超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。精密光学、机械、电子系统中所用的先进陶瓷或光学玻璃元件通常需要非常高的形状精度和表面精度(如 0.1 nm 级表面粗糙度)及较小的加工变质层。掌握超精密加工过程中材料去除规律和损伤层特性对提高加工的稳定性与经济性十分重要。对超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光技术进行综述，重点介绍各种典型加工方法及其材料去除机理。从加工精度和加工效率角度对上述几类超精密加工方法进行比较，介绍以实现高效精密加工为目的的半固着磨粒加工技术。对超精密加工的发展趋势进行预测。
超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括：超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。
尽管随时代的变化，超精密加工技术不断更新，加工精度不断提高，各国之间的研究侧重点有所不同，但促进超精密加工发展的因素在本质上是相同的。这些因素可归结如下。
(1) 对产品高质量的追求。为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，就必须获得粗糙度更低的表面。为使电子元件的功能正常发挥，就要求加工后的表面不能残留加工变质层。按美国微电子技术协会(SIA)提出的技术要求，下一代计算机硬盘的磁头要求表面粗糙度 Ra≤0.2 nm，磁盘要求表面划痕深度 h≤1 nm，表面粗糙度 Ra≤0.1 nm。1983 年 TANIGUCHI 对各时期的加工精度进行了总结并对其发展趋势进行了预测，以此为基础，BYRNE 等描绘了20世纪40年代后加工精度的发展，如图 1 所示。图 2 显示了 2003 年时各种加工方法可获得的加工精度。其中微细加工可实现特征尺寸为 1 µm、表面粗糙度趋于 5 nm 的加工。
(2) 对产品小型化的追求。伴随着加工精度提高的是工程零部件尺寸的减小。图 3 描述了各时期汽车上 ABS 系统的质量变化。从 1989～2001 年，从 6.2 kg 降低到 1.8 kg。电子电路高集成化要求降低硅晶片表面粗糙度、提高电路曝光用镜片的精度、半导体制造设备的运动精度。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。
(3) 对产品高可靠性的追求。对轴承等一边承受载荷一边做相对运动的零件，降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，提高其工作稳定性、延长使用寿命。目前，高速高精密轴承中使用的Si3N4陶瓷球的表面粗糙度要求达到数纳米。加工变质层的化学性质活泼，易受腐蚀，所以从提高零件耐腐蚀能力的角度出发，要求加工产生的变质层尽量小。
(4) 对产品高性能的追求。机构运动精度的提高，有利于减缓力学性能的波动、降低振动和噪声。对内燃机等要求高密封性的机械，良好的表面粗糙度可减少泄露而降低损失。二战后，航空航天工业要求部分零件在高温环境下工作，因而采用钛合金、陶瓷等难加工材料，为超精密加工提出了新的课题。
2 超精密加工材料
为满足高精度、高可靠性、高稳定性等品质需求，众多金属及其合金、陶瓷材料、光学玻璃等需要经过超精密加工达到特定的形状、精度和表面完整性。
3 超精密加工技术
3.1 超精密切削
超精密切削以 SPDT 技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小(约 20 nm)。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工。随后，加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料等。超精密切削技术也由单点金刚石切削拓展至多点金刚石铣削。
由于金刚石刀具在切削钢材时会产生严重的磨损现象，因此有些研究尝试使用单晶 CBN、超细晶粒硬金属、陶瓷刀具来改善此问题，但研究成果仍未达到可商业化的阶段。未来的发展趋势是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗。此外，MEMS 组件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸约可达 50～100 µm，但如果加工几何特征在亚微米甚至纳米级，刀具直径必须再缩小。其发展趋势是利用纳米材料如纳米碳管来制作超小刀径的车刀或铣刀。综合而言，刀具材料与微细刀具制作问题将是超精密加工未来的一个重要研究课题。
3.2 超精密磨削
