM的微小螺紋、微型齒條、直徑為50μM的銷子、各段直徑分別為200μM、100μM、50μM的階梯軸、外徑為300μM的旋轉(zhuǎn)拋物面等，這些典型的三維微小零件的加工，不僅用光刻、三束加工等工藝方法實(shí)現(xiàn)不了，用傳統(tǒng)的機(jī)械制造系統(tǒng)也是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，必須針對三維微小機(jī)器的特點(diǎn)，開發(fā)和研制微型制造系統(tǒng)，在這種新概念制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)微小機(jī)器零件的加工、檢測和裝配。由微小型設(shè)備組成的制造微小型機(jī)器的系統(tǒng)稱為微型制造系統(tǒng)，其中技術(shù)難題包括微小型機(jī)器零件的加工、檢測和裝配等，關(guān)于這方面的研究工作主要集中在日本和美國。日本在這方面首先提出了微型桌面工廠的概念。
但是加工微機(jī)械零件不一定非要用微型加工機(jī)床，例如加工儀表零件機(jī)床的特點(diǎn)并不是其體積有多小，而是與普通機(jī)床相比精度較高。所以微機(jī)械零件的機(jī)械加工設(shè)備的最關(guān)鍵指標(biāo)是機(jī)床的精度，況且一味地追求減小機(jī)床體積只能加大成本。超精密加工技術(shù)由于其加工精度高、切削力小等特點(diǎn)，特別適合進(jìn)行微機(jī)械零件的加工，這也將為微機(jī)械零件的加工開辟了一條新的途徑。
超精密加工技術(shù)的最大的需求是先進(jìn)的武器裝備系統(tǒng)，軍事需求直接推動著超精密加工技術(shù)的發(fā)展。針對我國目前超精密加工技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，應(yīng)根據(jù)國情加大對超精密加工工藝以及特種超精密加工設(shè)備的研究，并力圖降低超精密加工技術(shù)的成本，拓寬超精密加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
