关于“超精密加工“的对话

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。

   

    问：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。

    

    问：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。

    

    问：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。

    

    问：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。

    

    问：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。

    

    问：传统的CAD/CAM软件能否适应超精密加工的要求？

    中川：超精密加工发展到目前的水平，比如微米、亚微米甚至纳米的精度级别，对CAD/CAM是一个很大的挑战。目前市面上的CAM都是用插补、曲线逼进等方法来进行造型，在逼进和造型的过程中，有很多近似因素已经加进去了，所以就算机床做得再好，CAM的精度实际已经降低了，不能满足目前的超精密加工，尤其是光学元器件加工的需求。目前在全球范围内，能够适用于纳米级超精密加工的CAM软件实际上还没有。由于我们做的是特殊形状的球面镜或者非球面镜，因此我们基于这种特殊的形状开发了自己专用的CAM软件，但这种软件在普及上是有局限性的。我们这次来的目的之一，就是想利用华工等高校的优势资源，共同合作开发适应超精密加工用的CAD/CAM软件。

    

    问：请介绍一下贵公司、产品及其市场情况。

    中川：我们公司主要开发超精密和超高速加工设备。我们把自己在加工方面的知识和技巧都凝聚到设备上，然后根据客户的需求来定制，使设备对于用户而言更容易操作。从设备着手来提高技术，是我们公司发展的方向。

    关于超高速加工设备，早在二年前，也就是2003年11月我们就开发出来，并得到了市场的认可。其中，有11台投放到大陆，主要生产手机等小型消费性电子产品的模具。我们的另一个产品是超精密加工设备。在超精密加工设备方面，我们已经制造了一台原型机，在这个基础上做了大量的试验，现在已经做出了两台量产机型，我们在很多实验验证的基础上去评价机器的效果，应该说它已经完全达到了令市场满意的程度。

    我们公司的产品与其他的厂家的产品相比，具有小型化、成本低、具有测量功能、具有很大性价比等方面的优势，我们瞄准的产品对象是小型产品，如数码相机、手机、DVD用镜头等都可以适用我们的产品，如果要做大型产品我们的设备就不一定合适了；此外，相对其它机床大厂，在市场信誉方面，我们还需要一段时间去证明。估计到了那个阶段，我们的设备会销售得很好，但现阶段市场还处在认识我们的过程中，我们也在一直致力这方面的工作。

    

    问：中国很多高科技企业普遍存在的问题是”会做技术，不会做市场”，冒昧的问一下您是否存在这方面的担心？

    中川：从大学里发展起来的企业，可能在全球范围内都面临着同样的问题。有许多大学教授做技术研究很优秀，但是讲到做生意、做企业就不在行了。从个人的亲身体会来讲，我对此也很有同感，开发出具有一流技术的产品后，如何把技术产品化，并推向市场实现盈利，这对从教授出身的经营者是一个很大的考验。我本人还担任了日本大学高技术产业评价委员会的委员长，对这个问题有更深刻的认识，但我们既然已经把企业做起来了，就只有朝前看，才能够尽我们最大的努力去克服困难，使企业走向成功。

    

    问：你们的超高速加工设备比较成熟了，是否已经可以带来稳定的收入，用来支持超精密设备的研发？

    中川：实际上不是这样的。因为我们公司是一家很大的母公司的一部分。目前我们一直靠大公司的资金支持来进行研发。当然从今后起，我们要依靠自己研发的产品来盈利，并继续进行后续研发。五年前我们成立时，主要是为光通信产业生产关键元器件而开发的这个设备。不幸的是，IT行业的网络泡沫破裂使我们没能按预定的计划发展。但我们从那次失败中总结了很多经验教训，重新开始研究开发。目前也有了一些成果，正处在逐步向商业产品转化的过程中。

    

    问：令我难以想象的是，你们公司只有20人，如何能制造出如此复杂的设备？

    中川：我们开始是制造镜片的，在这个过程中，发现加工设备存在很多问题。从解决这些问题的角度出发，我们才开发了这种设备。可以说，我们是把加工的一些技巧和经验融合在设备里了。我们并不是20人全部从元器件开始研究，然后慢慢把产品做起来的，我们需要的是要有自己的想法，有自己的设计方案，同时拥有其中关键的技术（比如测量头和软件），其他的零部件都是使用从市面上可以买到的光电元器件。在日本，我们虽然是一家小的公司，但是也拥有很多好的合作伙伴。我们在中国的发展也会有同样的一个过程。我们的盈利不单纯靠出售这种设备，我们还将用这些设备加工出模具。出售模具同样是我们很好的盈利来源。正是这些盈利使我们能够在新技术研发上不断投入。