超精密加工发展初期，磨削这种加工方法是被忽略的，因为砂轮中磨粒切削刃高度沿径向分布的随机性和磨损的不规则性限制了磨削加工精度的提高。随着超硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展，超精密磨削技术逐渐成形并迅速发展。
(1) 超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮是指由金刚石或 CBN 磨料制成的砂轮。金刚石砂轮适于磨削硬、脆有色金属和硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的非金属材料，CBN砂轮适于磨削淬硬钢、耐热合金和高硬度、高韧性的金属材料，两者相互补充几乎涵盖了所有被加工材料。超硬磨料砂轮的种类和特性如表 4所示。
金属结合剂超硬磨料砂轮硬度高、强度大、保形能力强、耐磨性好，往往为精密和超精密磨削、成形磨削所采用。多层金属结合剂超硬砂轮在实际使用过程中遇到的突出问题是磨料把持力低、易脱落；磨粒出刃难、出刃后出露度难以保持；磨料分布随机性强。针对磨粒把持力弱的问题，在磨粒表面镀上活性金属，通过活性金属与磨料和结合剂的化学反应与扩散作用，提高结合剂对磨料的把持力，如此诞生了镀铱砂轮。为解决磨粒出刃难的问题，将孔隙结构引入胚体诞生了多孔金属结合剂砂轮。电镀、高温钎焊砂轮对上述三个方面都有改善，这些新型超硬磨料砂轮均出现于 20 世纪 90 年代。
尽管超硬磨料砂轮的制作研究取得了上述进展，但镀铱砂轮中活性元素主要通过纯固态或半固态的反应与磨粒结合，结合强度无法与高温釺焊砂轮相比。而高温釺焊砂轮的单层磨料消耗后无后继磨料补充，尽管其使用寿命已接近多层磨具但毕竟受到限制。多孔金属结合剂金刚石砂轮虽然具有陶瓷结合极超硬磨料砂轮易修整的特点，但以牺牲结合强度为代价。为此，徐鸿钧等提出了开发多层釺焊超硬磨料砂轮的构想，将磨粒高把持力、磨粒和孔隙择优排布、磨粒高出露度融为一体。
(2) 超硬磨料砂轮修整技术。
超硬磨粒砂轮具有优良的耐磨损能力，不需经常修整，但在初始安装和使用磨钝后修整却比较困难。传统的修整方法往往通过剪切和挤压作用去除磨粒达到修整的目的，修整过程难控制，修整精度低、砂轮损耗大。此外，超精密磨削要求机床具有很高的精度和刚度，砂轮轴的高速旋转必须使用价格昂贵的轴承，而某种程度的振动总是不可避免的。磨削过程中需要对砂轮不断地进行修整，以保持磨粒的锐利，防止磨屑堵塞砂轮烧伤工件表面，容屑空间及其保持性成为制作超微细磨粒砂轮的主要难题；另外，磨削过程中，工件与砂轮主要为线接触方式，加工具有单向性，很难保证加工表面的均匀性；非导磁性工件装夹困难。这些问题都限制了磨削加工可获得的表面质量。
(3) 珩磨。20 世纪 80 年代出现了平面珩磨技术(或精细磨削)，该技术采用类似研磨的运动方式，珩磨的砂轮速度是传统磨削砂轮速度的 1/30～1/60。由于采用了面接触的方式，同时参与磨削的磨粒数增多，每个磨粒的垂直负荷仅是磨削情况的1/50～1/100，单个平均切削刃的单位时间发热量是传统磨削的 1/1 500～1/3 000 左右，所产生的热变质层微小。由于磨粒切削深度小，所产生的加工变质层以及残余应力也小。另外，平面珩磨加工中，一次可以同时对一批工件进行加工；作用于磨粒的切削力方向经常发生变化，使磨粒破碎几率增加、自砺作用显著。因此，从获得优于磨削加工的表面粗糙度这一点来说，具有比磨削更高的效率，并且对机床精度要求不高。采用平面珩磨技术加工先进陶瓷材料，目前已可部分替代研磨。应用金刚石丸片的平面固着磨料高速研磨就是采用这种原理，且已广泛应用到陶瓷、玻璃、金属等材料的平面加工中。但仍然利用磨粒强制切削工件表面完成加工，可获得的表面质量受到限制。
3.3 超精密研磨与抛光
研磨、抛光是最古老的加工工艺，也一直都是超精密加工最主要的加工手段。通常，研磨为次终加工工序，将平面度降低至数微米以下，并去前道工序(通常为磨削)产生的损伤层。抛光是目前主要的终加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的损伤层，获得光滑、无损伤的加工表面。抛光过程中材料去除量十分微小，约为 5 µm。到目前为止，众多学者提出了多种抛光方法，其中应用最为广泛，技术最为成熟的是化学机械抛光(Chemical- mechanical polishing，CMP)技术。
