超精密加工領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢分析

超精密加工領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢分析Contents研究思路1報(bào)告框架2報(bào)告主要內(nèi)容3結(jié)語4定位：對國內(nèi)外精密加工領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，了解（1）國內(nèi)外技術(shù)的整體進(jìn)展情況；（2）關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容；（3）總體發(fā)展態(tài)勢（學(xué)術(shù)研究走勢、技術(shù)分布國家與機(jī)構(gòu)、全球市場布局）；（4）技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)（熱點(diǎn)、前沿等）。方法：文獻(xiàn)調(diào)研和情報(bào)分析工具結(jié)合關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；機(jī)械加工、精密加工、發(fā)展、綜述、評論；machinemanufacture、PrecisionMachining；Ultraprecisionmachining一、研究思路二、報(bào)告大致框架1、超精密加工領(lǐng)域概況；1.1超精密加工的主要研究領(lǐng)域；1.2超精密加工的主要加工方法；1.3超精密加工的設(shè)備要求；2、超精密加工的國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1主要應(yīng)用領(lǐng)域；2.2國外主要發(fā)展?fàn)顩r

2.3國內(nèi)主要發(fā)展?fàn)顩r3、超精密加工技術(shù)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(shù)分布國家與機(jī)構(gòu)情況3.3近3年的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域3.4近3年新興的技術(shù)趨勢3.5近3年可能逐漸衰退的技術(shù)領(lǐng)域3.6核心技術(shù)領(lǐng)域解讀一、超精密加工領(lǐng)域概況

超精密加工技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種機(jī)械加工新工藝，綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)發(fā)展的新成果及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中先進(jìn)的控制、測試手段等，使機(jī)械加工的精度得到進(jìn)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(shù)的技術(shù)指標(biāo)1、超精密加工主要研究領(lǐng)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(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)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(jī)理上均有所創(chuàng)新。主要研究領(lǐng)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(yuǎn)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(dá)0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)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(dǎo)體制造工藝、光刻技術(shù)、MEMS和LIGA技術(shù)的微小零件制造技術(shù)，這些加工方法普遍存在加工材料單一、加工設(shè)備昂貴等問題，且只能加工結(jié)構(gòu)簡單的二維或準(zhǔn)三維微機(jī)械零件，元法進(jìn)行復(fù)雜的三維微機(jī)械零件的加工；另一種方式是利用常規(guī)機(jī)床進(jìn)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(fèi)嚴(yán)重、能源消耗大、制造成本高、生產(chǎn)效率低、靈活性差等缺點(diǎn)，同時(shí)由于被加工零件特征尺寸非常小，使得加工工藝非常復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。3、超精密加工對設(shè)備的要求

(1)高精度。包括高的靜精度和動(dòng)精度，主要的性能指標(biāo)有幾何精度、定位精度和重復(fù)定位精度、分辨率等，如主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度、分度精度等；(2)高剛度。包括高的靜剛度和動(dòng)剛度，除本身剛度外，還應(yīng)注意接觸剛度，以及由工件、機(jī)床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)剛度。(3)高穩(wěn)定性。設(shè)備在經(jīng)運(yùn)輸、存儲(chǔ)以后，在規(guī)定的工作環(huán)境下使用，應(yīng)能長時(shí)間保持精度、抗干擾、穩(wěn)定工作。設(shè)備應(yīng)有良好的耐磨性、抗振性等。(4)高自動(dòng)化。為了保證加工質(zhì)量，減少人為因素影響，加工設(shè)備多采用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。二、超精密加工的國內(nèi)外應(yīng)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(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展，對精密/超精密三維微小零件(特征尺寸在微米級(jí)到毫米級(jí))的需求日益迫切。超精密加工的制造產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)療、航空航天、電子等軍事民用領(lǐng)域，如國防領(lǐng)域:彈藥引信、微型傳感器、微制導(dǎo)系統(tǒng)、光學(xué)元件等;航空航天領(lǐng)域:微衛(wèi)星零部件、微激光陀螺、微推進(jìn)系統(tǒng)等;電子領(lǐng)域:電子封裝、微馬達(dá)、微型夾持與微裝配系統(tǒng)等。例如：對于導(dǎo)彈來說，具有決定意義的是導(dǎo)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(shù)和相應(yīng)的設(shè)備。1、超精密加工應(yīng)用領(lǐng)域超精密制造技術(shù)是隨著測量技術(shù)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(dá)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(guān)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(yuǎn)鏡(HST)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等；與集成電路(IC)有關(guān)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(dá)0．1nm)；光刻設(shè)備和硅片加工設(shè)備的精度要求到亞微米和納米級(jí)。導(dǎo)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(dǎo)的導(dǎo)彈反射鏡等，其表面粗糙度均要求達(dá)到納米級(jí)。另外，光學(xué)非球曲面零件面形制造精度要求已達(dá)λ/(30—50)，表面粗糙度要求≤0．5nm。2、超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r：國外美國民兵Ⅲ型洲際導(dǎo)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(dǎo)彈(可裝載l0個(gè)核彈頭)制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀精度比民兵Ⅲ型導(dǎo)彈高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(tái)超精密車床。在美國能源部支持下，LLNL實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)室成功地研制出LODTM大型金剛石車床。該機(jī)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(dòng)≤25nm，軸向竄動(dòng)≤51nm。LLL實(shí)驗(yàn)室這兩臺(tái)機(jī)床是目前公認(rèn)的國際上水平最高的超精密機(jī)床。2、超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r：國外