    

    问：请您谈谈您对中国制造业发展的看法。

    中川：这几年中国制造业取得的发展是有目共睹的，但主要是靠较低的生产成本获得的，而在关键设备尤其是关键元器件的开发方面还存在一定的差距。目前，日本的制造企业往往拥有自己独创性的技术，并且通过这些技术将产品生产出来，即便这家公司把自己的技术、工艺公开，其它国家和地区也很难做出来，因此在市场上才具有竞争力。要取得这种创新的成果，需要在研发方面投入一定的资金。因此，中国还需要一定积累，尤其是时间，才能赶上日本。

    

    问：最后，请您谈一下您自己这几年做企业的感受。

    中川：我从东京大学退休后，进入了产业界。应政府的要求，我在很多政府部门，尤其与技术开发相关的部门供职；同时还有很多大的财团、大的理事会、企业、学校里关于技术开发领域的审查委员会的职务。当然，目前我考虑得最多的还是如何把公司更好地经营下去。

    我在东京大学教书度过了三十年，这期间也做了很多技术研究、产品开发以及产业化的工作，但觉得近几年的收获更大，自己的知识范围和涉足的领域一下宽了很多，相当于在原来的大学干了十五年左右。作为一个高科技风险企业的经营者，确实面临着很多的压力和困境，在不断探索企业出路的过程中，我也动了很多脑筋，学到了很多在学校里作为教授所学不到的东西。回过头来看，虽然到了这个年龄，还要经历这么多东西，吃这么多苦头，但我觉得还是很值得的，因为这是一种很充实的生活方式。另外，作为一个经营者，我深深感到合作伙伴以及公司员工的支持也是极为重要的。如果没有这些支持的话，企业就无法运作下去。因此，我对员工与合作伙伴抱着很大的感激之心。现在，我的个人目标，就是要努力把企业经营好，这样才能对投资方，对合作伙伴和公司员工有一个好的交代。

    

    后记：

    中川先生是日本先进制造技术的权威专家，而我的同学李军旗博士在该公司负责超精密加工设备的总体设计工作。在华中科技大学校长李培根院士宴请他们的宴会上，我了解了他们在超精密加工领域的研究与开发实践，就自告奋勇提出对中川先生进行专访，中川先生愉快地接受了我的邀请。与中川先生的交流非常坦诚，给我留下了深刻印象。

    我认为日本制造有很多值得中国制造学习的地方，这是我这次专访的初衷。中国正在大力发展装备制造业，尤其是微机电系统。因此，我希望这次与”超精密加工”的对话能够对中国装备制造业的发展有一定的促进作用。

    

    【关于中川威雄】

    中川威雄先生1967年获日本东京大学工学博士学位，此后30年间一直任东京大学教授，创立了日本模具协会，并任多个学术协会的会长，同时一直担任日本丰田公司和Fanuc等公司高级顾问，在日本和世界制造业学术界及企业界享有崇高声望。1999年退休后任东京大学名誉教授和理化研究所名誉研究员，2000年创立FTC(Fine Tech Co.)公司，获得了全球最大的消费性电子产品OEM制造商Foxconn公司的投资，主要从事超高速和超精密镜片模具加工设备的开发。目前，FTC已开发出全球第一台集车削、磨削和在线测量为一体的小型超精密镜片模具加工设备，加工精度可达数十纳米。该加工设备在数码相机镜头、手机镜头、DVD读取头等小型镜片的高精度批量生产中具有广阔的应用前景。    

    

    【关于超高速加工】

    超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。目前在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国等。

    超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和
加工中心则是实现超高速加工的关键设备。随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。

    在超高速切削方面，日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000~40000r/min，工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。

    在超高速磨削方面，目前日本工业界实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心的最高砂轮磨削速度达250m/s。

    近年来，我国在超高速加工的各关键领域进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。

    【关于超精密加工】

    超精密加工当前是指被加工零件的尺寸和形状精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，目前正在向纳米级加工技术发展。

    超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于领先地位的国家。英国的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，是当今世界上精密工程的研究中心之一。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚，但它是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，甚至超过了美国。

    我国在80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说，与国外产品比还有相当大的差距。

    超精密加工技术发展趋势是：向高精度、高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展