制造业是国民经济的支柱产业，随着制造业的快速发展，尤其是先进制造技术的出现，新工艺，新加工方法不断涌现， 精密加工和超精密加工是先进制造技术的重要支柱，也是提高制造技术水平的关键，当前，在制造自动化领域，进行了大量有关计算机辅助技术软件CAD、CAPP、CAM的开发，计算机集成制造技术CIM、生产模式(如精良生产、敏捷制造、虚拟制造等)，以及清洁生产和绿色制造等研究，代表了当前制造技术的一个重要方面。但这绝非高新制造技术的全部，作为制造技术的主战场，仍然要靠精密加工和超精密加工技术。

一、精密和超精密加工技术简介

1、精密和超精密加工的体系结构

就先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域。前者包括了精密加工、超精密加工、微细加工，以及广为流传的纳米加工，它追求加工上的精度和表面质量的极限，可统称为精密工程;后者包括了设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是提高产品质量的有效方式。两者有密切联系，许多精密和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标，而不少制造自动化则有赖于精密加工才能达到设计要求。

2、精密和超精密加工方法

根据加工方法的机理和特点，精密和超精密加工方法，可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。

(1)去除加工。又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料，传统的机械加工方法，如车削、铣削、磨削、研磨和抛光等，以及特种加工中的电火花加工、电解加工等，均属这种加工方法。

(2)结合加工。利用物理和化学方法，将不同材料结合(bonding)在一起。按结合的机理、方法、强弱等，它又分为附着(deposition)、注入(injection)和连接(jointed)三种。①附着加工又称为沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，是一种弱结合，典型的加工方法是镀;②注入加工又称为渗入加工，是在工件表面上注入某些元素，使之与基体材料产生物理化学反应，是具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，如渗碳渗氮等;③连接是将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起，如焊接、粘接等。

(3)变形加工。又称为流动加工，利用力、热、分子运动等手段，使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。

从加工方法的机理、特点和传统来分类，精密和超精密加工又可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固结磨料和游离磨料的磨削加工;非传统加工是指利用电能、磁能、声能、光能、化学能和核能等对材料进行加工和处理;复合加工是采用多种加工方法的复合作用，进行优势互补，相辅相成。当前，在制造业中，占主要地位的仍是传统加工方法，而非传统加工和复合加工是其重要的发展方向。

3、影响精密和超精密加工的因素

在加工精度的量级上，精密加工是指加工精度为1-0.1μm，表面粗糙度为0.1-0.025μm的加工技术，超精密加工是指加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于0.025μm的加工技术。表面质量(表面粗糙度、波度)为毫微米级，表面变质层极薄。目前超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的技术。

究竟工件所能达到的精度等级和表面质量取决于那些因素呢，一般来说，与下列因素有关：

(1)加工机理。近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位;在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能束加工、微波加工、超声加工、刻蚀、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

(2)被加工材料。用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。

(3)加工设备及其基础元部件。加工设备应具有和保持高精度，高刚度，高稳定性，高自动化。由于加工设备的质量与基础元部件密切相关，所以应注意基础元部件的质量，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。

(4)加工工具。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。对于金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。

(5)检测与误差补偿。尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量;表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响;误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿;动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。

(6)工作环境。超稳定环境条件是指恒温、防振、超净和恒湿四方面的条件。环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求1000～100级(100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个)。

二、微/纳米级精密测量技术、测量仪器及发展

由于超精密加工的精度等级和表面质量都很高，因此，一定要有相应的检测手段，才能验证工件是否达到了相应的技术要求。在精密超精密加工和测量中，对测量技术提出了更为严格的要求，即要求测量误差比加工误差高一个数量级。超精密测量技术的开发必须与超精密加工技术的开发保持同步。目前，超精密测量仪正向高分辨力、高准确度和高可靠性的方向发展。Renishaw、Heidenhain及SONY等公司发展了分辨率均可以达到1nm的测量元件;美国HP、zygo、英国Taylor等公司的测量仪器均可以满足纳米测量的需求。

1、扫描探针显微镜

1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜(STM),将人们带到了微观世界。STM具有极高的空间分辨率(平行和垂直于表面的分辨率分别达到0.1nm和0.01nm,即可分辨出单个原子),广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域,在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时,基于STM相似原理与结构,相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面纳米尺度上表现出来性质的扫描探针显微镜(SPM),用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息,成为人类认识微观世界的有力工具。

2、纳米测量的扫描X射线干涉技术

以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率,不能给出表面结构准确的纳米尺寸,是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度(0.10～0.01nm)尺寸测量的定标手段。扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中一项新技术,它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位,加上X射线波长比可见光波波长小2个数量级,有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低,测量稳定性好,结构简单,是一种很有潜力方便的纳米测量技术。

3、光学干涉显微镜测量技术

光学干涉显微镜测量技术,包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P(Febry-Perot)标准的测量技术等,随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。 外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率,如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm分辨率;基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度,其精度0.001nm，其测量范围受激光器调频范围的限制,仅有0.1μm。而扫描电子显微镜(SEM)可使几十个原子大小物体成像。美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统,位移分辨率高于0.6nm,可在1.1m/s的高速下测量,适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。

4、双频激光干涉仪

双频激光干涉仪测量精度高,测量范围大,因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件。但激光测量精度与空气的折射率有关,而空气折射率与湿度、温度、压力、二氧化碳含量等有关。美国NBS的研究结果说明当前双频激光干涉仪其光路在空气中进行了各种休整与补偿,其最高精度为8.5×10-8。由于这种测量方法对环境要求过高,对生产机床在时间加工中往往过于苛刻,很难加以保证。

5、超精密测量用电容测微仪

电容测微仪的特点是非接触测量,精度高、价格低。但测量范围有限,测量稳定性和漂移常令人不满意。美国Lion Precision公司的电容测微仪分辨率可达0.5mm(1Hz频响), 热漂移每度0.04%满量程。

现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科,它和精密超精密加工技术相辅相成,为精密超精密加工提供了评价和检测手段;精密超精密加工水平的提高又为精密测量提供了有力的仪器保障。现代测量技术涉及广泛的学科领域,它的发展需要众多相关学科的支持,在现代工业制造技术和科学研究中,测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势,作为下世纪的重点发展目标,各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。

精密和超精密加工技术是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。我国的制造业发展已进入了高速发展阶段，先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入，相信我国的制造业会更快速、更健康地发展。