与"超精密加工"对话
——日本FTC社长中川威雄专访
e-works 黄培
超精密加工技术作为装备制造业中的关键技术，长期以来一直是世界各国进行先进制造技术研发和应用的重点。超精密加工在中国的研究与应用还处于起步阶段，随着我国制造业的不断深化，超精密加工将彰显其巨大的发展空间，2005年12月5日，我有幸在华中科技大学专访了在日本和世界制造业学术界及企业界享有崇高声望的超精密加工领域的权威专家中川威雄先生。
FTC社长中川威雄先生
黄培：请您介绍一下您对超精密加工的有关概念。
中川威雄：往往大家一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它用好。
超精密加工的关键在于设备，这一点无可质疑，但由于超精密加工设备非常昂贵，因此用户购买时会面临很大的风险，因此，用户往往对它的要求也很高，希望它有更多的功能，能做更多的模具，这反过来也会促使它的价格更加昂贵。因此，我们在开发设备的初期，就采取了与其他厂家不同的思考方式，我们考虑的是如何尽量降低设备的成本，使超精密加工技术能容易地被用户接受并且普及开来，从使用的角度去开发更好用、更廉价的超精密设备。
目前，超精密加工设备主要用来加工一些超精密的光学零部件，例如光学镜头，各种非球面镜和球面镜（数码相机，手机中常常用到）等。根据加工对象的需要，将机床做得更小，以提高加工精度，是我们开发超精密加工设备的理念。
黄：请您介绍一下贵公司开发的超精密加工设备的特点。
中川：我们公司开发的超精密加工设备主要用来制造超精密镜头模具。由于要加工的模具比较小，因此我们首先从机床的小型化开始着手。机床小型化可以带来很多好处，一方面是加工精度得到提高，因为机床的热变形与机床本体尺寸相关，尺寸小，精度相对来说就会提高；另一方面，保持加工精度需要很严格的恒温环境（正负0.1度），机床小，所需要的恒温室空间就小，这方面可以省去很多的机床运行成本。
其次，在机械加工领域没法测量就没法加工，因为加工出的东西，不经过测量，就不知道它是否满足要求。超精密加工的精度是目前机械加工的极限状态，同时也是测量能达到的极限状态，目前在这方面还面临着很多难题。对于超精密加工，相应的测量设备必须跟上，才能保证加工精度达到设计的要求，因此，我们将测量设备集成到了超精密加工设备中，将机床的驱动轴作为测量仪的驱动轴，开发出具在线测量功能的超精密加工机床，使之很好地适应超精密加工的需求。
机床的驱动系统我们采用线性马达，以纳米为单位进行控制。再精密的加工都存在加工误差的问题，因此誤差的补偿就很重要，在加工过程中通过测量获得误差信息，并通过补偿控制的方法来抑制误差，就可以达到所要求的加工精度。
目前，我们的超精密加工设备已经达到了纳米级的加工精度，这同时也是测量设备的极限。这个设备已经开发出来，经过大量的实践验证，与市面上已有同类设备相比，完全达到了同样的加工水平，并具有我们自己的独特优势。现在，这种机床已经开始上市销售，同时我们将继续不断完善相关的技术，使它的功能更加强大和成熟。
黄：贵公司制造加工镜片模具的设备，那么，也制造加工镜片的设备吗？请您介绍一下精密模具的基本加工方法。
中川：加工镜片的设备不是我们开发的范畴。如果有模具的话，可以有两种方式做出两种类型的镜片。一种是玻璃镜片，通过热压成型来实现，需要使用热压成型机。另一种是塑胶镜片，通过注塑机注塑成型。其关键还是在于模具，如果模具满足要求的话，加工出的产品也能满足精度的要求。
