超精密镜面加工和黑科技

   齐齐哈尔华工机床股份有限公司近期向上海宝钢交付了一台大型超精密镜面铣磨一体化机床。该机床可在3个小时内，将230mm×1900mm（毫米）的钢坯表面加工成镜面。在该大型钢坯表面上的任意点测试，表面粗糙度均达到了Ra0.02—0.013以内（即轮廓算术平均偏差在0.02—0.013微米之间）。这标志着华工机床攻克了超精加工镜面领域的一项世界难题，实现了国内大型金属平面的超精密镜面加工。

这则消息说明我国的核聚变等黑科技有了进展。

1、核聚变、陀螺仪、太赫兹雷达、导弹精度、轴承、超级望远镜

     超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。当时在美国因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，因而急需开发制作反射镜的超精密加工技术。1980年美国在世界上首次开发了三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，它标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。激光核聚变点火装置（NIF）需要7000多块400mm见方的KDP晶体，如果没有高效超精密加工工艺，加工时间也无法想象。为此需要不断开发新的超精密加工设备和超精密加工工艺来满足高效超精密加工的需求。

  NIF整个系统约有2个足球场大小，共有192束强激光进入直径10m的靶室，最终将能量集中在直径为2mm的靶丸上。这就要求激光反射镜的数量极多（7000多片），精度和表面粗糙度极高（否则强激光会烧毁镜片），传输路径调试安装精度要求极高，工作环境控制要求极高。对于直径为2mm的靶丸，壁厚仅为160μm，其中充气小孔的直径为5μm，带有一直径为12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困难在于其深径比大、变截面，可采用放电加工、飞秒激光加工、聚焦离子束等工艺，或采用原子力显微镜进行超精密加工。系统各路激光的空间几何位置对称性误差要求小于1%、激光到达表面时间一致性误差小于30fs、激光能量强度一致性误差小于1%等。如此复杂高精度的系统无论从组成的零部件加工及装配调试过程时刻都体现了超精密制造技术。

   另外，陀螺仪的精度也和这个有关。   NASA为了验证爱因斯坦广义相对论的预言，从1963年开始计划、但直到2004年才发射了一个利用高精度陀螺仪的测量装置——引力探测器，用于检测地球重力对周围时空影响。其中陀螺仪的核心部件——石英转子（φ38.1mm）的真球度达到了7.6nm，若将该转子放大到地球的尺寸，要求地球表面波峰波谷误差仅为2.4m，如此高的加工精度可以说将超精密加工技术发挥到了极限，最终陀螺精度达到了0.001角秒/年。

    美国1962年就研制成功了激光陀螺，但因未突破硬脆材料的陀螺腔体和反射镜的超精密加工技术，使激光陀螺在飞机上的应用整整延迟了20年，超精密车削、磨削、研磨以及离子束抛光等工艺的相继突破才使激光陀螺投入了批生产，并将陀螺性能指标提高了2个数量级。半球谐振陀螺仪中半球谐振子采用超精密振动切削工艺达到了精度和性能指标。激光加工和离子刻蚀等超精密加工技术是制造硅微型惯性传感器的重要工艺，这将对飞机和导弹惯性系统的小型化起重要作用。采用超精密铣削工艺及超精密研抛工艺提高了惯性传感器中挠性件的精度和尺寸稳定性。此外，飞控系统中的液压零件采用超精密磨削及研磨抛光、超精密清洗工艺，对提高飞机的可靠性、可维修性和寿命起到了至关重要的作用。

    超精密加工技术使导弹关键元器件的精度和质量产生了飞跃，进而大大提高了导弹的命中率。例如导弹头罩形状由球形向适应空气动力学的复杂形状发展，材料由红外材料向蓝宝石乃至金刚石发展，这也对超精密加工设备和超精密加工工艺提出了新的要求。

