超精密切削加工及超精度纳米机床

本文主要介绍了超精密切削加工及超精度5轴纳米加工机床的发展背景和应用市场，并重点介绍了发那科公司的5轴纳米加工机床。
This article introduces the development background and application market of ultra-precision cutting and ultra-precision 5-axis nano machine tools. It also highlights the 5-axis nano processing machines from Fanuc.

Sodick公司的纳米加工机Ultra NANO 100

上世纪80年代，美国LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）公司研制出大型超精密车床用于军工产品的生产，在此基础之上，经过若干年的发展，出现了超精密切削加工技术。

而日本早在80年代末，就把超精密切削加工技术和微加工技术作为国家重点发展项目。到了90年代中期，进入大规模研发，93年已研发出精度控制在1nm的多轴加工装置。随着光学与IT技术的结合及光电技术的发展，对光学元件加工要求越来越高，更进一步推动了精密切削加工技术的发展。近年来，日本推出了更高精度的纳米加工机床及专用加工机床、加工中心等，如日本Sodick公司的高精度Ultra NANO 100，定位精度达到0.5nm，形状精度为2-3nm。如日本不二越公司制造的NANO ASPHER，则是专用于加工高精度透镜模具，透镜用于最新锐的DVD及手机等。

日本不二越公司制造的NANO ASPHER

手机、DVD、数码相机等各种数码产品的性能不断提高而价格急速下降，这完全得益于光电技术的发展和光学元件加工技术的提高。用于光信号控制的透镜、反射镜、光栅、棱镜等这些元件都是塑料加工品或玻璃制品，批量生产这些元件的模具精度左右这些产品的质量。光学元件的特征是产品微小，表面形状、结构等都要求微米及或纳米级加工精度。光学元件是以波长为单位的（如面粗糙度为波长的1/20等）。随着数码机器越来越小，对元件和模具的加工精度要求会越来越高。生物医疗领域也是如此。

现在纳米技术已走入每个人的日常生活中，民用数码机器的多数元件是用纳米加工机床加工出来的，可以说微米—纳米形状零件已随处可见。

超精密切削加工，除了光学加工，也在其他多个行业得到应用，市场不断扩大，相关的技术也在加速提升，而技术的提升，又增加了更多的需求。随着市场的扩大，纳米机床的价格会不断下降，这又使得更多的行业使用纳米加工机床。

纳米机床案例

纳米机床主要用于光学部件及半导体加工，按用途可分为：半导体加工机床，如半导体晶片磨光机；光学元件加工机床，如加工菲尼尔（Fresnel）元件、导光板等；球面、非球面加工机床，如加工球面、非球面透镜的成型模具；难切削材料加工机床，如加工水晶、陶瓷、磁盘、磁头等。纳米机床主要应用领域有民用光学元件，如光盘、CCD-CMOS成像透镜，液晶导光板模具；通信用光学元件，如光传导用高可靠性透镜模具等；机械零件超精密加工，如半导体储存元件微电路的加工等。

下面通过介绍一台较受瞩目的综合纳米加工机床，了解其装置、技术。

日本FANUC公司经过20年的研发，开发出了高精度高速加工光学元件的5轴纳米机床。加工精度直线轴为1nm，旋转轴为0.00001°。能进行车、铣、磨、钻加工以及开槽、加工光学模具等，主要用于加工光学元件，如光栅镜、导光板、球面镜、非球面以及光学元件的模具。

下图为加工主轴的构成，由直线轴3个轴（X、Y、Z）+旋转轴2个轴（B、C）组成，使用单晶金刚石刀具。

加工主轴的构成图

纳米机床的技术特点

纳米机床能达到纳米级的精度，其核心技术有四个。

静压空气轴承　　　　　　　　气流层流化

恒温化系统　　　　　　　　　无反向结构

一是消除了摩擦。所有滑动部件都采用静压空气轴承，解决了摩擦的问题。

二是消除振动。把机器内全部空气管路的气流层流化，达到了没有振动的目的。

三是恒温化系统。室内温度控制在±1℃范围内时，全部空气管路内的压缩空气温度能控制在±0.01℃以内。

四是高速加工性。此机床采用了2个无反向结构（FANUC公司独有的技术），轴承的反向振动不会传导给机床主体，另外机床的发热控制在3w以下，所以它能高速且高精度地加工，如200mm长的行程，1秒钟可往复3次。如加工一个液晶显示屏背光灯所用的导光板模具，在一个100mm的四方平面上，加工1,400条节距为7µm的V型槽，仅需要8分钟，而传统加工方法，却需要15个小时。