如前所述，超精密切削以高刚度、高精度的设备为支撑，可获得纳米级表面粗糙度，具有较高的材料去除率。但同一时间仅能加工一件工件，故而生产效率可能不及多片加工的磨削或研磨抛光技术。同样超精密砂轮磨削也要求高刚度、高精度的设备，材料去除率高，使用超细磨粒砂轮甚至可以获得埃级表面粗糙度。但超细磨粒砂轮的制备及其容屑空间的保持等问题尚未成熟。由砂轮磨削发展而来的平面珩磨技术采用降低砂轮转速的方法，减少磨削加工的表面损伤，利用工件与砂轮的面接触形式可以补偿因转速降低带来的磨削效率的损失。对设备精度要求不高，但与超精密切削、磨削一样，通过被加工材料的强制性去除方式完成加工，限制了所能获得的表面质量，不可避免地在加工表面留下加工损伤层。相对于超精密磨削、珩磨等固着磨粒加工，利用游离磨粒进行加工的超精密研磨抛光技术，如 CMP、EEM 等，可获得更高的表面质量和更小的加工损伤层。但由于加工过程中磨粒处于游离状态，磨粒对工件的作用是非强制性的，材料去除率更低。且加工精度和加工效率对磨粒尺寸差异十分敏感，硬质大颗粒的侵入可导致大量工件返修或报废，在降低加工精度和加工效率同时引起生产成本的大幅上升。磁性磨粒加工虽然降低了对硬质大颗粒的敏感度，但磁性磨粒复杂而昂贵的制备过程限制其发展和应用。离子束抛光等不使用磨粒的超精密抛光方法，以原子为单位去除材料，可获得极高的表面粗糙度，但材料去除率极低，通常仅用于 CMP 等抛光工艺后，使工件表面质量和损伤层进一步提高。此类技术通常需要特殊的设备，要求高精度的检测技术和控制技术，加工成本高。
5 超精密加工的发展趋势
(1) 高精度、高效率。高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说，固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度，而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如 CMP、EEM 等虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高，但无法获得如 CMP、EEM 的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工领域研究人员的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。
(2) 工艺整合化。当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。
(3) 大型化、微型化。为加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜)，需要建立大型超精密加工设备。为加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等)，需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备)。
(4) 在线检测。尽管现在超精密加工方法多种多样，但都尚未发展成熟。例如，虽然 CMP等加工方法已成功应用于工业生产，但其加工机理尚未明确。主要原因之一是超精密加工检测技术还不完善，特别是在线检测技术。从实际生产角度讲，开发加工精度在线测量技术是保证产品质量和提高生产率的重要手段。
(5) 智能化。超精密加工中的工艺过程控制策略与控制方法也是目前的研究热点之一。以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。目前，即使是台湾的部分半导体工厂，生产过程中关键的操作依然由工人在现场手工完成。
(6) 绿色化。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对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消耗的第一大国，大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及我国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制，为此，各国研究人员对CMP 加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时，提高了自身的生命力。
6 结论
出于对产品高质量、小型化、高可靠性和高性能的追求，超精密加工技术得以迅速发展，现已成为现代制造工业的重要组成部分，其加工的对象已从军用品拓展到民用品，并以后者为重心。超精密加工技术的发展推动了国防、航空航天、光电信息等高科技产业的发展，同时也极大地改变了人类的生活方式、改善了人们的生活水平。超精密加工技术正迎来一个繁荣的时代。鉴于军事、信息等产业对高精度先进陶瓷元件的巨大需求，新的高性能先进陶瓷材料不断涌现，这类材料的超精密加工成为经久不衰的研究热点。超精密切削、超精密磨削、超精密研磨与抛光技术已取得长足的进展，加工后工件表面精度可达纳米级或亚纳米级，并且加工方法目趋多样化。总的来说，超精密磨削、珩磨等固着磨粒超精密加工技术正在追求游离磨粒加工技术的加工精度，而游离磨粒超精密加工技术正在追求固着磨粒加工的效率。超精密加工技术正向着适于大批量生产的高效高质量、低成本、环境友好的方向发展。
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