超精密加工領域國內外發(fā)展態(tài)勢分析

超精密加工領域國內外發(fā)展態(tài)勢分析Contents研究思路1報告框架2報告主要內容3結語4定位：對國內外精密加工領域國內外發(fā)展情況進行全面調研，了解（1）國內外技術的整體進展情況；（2）關鍵技術內容；（3）總體發(fā)展態(tài)勢（學術研究走勢、技術分布國家與機構、全球市場布局）；（4）技術發(fā)展脈絡（熱點、前沿等）。方法：文獻調研和情報分析工具結合關鍵詞：機械制造；機械加工、精密加工、發(fā)展、綜述、評論；machinemanufacture、PrecisionMachining；Ultraprecisionmachining一、研究思路二、報告大致框架1、超精密加工領域概況；1.1超精密加工的主要研究領域；1.2超精密加工的主要加工方法；1.3超精密加工的設備要求；2、超精密加工的國內外研究進展2.1主要應用領域；2.2國外主要發(fā)展狀況2.3國內主要發(fā)展狀況3、超精密加工技術發(fā)展總體態(tài)勢分析3.1專利申請量的年度變化趨勢3.2主要技術分布國家與機構情況3.3近3年的熱點研究領域3.4近3年新興的技術趨勢3.5近3年可能逐漸衰退的技術領域3.6核心技術領域解讀一、超精密加工領域概況

超精密加工技術是適應現(xiàn)代技術發(fā)展的一種機械加工新工藝，綜合應用了機械技術發(fā)展的新成果及現(xiàn)代電子技術、測量技術和計算機技術中先進的控制、測試手段等，使機械加工的精度得到進一步提高，使加工的極限精度向納米和亞納米精度發(fā)展。①精密加工精度為1—0．1μm，表面粗糙度值為：Ra0．3—0．03μm；②超精密加工精度為0．1—0．01μm，表面粗糙度值為Ra0．03—0．005μm，又稱亞微米加工；（1微米=0.001mm）③納米加工精度高于0．03μm，表面粗糙度值小于Ra0.005μm。超精密加工技術的技術指標1、超精密加工主要研究領域

近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學加工等多種方法，特別是復合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機理上均有所創(chuàng)新。主要研究領域有：（1）超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。（2）超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。（3）超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。2、超精密加工的主要加工方法超精密加工主要有兩種方式。一種方式是比較成熟的基于半導體制造工藝、光刻技術、MEMS和LIGA技術的微小零件制造技術，這些加工方法普遍存在加工材料單一、加工設備昂貴等問題，且只能加工結構簡單的二維或準三維微機械零件，元法進行復雜的三維微機械零件的加工；另一種方式是利用常規(guī)機床進行三維微小型零件加工，但這種加工方式存在場地占用大、原材料浪費嚴重、能源消耗大、制造成本高、生產(chǎn)效率低、靈活性差等缺點，同時由于被加工零件特征尺寸非常小，使得加工工藝非常復雜，甚至難以實現(xiàn)。3、超精密加工對設備的要求

