摘 要：高精度是超精密加工永恒的主题，受国防和高端民用产品的需要牵引，对微细结构元件加工精度的要求日益提高；同时，高精度的微细结构元件，尤其是微细结构光学元件的需求量迅猛增长，需要适于批量生产的高效率低成本的微制造技术。基于微细结构的超精密加工技术将综合应用其它领域的新技术，进行工艺集成化已成为一种发展趋势。
关键词：超精密；微细结构；分子动力学
1 引言
我国超精密微细加工技术的研究略晚于国外，但由于长期科技投入不足和国外的技术封锁，与国外先进技术水平相比尚有较大差距。国外的已经商品化了的超精密微细加工设备，对我国一直处于严格禁运状态。而微小型结构件的微细超精密加工技术在国民经济与社会发展中具有重要的地位，因此，开展超精密微细加工技术的研究，对突破国外技术壁垒，形成我国自主创新的新产品、新技術和新装备具有重要意义。针对微小型和具有微细结构的超精密零件，开展超精密加工机理的研究，将为实现微小型和具有微细结构零件的超精密加工技术产业化奠定良好的基础。本文的仿真研究将为微细结构超精密加工技术提供理论支持。
2 微细结构超精密加工技术
面向微细结构的超精密加工技术的研究是现代高技术产品制造的核心技术之一；是先进制造技术领域的前沿课题和未来发展我国微电子产业的关键技术，在航空航天、汽车、信息技术、新能源、家电、医疗等许多高新技术领域有着越来越广泛的应用；它与一个国家的国防与国民经济的发展密切相关，是一个国家的国民经济、国防和科学技术综合实力的体现，已经成为许多国民经济领域的制造技术可持续发展的一个重要保障条件。
在精密工程应用领域，元件的几何形状精度经常需要控制在纳米量级，如：精密轴和孔的圆柱度、大规模集成电路使用的单晶硅片的平面度等等。与此同时，元件还需要具有纳米级的表面质量，如表面平整性以及表面和次表面的损伤程度（包括微裂纹、物理结构的变化、大规模塑性变形和残余应力等）。为满足这些指标要求，元件在加工过程中切削力的数量级必须控制在 10-6 N 到 10-9 N 的范围内，而相应的切削深度应该保持在 10-6 m 到 10-9 m 的范围内。能够实现这种精度的材料去除过程有超精密切削（UPM，也称作单点金刚石切削），超精密磨削（UPG）和抛光。由于在超精密切削中材料是以几个纳米的数量级被去除的，因而也称之为纳米切削。这项技术最早开始于美国的劳伦斯（LLNL）国家实验室，随后英国柯兰菲尔德精密工程中心（Cranfield Precision engineering）也进行了大型超精密机床的研制工作。
在超精密加工过程中，特别是进行纳米级加工时，加工发生在很小的区域内，材料是以离散的数个原子或原子层的方式去除，必须从分子、原子的微观角度来进行分析，工件材料应看作是原子或分子的集合体，加工过程中的能量分配、已加工表面的形成、材料的去除、脆性/延性机理转变过程以及加工过程的物理现象、基本规律等都和常规加工存在巨大差别，因而对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的。另外，纳米加工过程难于控制以及观察测量技术的制约，使得对纳米加工过程的试验、计算、分析存在着很多困难，而分子动力学仿真完全可以克服这些困难，分子动力学仿真技术提供了比其他任何方法更高的切削过程位置精度，任何由于尺寸界限的约束而无法用连续力学进行分析的物理现象都可以借助于分子动力学仿真的方法来研究。所以通常采用分子动力学方法来分析研究纳米加工过程。
由于超精密加工技术在微小型和具有微细结构的超精密零件加工中的广阔应用前景，过去十几年来，各个国家都投入了巨大的人力和物力以加强这方面的研究，研究较为深入的国家主要有美国、日本和欧洲工业发达国家等。这些国家在各种研究计划的推动下，不仅总体成套水平高，而且用于微小型和具有微细结构零件加工的超精密机床商品化程度也非常高。在美国，以Moore公司和Precitech公司为代表，专门从事超精密加工技术研究和装备生产；在欧洲，英国 Cranfield 大学的超精密工程中心（CUPE）是世界著名的超精密加工技术研究单位之一；日本对超精密加工技术的研究相对美、英、德来说起步较晚，却是当今世界发最快的国家。
当前国外一些发达国家的微细结构表面超精密加工技术已比较成熟，加工精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级，且能加工的微细结构复杂程度也在逐渐增加。我国的超精密加工技术起步晚于国外，微细结构表面及微小元件超精密加工技术的研究才刚刚起步，近年来，经过政府和研究部门的努力，在超精密加工技术的研究领域已经取得了很大进步，在某些单项关键技术的研发方面甚至已经达到了国际先进水平。中科院长春光机所进行了光学零件的超精密研抛技术方面的研究，实现了离轴非球面的加工；哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、微纳米切削加工机理、金刚石刀具晶体定向和刃磨、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密加工时的去除机制等方面开展了卓有成效的研究工作；清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究；国防科技大学自主研发了离子束和磁流变抛光技术，在抛光工艺与装备的研究方面取得了长足进展，可以稳定实现λ/50以上精度的光学加工；天津大学微纳制造技术工程中心引进了美国Nanoform350型超精密机床，开展了自由曲面加工技术，将柱面坐标系应用于加工技术，并实现自由曲面的超精密加工。此外，上海交通大学、南京航空航天大学等也开展了微细铣削方面的研究工作。
3 分子动力学仿真及其在微细结构切削中的应用
微细结构超精密加工技术涉及加工参数、材料特性以及断裂力学、接触力学、摩擦学等诸多领域，是在原子、分子层次上的表面创成工艺，在这种原子尺度的级别上，所面临的决不是几何上的“相似缩小”问题，必然会有一些新的规律主导着材料去除和表面创成过程，通过分子动力学仿真进行超精密切削表面创成机理研究，可以有效的获得在微观条件下特有的金属切削机理，可以对微细结构超精密加工过程进行参数控制和加工过程的约束。
分子动力学仿真技术提供了比其他任何方法更高的切削过程位置精度，任何由于尺寸界限的约束而无法用连续力学进行分析的物理现象都可以借助于分子动力学仿真的方法来研究。在分子动力学仿真研究中，为了便于分析切削过程，可以在最基本的单元下进行，因而仿真数据能够为实际加工过程提供理论界限。
参考文献：
[1] 罗熙淳，梁迎春，董申，等.分子动力学在单点金刚石超精密车削机理研究中的应用，工具技术，2000，34（4）：3～7
[2] 唐玉兰，梁迎春，程凯.纳米切削分子动力学仿真的研究进展，系统仿真学报，2004，16（4）：745～749
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