      太赫兹雷达可用于隐身飞行器探测，其中束控元件是太赫兹探测系统的重要功能部件，其透镜主要采用硅基远红外透射材料，反射元件面形有抛物面、椭球面、离轴非球面以及赋形曲面等，采用铝等金属基材料。我国正研的主反射元件尺寸已有φ300mm、φ800mm、φ1000mm等，面形精度要求已要求达微米级，表面质量为镜面，并且要求零件精度质量具有良好的稳定性。我国中期发展的太赫兹系统拟采用φ4~5m的主镜，远期主镜直径将达30m或更大，太赫兹系统束控主反射元件面形也将采用主动控制的拼接式平面、离轴非球面等形状。基于上述要求，需要大型单点金刚石超精密车削设备、复杂曲面超精密加工工艺技术、大型复杂曲面的高精度三坐标测量技术等支撑。

    高性能轴承是飞机发动机、高铁、风电等产品的关键，其中的核心技术之一是精密超精密加工工艺，可提高表面质量、改善表面应力状态，从而提高零件的疲劳寿命，这要求超精密加工设备及工艺。

   目前正在计划制造的巨大天文望远镜OWL主镜口径达到100m，由3048块六边形球面反射镜组成，次镜由216块六边形平面反射镜组成，总重约1~1.5万t，按照目前现有的加工工艺，可能需要上百年的时间才能完成。所以大型的超精密机床是造大型天文望远镜的前提。


还有一些科技也需要超精密加工

   医疗器械行业，超精密加工技术也起着很大的作用，人造关节采用钛合金或其他贵金属材料，这些高精度零件的表面处理对清洁度、光整度和表面粗糙度具有极高要求，需要进行超精密研抛，形状要根据个人的身体结构定制，国外价格昂贵，而国内无论从使用寿命和安全性等方面存在较大差距。其他如微型内窥镜中的微小透镜及器件、心脏搭桥及血管扩张器、医用微注射头阵列等国内现在还无法生产。

    微结构功能表面具有特定的拓扑形状，结构尺寸一般为10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微结构具有纹理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，如凹槽阵列、微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构使得元件具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等，如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性，或者具备特定的光学性能等。例如在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构形成功能性表面，不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻，减小摩擦，还可以避免结冰层形成，提高空气动力学和热力学功能，从而达到增速、增程、降噪等目的，同时表面特定的微结构特征还能起到隐身功能，增强突防能力。




   齐齐哈尔华工机床股份有限公司近期向上海宝钢交付了一台大型超精密镜面铣磨一体化机床。该机床可在3个小时内，将230mm×1900mm（毫米）的钢坯表面加工成镜面。在该大型钢坯表面上的任意点测试，表面粗糙度均达到了Ra0.02—0.013以内（即轮廓算术平均偏差在0.02—0.013微米之间）。这标志着华工机床攻克了超精加工镜面领域的一项世界难题，实现了国内大型金属平面的超精密镜面加工。

这则消息说明我国的核聚变等黑科技有了进展。

1、核聚变、陀螺仪、太赫兹雷达、导弹精度、轴承、超级望远镜

     超精密加工机床的研制开发始于20世纪60年代。当时在美国因开发激光核聚变实验装置和红外线实验装置需要大型金属反射镜，因而急需开发制作反射镜的超精密加工技术。1980年美国在世界上首次开发了三坐标控制的M-18AG非球面加工机床，它标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。激光核聚变点火装置（NIF）需要7000多块400mm见方的KDP晶体，如果没有高效超精密加工工艺，加工时间也无法想象。为此需要不断开发新的超精密加工设备和超精密加工工艺来满足高效超精密加工的需求。

  NIF整个系统约有2个足球场大小，共有192束强激光进入直径10m的靶室，最终将能量集中在直径为2mm的靶丸上。这就要求激光反射镜的数量极多（7000多片），精度和表面粗糙度极高（否则强激光会烧毁镜片），传输路径调试安装精度要求极高，工作环境控制要求极高。对于直径为2mm的靶丸，壁厚仅为160μm，其中充气小孔的直径为5μm，带有一直径为12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困难在于其深径比大、变截面，可采用放电加工、飞秒激光加工、聚焦离子束等工艺，或采用原子力显微镜进行超精密加工。系统各路激光的空间几何位置对称性误差要求小于1%、激光到达表面时间一致性误差小于30fs、激光能量强度一致性误差小于1%等。如此复杂高精度的系统无论从组成的零部件加工及装配调试过程时刻都体现了超精密制造技术。