(1)高精度。包括高的靜精度和動精度，主要的性能指標有幾何精度、定位精度和重復定位精度、分辨率等，如主軸回轉精度、導軌運動精度、分度精度等；(2)高剛度。包括高的靜剛度和動剛度，除本身剛度外，還應注意接觸剛度，以及由工件、機床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)剛度。(3)高穩(wěn)定性。設備在經(jīng)運輸、存儲以后，在規(guī)定的工作環(huán)境下使用，應能長時間保持精度、抗干擾、穩(wěn)定工作。設備應有良好的耐磨性、抗振性等。(4)高自動化。為了保證加工質量，減少人為因素影響，加工設備多采用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動化。二、超精密加工的國內外應用及發(fā)展情況隨著航空航天、國防工業(yè)、微電子工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學以及生物工程技術的發(fā)展，對精密/超精密三維微小零件(特征尺寸在微米級到毫米級)的需求日益迫切。超精密加工的制造產(chǎn)品廣泛應用于國防、醫(yī)療、航空航天、電子等軍事民用領域，如國防領域:彈藥引信、微型傳感器、微制導系統(tǒng)、光學元件等;航空航天領域:微衛(wèi)星零部件、微激光陀螺、微推進系統(tǒng)等;電子領域:電子封裝、微馬達、微型夾持與微裝配系統(tǒng)等。例如：對于導彈來說，具有決定意義的是導彈的命中精度，而命中精度是由慣性儀表的精度所決定的。制造慣性儀表，需要有超精密加工技術和相應的設備。1、超精密加工應用領域超精密制造技術是隨著測量技術的發(fā)展而發(fā)展的。Renishaw、Heidenhain及SONY等公司發(fā)展了分辨率均可以達到1nm的測量元件；美國HP公司、英國Taylor、美國zygo等公司的測量儀器均可以滿足納米測量的需求。與國防工業(yè)有關的如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和遙測部件、被送入太空的哈勃望遠鏡(HST)、飛機發(fā)動機轉子葉片等；與集成電路(IC)有關的硅片加工(要求硅片的加工表面粗糙度Ra一般小于2nm，最高要求達0．1nm)；光刻設備和硅片加工設備的精度要求到亞微米和納米級。導彈慣性儀表的精度、激光陀螺儀的平面反射鏡的精度、紅外制導的導彈反射鏡等，其表面粗糙度均要求達到納米級。另外，光學非球曲面零件面形制造精度要求已達λ/(30—50)，表面粗糙度要求≤0．5nm。2、超精密制造技術的發(fā)展狀況：國外美國民兵Ⅲ型洲際導彈系統(tǒng)陀螺儀的精度為0.03?～0.05?/h，其命中精度的圓概率誤差為500m，而MX戰(zhàn)略導彈(可裝載l0個核彈頭)制導系統(tǒng)陀螺儀精度比民兵Ⅲ型導彈高出一個數(shù)量級，從而保證命中精度的圓概率誤差只有50～l50m。美國UnionCarbide公司1980年研制出首臺超精密車床。在美國能源部支持下，LLNL實驗室和Y—12工廠合作，與1983年成功地研制出大型超精密金剛石車床(DTM—3型)。該機床可加工最大直徑￠2100mm，多路激光干涉測量系統(tǒng)分辨率為2．5nm。1984年，LLNL實驗室成功地研制出LODTM大型金剛石車床。該機床可加工的最大直徑為￠1625mmx500mm，重量1360kg。采用的雙頻激光測量系統(tǒng)分辨率為0．7nm，其主軸靜態(tài)精度為：徑向跳動≤25nm，軸向竄動≤51nm。LLL實驗室這兩臺機床是目前公認的國際上水平最高的超精密機床。2、超精密制造技術的發(fā)展狀況：國外

90年代以后，超精密銑磨和拋光技術在幾個發(fā)達國家競相發(fā)展，個別實驗室可以達到很高的水平，特別是其中包含的納米制造技術，受到很大的關注。開發(fā)超精密銑磨和納米拋光制造技術較好的公司及機構有：美國M00RE公司、英國的TAYL0R、德國的ZEISS、LOH、SCHNEIDER、日本的NACHI、TOSHIBA、荷蘭的PHILIP等。日本TOYOTA公司生產(chǎn)的專用超精密車床用于加工非球曲面的鋼磨具，可用于車削、銑削、磨削并帶有精密測量裝置。該機床加工模具形狀精度為0.05um，表面粗糙度為0.025um。結構上機床采用盒式結構，不受外界影響，并機床處于恒溫狀態(tài)。3、超精密制造技術的發(fā)展狀況：國內

國內有許多單位在從事研究和生產(chǎn)超精密加工設備和儀器，如：北京機床研究所、清華大學、長沙國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、303所等單位。北京機床研究所生產(chǎn)的超精密機床特點是：主軸性能好，精度可以達到20-50nm，剛度可以達到350N/μm；溜板直線性≤0．1μm/200mm；加工件表面粗糙度值小，車銑表面最好可以小于1nm；運動系統(tǒng)分辨率高，可以達到納米級；商品化程度高。機床類型包括：JCS—027超精密車床、NAM—800超精密車床、SQUARE300超精密銑床和SPHERE200超精密球面加工機床等。3、超精密制造技術的發(fā)展狀況：國內哈爾濱工業(yè)大學研制的超精密機床型號為HCM：主軸精度≤50nm，徑向剛度220N/μm，軸向剛度160N/μm，導軌Z向(主軸)直線度≤0．2μm/100mm，X向(刀架)直線度≤0．2μm/100mm，X、Z向垂直度≤1“，加工工件精度形面精度(圓度)≤0．1μm。三、超精密加工技術發(fā)展總體態(tài)勢分析在科學技術迅猛發(fā)展和經(jīng)濟全球化的時代背景下，專利對科學研究的作用和影響日益顯著，通過專利技術分析，能夠找出該技術領域涉及的主要國家、機構和發(fā)明人，了解技術布局及研發(fā)熱點，從而為研究人員全面了解該領域技術的全球發(fā)展態(tài)勢提供借鑒和參考。本研究的分析數(shù)據(jù)主要來源于湯森路透的德溫特世界專利創(chuàng)新索引（DII）數(shù)據(jù)庫，利用主題詞TS=(PrecisionMachin*)or(Ultraprecisionmachin*)進行檢索，檢索截止日期為2015年8月21日，1949年—2014年間，共檢索到DII數(shù)據(jù)庫收錄的中子探測器專利數(shù)據(jù)共940條。采用的分析工具為TDA（ThomsonDataAnalyzer）和智慧芽專利分析系統(tǒng)。三、超精密加工技術發(fā)展