90年代以后，超精密銑磨和拋光技術(shù)在幾個(gè)發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展，個(gè)別實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到很高的水平，特別是其中包含的納米制造技術(shù)，受到很大的關(guān)注。開發(fā)超精密銑磨和納米拋光制造技術(shù)較好的公司及機(jī)構(gòu)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(jī)床加工模具形狀精度為0.05um，表面粗糙度為0.025um。結(jié)構(gòu)上機(jī)床采用盒式結(jié)構(gòu)，不受外界影響，并機(jī)床處于恒溫狀態(tài)。3、超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r：國內(nèi)

國內(nèi)有許多單位在從事研究和生產(chǎn)超精密加工設(shè)備和儀器，如：北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)、長沙國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、303所等單位。北京機(jī)床研究所生產(chǎn)的超精密機(jī)床特點(diǎn)是：主軸性能好，精度可以達(dá)到20-50nm，剛度可以達(dá)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分辨率高，可以達(dá)到納米級(jí)；商品化程度高。機(jī)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(jī)床等。3、超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r：國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密機(jī)床型號(hào)為HCM：主軸精度≤50nm，徑向剛度220N/μm，軸向剛度160N/μm，導(dǎo)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(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代背景下，專利對科學(xué)研究的作用和影響日益顯著，通過專利技術(shù)分析，能夠找出該技術(shù)領(lǐng)域涉及的主要國家、機(jī)構(gòu)和發(fā)明人，了解技術(shù)布局及研發(fā)熱點(diǎn)，從而為研究人員全面了解該領(lǐng)域技術(shù)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(jìn)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(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析通過專利申請數(shù)量的年度變化情況，可以把握該行業(yè)的總體技術(shù)發(fā)展趨勢。如圖所示，顯示了超精密加工各年申請優(yōu)先權(quán)的專利數(shù)量變化。1.專利申請量的年度變化趨勢三、超精密加工技術(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析2.主要技術(shù)分布國家與機(jī)構(gòu)情況專利申請的優(yōu)先權(quán)國家分布情況基本可以反映這個(gè)國家在該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)發(fā)展水平，進(jìn)而再對具體的申請機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以了解掌握該領(lǐng)域核心技術(shù)的機(jī)構(gòu)，從而為進(jìn)一步跟蹤、掌握最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)提供方向。三、超精密加工技術(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析2.主要技術(shù)分布國家與機(jī)構(gòu)情況序號(hào)記錄數(shù)量組織名稱時(shí)間區(qū)間近三年記錄比率核心技術(shù)主題詞144HARBININSTTECHNOLOGY(HAIT-C)2007-201418%of44工程元件或部件，主要用于彈簧、減振器；傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置；236TOSHIBAMACHINECOLTD(TOSI-C)1984-20120%of36機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置；車削；鏜削加工工藝

313CANONKK(CANO-C)1986-20110%of13傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置；除傳動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、離合器或制動(dòng)器元件以外的轉(zhuǎn)動(dòng)工程元件；413UNIVJILIN(UYJI-C)2011-201469%of13應(yīng)用固體移動(dòng)靜電荷載體的靜電發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī),電致伸縮或磁致伸縮的電動(dòng)機(jī)512UNIVZHEJIANGTECHNOLOGY(UYZT-C)2007-201433%of12機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置611KOYOSEIKOCOLTD(KOYS-C)2005-20080%of11機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置710FANUCLTD(FUFA-C)2003-20110%of10機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置810UNIVHUNAN(UYHU-C)2007-201450%of10用于磨削或拋光的機(jī)床、裝置或工藝99HONHAIPRECISIONINDCOLTD(HONH-C)2005-20120%of9塑料的成型或連接；塑性狀態(tài)物質(zhì)的一般成型109MITSUBISHIMATERIALSCORP(MITV-C)1986-20100%of9磨削、拋光或刃磨用的工具目前開展超精密加工研發(fā)的主要機(jī)構(gòu)以中國、日本的公司和科研機(jī)構(gòu)為主，其中中國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、日本的松下和佳能公司排在前3位，申請專利數(shù)量占TOP10機(jī)構(gòu)總量的63.6%。從這些全球排名前10的超精密加工的研發(fā)機(jī)構(gòu)來看，它們的核心技術(shù)領(lǐng)域主要針對的是傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置；除傳動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、離合器或制動(dòng)器元件以外的轉(zhuǎn)動(dòng)工程元件；機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置，是全球的主流研發(fā)方向。三、超精密加工技術(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析3全球技術(shù)布局

顏色越深表示專利優(yōu)先權(quán)國家在該國/地區(qū)申請的專利越多，其國家對該技術(shù)領(lǐng)域的保護(hù)就越重視?？梢钥吹?，專利申請者首先重視的是中國和日本市場，其次是美國和歐洲市場。這說明在全球范圍內(nèi)，超精密加工的市場應(yīng)用前景在上述國家更為廣闊，技術(shù)重視程度也更高。

總體上而言，中國比較重視：用于磨削或拋光的機(jī)床、裝置或工藝；機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置；日本比較重視：機(jī)床的零件、部件或附件，如仿形裝置或控制裝置和聯(lián)軸器、離合器或制動(dòng)器元件以外的轉(zhuǎn)動(dòng)工程元件；前蘇聯(lián)只重視：車削；鏜削。三、超精密加工技術(shù)發(fā)展總體態(tài)勢分析3.近3年的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域總體上而言，近3年的研究熱點(diǎn)分布在控制裝置機(jī)床、工程元件加工、印刷工藝、半導(dǎo)體器件的加工工藝方面。其中2011年仿形裝置或控制裝置機(jī)床以及用于磨削或拋光的機(jī)床、裝置或工藝是主要研究熱點(diǎn)，占申請數(shù)量的56.8