   另外，陀螺仪的精度也和这个有关。   NASA为了验证爱因斯坦广义相对论的预言，从1963年开始计划、但直到2004年才发射了一个利用高精度陀螺仪的测量装置——引力探测器，用于检测地球重力对周围时空影响。其中陀螺仪的核心部件——石英转子（φ38.1mm）的真球度达到了7.6nm，若将该转子放大到地球的尺寸，要求地球表面波峰波谷误差仅为2.4m，如此高的加工精度可以说将超精密加工技术发挥到了极限，最终陀螺精度达到了0.001角秒/年。

    美国1962年就研制成功了激光陀螺，但因未突破硬脆材料的陀螺腔体和反射镜的超精密加工技术，使激光陀螺在飞机上的应用整整延迟了20年，超精密车削、磨削、研磨以及离子束抛光等工艺的相继突破才使激光陀螺投入了批生产，并将陀螺性能指标提高了2个数量级。半球谐振陀螺仪中半球谐振子采用超精密振动切削工艺达到了精度和性能指标。激光加工和离子刻蚀等超精密加工技术是制造硅微型惯性传感器的重要工艺，这将对飞机和导弹惯性系统的小型化起重要作用。采用超精密铣削工艺及超精密研抛工艺提高了惯性传感器中挠性件的精度和尺寸稳定性。此外，飞控系统中的液压零件采用超精密磨削及研磨抛光、超精密清洗工艺，对提高飞机的可靠性、可维修性和寿命起到了至关重要的作用。

    超精密加工技术使导弹关键元器件的精度和质量产生了飞跃，进而大大提高了导弹的命中率。例如导弹头罩形状由球形向适应空气动力学的复杂形状发展，材料由红外材料向蓝宝石乃至金刚石发展，这也对超精密加工设备和超精密加工工艺提出了新的要求。

      太赫兹雷达可用于隐身飞行器探测，其中束控元件是太赫兹探测系统的重要功能部件，其透镜主要采用硅基远红外透射材料，反射元件面形有抛物面、椭球面、离轴非球面以及赋形曲面等，采用铝等金属基材料。我国正研的主反射元件尺寸已有φ300mm、φ800mm、φ1000mm等，面形精度要求已要求达微米级，表面质量为镜面，并且要求零件精度质量具有良好的稳定性。我国中期发展的太赫兹系统拟采用φ4~5m的主镜，远期主镜直径将达30m或更大，太赫兹系统束控主反射元件面形也将采用主动控制的拼接式平面、离轴非球面等形状。基于上述要求，需要大型单点金刚石超精密车削设备、复杂曲面超精密加工工艺技术、大型复杂曲面的高精度三坐标测量技术等支撑。

    高性能轴承是飞机发动机、高铁、风电等产品的关键，其中的核心技术之一是精密超精密加工工艺，可提高表面质量、改善表面应力状态，从而提高零件的疲劳寿命，这要求超精密加工设备及工艺。

   目前正在计划制造的巨大天文望远镜OWL主镜口径达到100m，由3048块六边形球面反射镜组成，次镜由216块六边形平面反射镜组成，总重约1~1.5万t，按照目前现有的加工工艺，可能需要上百年的时间才能完成。所以大型的超精密机床是造大型天文望远镜的前提。


还有一些科技也需要超精密加工

   医疗器械行业，超精密加工技术也起着很大的作用，人造关节采用钛合金或其他贵金属材料，这些高精度零件的表面处理对清洁度、光整度和表面粗糙度具有极高要求，需要进行超精密研抛，形状要根据个人的身体结构定制，国外价格昂贵，而国内无论从使用寿命和安全性等方面存在较大差距。其他如微型内窥镜中的微小透镜及器件、心脏搭桥及血管扩张器、医用微注射头阵列等国内现在还无法生产。

    微结构功能表面具有特定的拓扑形状，结构尺寸一般为10~100μm，面形精度小于0.1μm，其表面微结构具有纹理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，如凹槽阵列、微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构使得元件具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等，如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性，或者具备特定的光学性能等。例如在航空、航天飞行器宏观表面加工出微纳结构形成功能性表面，不仅可以减小飞行器的风阻、摩阻，减小摩擦，还可以避免结冰层形成，提高空气动力学和热力学功能，从而达到增速、增程、降噪等目的，同时表面特定的微结构特征还能起到隐身功能，增强突防能力。