传统镜片大多是球面镜，后来，人们逐渐认识到非球面镜有着更好的性能，因此成为镜片未来的发展方向。不过，复杂的制造技术限制了非球面镜的使用，传统球面玻璃镜片基本加工方法是靠磨，现在很难用磨的方法制造非球面镜，所以出现了模造镜片的方法，即使用模具来制造镜片。例如在手机用镜头模组等领域大量使用的光学镜片，很多都是用塑胶制成的。塑胶镜片的优点是成本低和可以大量生产，但是由于玻璃镜片在寿命、稳定性、成像特性等方面具有一定的优势，因此玻璃镜片还是被广泛使用，这就产生了新的技术--用模具成形来制造玻璃镜片。
镜片是一种特殊的光学器件，不仅对表面形状精度要求高，对光洁度要求也很高。塑胶镜片使用的模具材料是镍合金，是用金刚石车刀车削加工出来的。如果加工完再用抛光的方式修正加工，就不能保证形状精度，所以必须用车削的方法加工出来，这时就需要使用单结晶的天然金刚石刀具制造模具。
对玻璃镜片而言，必须把玻璃加热到600度再加压，因此模具的材料不能使用镍合金，而要用超硬合金。超硬合金是一种很硬的材料，必须用金刚石砂轮進行磨削加工，由于砂轮会磨损，因此加工精度很难保证，在磨削加工过程出现误差时，需要通过测量并进行误差补偿，以保障加工精度。加工出的模具其表面还要镀一层很薄的耐腐蚀薄膜。此外，作为热压技术而言模具的寿命是个问题，目前模具的寿命仅为1万次，所以生产100万个零件的话，就需要100套模具，传统的加工方法是缺乏竞争力的，因此在我们的机床上集成了测量仪，集车削、磨削、测量三位一体，加工时不需要反复装卸工件，通過在线测量，在线补偿的方式，达到设计要求的加工精度，这在很大程度上提高了加工效率。
黄：目前超精密加工的精度情况如何？
中川：机床的分辨率是一纳米，最小指令也是一纳米。实际定位精度基本是十个纳米左右。对制造的模具有两个要求，一个是形状精度，PV值(误差曲线的峰谷之间的距离)在100个纳米左右，另一个是表面光洁度，Ra(平均表面光洁度)要求在5纳米左右。
黄：您现在所采用的测量方式是什么？是用激光还是光栅？
中川：我们目前采用的测量方法是接触式测量法，即使测量头和加工表面接触，然后通过扫描的方式检查工件的表面形状和光洁度。以前这种方法存在两个问题：第一个问题是测量力的问题，因为接触产生摩擦，摩擦产生力，力导致变形，进而影响精度，如何降低测量力並維持安定的測量是目前的一个主要问题；第二个问题是如何如何减小测量对象形状对测量的影响。目前，光学仪器的小型化发展，使光学镜片有效口径边缘处的切线角不断增大，导致面形变得陡峭。与平缓表面相比，实现其形状的高精度测量极其困难。针对以上两个问题我们开发出一个特殊的测头，安装在机床上，利用机床的XYZ三轴驱动测头，来完成超精密加工的测量。当然仅有测头还不够，测量过程中会产生很多数据，如何通过这些数据把处理目标（形状精度、光洁度等）求出来，这就需要相应的软件来实现。这也是很重要的一个环节。
激光或光栅测量属于非接触式测量，之所以不用激光或光栅，主要是测量精度达不到，从球面镜来说，因为镜面有一定的厚度，对激光有影响，对于非球面镜而言，测量的处理比较麻烦，所以我们采用了接触式测量法来进行处理。
黄：请您介绍一下超高速加工的发展现状。
中川：超高速加工并不像通常人们所想象的是加工很大的工件，產生很多切屑的那種加工形式，而是指使用高速工具轴，用很小的刀具對工件進行的微细加工。超高速并不是切削量大，而是指主轴转速高。超高速一般用很细小的刀具，使用像针尖那样大小的球头铣刀来做铣削加工，因为刀具很细，如果主轴转速不高的话，就没有切削能力。高转速加上很微细的刀具进行微细加工，实际上这还是属于超精细加工的范畴，只不过特点是铣削需要很高的主轴转速。刚才谈到的超精密加工主要是针对车削（用金刚石的刀具），还有磨削。实际上这两种加工方式只是在切削方式上有所不同，但它们同样属于超精密加工的领域。
到目前为止，世界上比较小的超高速用铣刀已经可以做到直径（30～50um）的程度，而且这样的刀具已经得到了很普遍的使用。高转速是指每分钟8万、10万、15万转这样的数量级。
