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超光滑表面的加工、表征和功能

1引言

随着精密、超精密以及纳米级加工技术、先进控制系统、激光测量技术、扫描探针显微镜

等相关技术的快速发展，超精密加工表面的研究不断取得新的进展，其加工精度正逐步从亚微米

级提高到纳米级，通过超精加工获得超光滑表面已成为可能。但是，这些超光滑表面通常是在反

复加工和试验的基础上获得的，如何稳定地、可重复地获得高质量表面，实现表面的设计功能，

仍是超精密表面加工研究的一个难点。目前，关于超精密加工表面的一个重要研究方向是研究表

面的加工形成机理，并根据表面的不同用途及相应的功能要求，在加工前对表面进行设计和预

测，从而达到稳定获得所需功能表面以满足实际应用需求的目的。为此，必须对超精密元件表面

的加工、表征及功能进行全面而深入的研究。

2超精密加工表面及其特点

加工表面的相关定义表面是一个物体分隔于其它物体或空间的周界面。为便于研究分析，美国国

家标准

ASMEB46.1-1995中给出了名义表面、实际表面和测量表面的定义，即：①名义表面：预期

的表面分界面(不包括任何表面粗糙度)，其形状及范围通常在图示中显示并标注或者加以详

细说明。②实际表面：物体的实际边界面，它与名义表面的偏差来源于表面形成的加工过程。③

测量表面：基于测量仪获得的对实际表面的描述。

加工表面的特点

超精密加工的实际表面与名义表面的差别在于它可显现出表面的特征、缺陷和形状误

差。其中，表面特征是控制工业产品表面质量的主要内容，它是实际表面上某些典型偏差的综

合，主要包括粗糙度和波纹度。粗糙度是指表面特征的精细不规则性，通常来源于加工过程所固

有的作用或材料条件，这些都可能是加工过程留在表面上的特征标记。波纹度是表面特征更为广

泛的空间构成，产生于机床或工件的偏差或振动。粗糙度可被认为是波动表面上的叠加。

作为物质实体，表面具有许多特征。表面的几何形状即为其重要特征之一，它的自然

状态是三维(3D)的，其特征细节被称为形貌。在许多应用中，形貌代表着表面的主要外部特征。

3超精密元件表面的加工、表征及功能

工件表面产生于大量的加工过程，一旦加工完成，反映加工过程的表面特征就会体现在

表面上，因此加工元件的表面特征是整个加工过程的复现(Fingerprint)，任何加工变量的改

变和加工刀具的误差都将体现在表面特征中。同时，这些表面特征又决定着加工元件表面的最终

功能，即特定的表面特征产生相应的表面功能，因此表面是其加工控制和功能设计的联结

(Link)，而对表面的表征是获取表面信息的重要手段。由此可知，表面的加工、表征和功能是相

互关联的：一方面，表面形成的每一加工阶段及处理过程都决定着表面宏观及微观几何特性；另

一方面，工件表面的几何特性以及物理、化学特性等在相当大程度上决定了产品表面的最终功

能。表面的加工、表征和功能之间的相互关系可用下图加以说明。针对具体

的应用功能，应考虑相应表面的几何、物理和化学特性等，只有通过相应的加工控制和质量控制

才能获得理想的表面设计功能

图表面的加工、表征和功能之间的关系

表面的加工

先进的加工技术是获得高质量表面的重要前提和保证。以纳米级加工为发展目标的超精密

加工技术是当今及未来制造技术的基础之一。超精密切削是超精密加工的重要组成部分，其关键

技术是极锋锐的金刚石单点切削（SPDT）,即采用具有纳米级锋锐度的切削刃、切削时刃口可复印

在加工表面上、具有高耐磨性的单晶金刚石刀具进行切削加工。该技术现已发展成为制造尖端、

精密元件的成熟加工技术，可加工出具有微米至亚微米级精度、表面粗糙度达纳米级范围的工

件。由于可获得高质量、高精度的加工表面，金刚石单点切削（SPDT）技

术

已被广泛应用于精密部件和扫描镜、注塑相机透镜塑模等光学元件的加工。此外，具有特殊功能要

求的高质量表面是由多种加工过程完成的，由此产生的表面特征也是多加工综合作用的结果。例如，

汽缸内腔的平面磨削就是一个多加工修整过程，它产生一种特殊类型的表面特征，由深的沟槽（有

利于油液滞留）和沟槽之间精细的表面（确保高支承能力）组成。表面的形成是加工全过程综合作

用的结果，故影响表面质量的加工因素较多。对于切削、成型、研磨以及刻蚀