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1 ．概述
精密和超精密加工技術的發展，直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進行研究開發，同時實行技術保密，控制關鍵加工技術及設備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導平台、光學和激光等技術的迅速發展和多領域的廣泛應用，對各種高精度複雜零件、光學零件、高精度平面、曲面和復雜形狀的加工需求日益迫切。目前國外已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發展了新的精密加工和精密測量技術。
我國目前已是一個“製造大國”，製造業規模名列世界第四位，僅次於美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備製造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“製造強國”，與發達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產品出口，但多數是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產品；而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產的精密數控機床設備和儀器，例如，2003年我國進口了價值41.6億美元的機床，而出口機床僅為3.8億美元，且主要為低精度的普通機床。2004年我國進口機床為57.8億美元，出口機床僅為5.2億美元。2005年我國機床總產值約為50億美元，出口機床為8億美元，而進口機床則達到67億美元。
由 於國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設備儀器正是我國發展國防工業和尖端技術所迫切需要的，因此，為了使我國的國防和科 技發展不受制於人，我們必須投入必要的人力物力，自主發展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下面對國內外精密和超精密加工技術的最新發展情況介紹如下。
2 ．精密機床技術的發展
精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發展方向是：在繼續提高精度的基礎上，採用高速切削以提高加工效率，同時採用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名於世，該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控系統，成為一台加工中心；同時為實現高速切削，已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min，定位精度達5 μ m ，已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩台機床的性能可以看出，現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。
3 ．使用金剛石刀具的超精密切削技術
3.1 超精密切削技術的進展
金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份，不少國防尖端產品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統中的多種零件等）都需要利用金剛石超精密切削來加工。
使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削，可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳，刃口半徑在0.5～0.01μ m 。因刃口半徑甚小，過去對刃口的測量極為困難，現在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進行測量。
3.2 超精密切削機理的研究
對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如，超精密切削脆性材料時，加工表面可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題，最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見，開始時切削厚度甚小，切除機理為塑性去除，加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除，加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。
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超精密加工機床的關鍵部件技術 www.tool-tool.com
哈爾濱工業大學蓋玉先董申
1 引言
超精密加工機床的研製開發始於20世紀60年代。當時在美國因開發激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發製作反射鏡的超精密加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機床應運而生。1980年美國在世界上首次開發了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，它標誌著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研製開發滯後於美國20年。從1981～1982年首先開發的是多棱體反射鏡加工機床，隨後是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國台灣的超精密加工機床技術也都處於世界先進水平。我國的超精密加工機床的研製開發工作雖起步比較晚，但經過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。哈爾濱工業大學精密工程研究所研製開發的HCM-Ⅰ超精密加工機床，主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。
表1 國內外典型超精密車床性能指標匯總型號(生產廠家) HCM-Ⅰ
(中國哈工大) M-18AG
(莫爾特殊機床,美國) Ultraprecision CNC machine
(東芝,日本) Ultraprecision Lathe
(IPT，德國) 主軸 徑向跳動(μm)
≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048 軸向跳動(μm)
≤0.05 ≤0.05(500r/min)
徑向剛度(N/μm) 220
100
軸向剛度(N/μm) 160
200
導軌 Z向(主軸)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm
0.044μm/80mm X向(刀架)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm
0.044μm/80mm X、Z向垂直度(") ≤1 1
重複定位精度(μm)
1(全程)
0.5(25.4mm)
加工
工件
精度 形面精度(μm) 圓度：0.1 平面度：0.3 ＜0.1(PV值) 0.1 表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(PV值) Ra0.002 0.002～0.005RMS 位置反饋系統分辨率(μm)
25 2.5 10 溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1
隔振系統固有頻率(Hz) ≤2 2
加工範圍(mm) 320 356 650×250
2 主軸系統
超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的迴轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的一個部件，通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研製開發的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺迴轉精度。主軸振擺迴轉精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重複徑向振擺，屬於靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸迴轉精度可達0.05μm，最高可達0.03μm，由於軸承中支承迴轉軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高於軸承零件本身的精度。例如主軸的迴轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學者研究表明，當軸和軸套的圓度達到0.15～0.2μm的精度時，可以得到10nm的迴轉精度，並通過FFT測定其所製造的精度最高的空氣軸承主軸的迴轉精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細緻的工作。要做到納米級迴轉精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.15～0.2μm，再通過空氣膜的均化作用來實現外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、分佈精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產生微小振動的直接原因，從而影響迴轉精度。要改善供氣系統的狀況，軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的，能夠改善壓力分佈，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對錶面進行堵塞加工。3 直線導軌
作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌，是僅次於主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是：動作靈活、無爬行等不連續動作；直線精度好；在實用中應具有與使用條件相適應的剛性；高速運動時發熱量少；維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有VV型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的VV型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。後兩種都屬於非接觸式導軌，所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮後兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由於油的粘性剪切阻力而發熱量比較大，因此必須對液壓油採取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養也麻煩。氣體靜壓導軌由於支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發熱問題，如果最初的設計合理，則在後續的維修保養方面幾乎不會發生什麼問題。但必須注意導軌面的防塵。空氣導軌的間隙僅為十幾微米，而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔淨室也不能完全消除，塵埃落入空氣導軌面內會引起導軌面的損傷。總體看來，空氣靜壓導軌是目前最好的導軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導軌。目前空氣靜壓直線導軌的直線度可達0.1～0.2μm/250mm。
HCM-Ⅰ超精密加工機床上使用的即是空氣直線導軌，其氣浮面上的壓力分佈如圖1所示。
圖1 氣浮面上的壓力分佈
通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論：(1)必須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產生位置擾動，擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統機械加工手段很難加工出＜f 0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結構，當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時，有可能產生變形，使氣膜厚度不均勻以致於影響其性能。但經過計算證明，使用長螺釘時，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時，氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級，可忽略不計。
4 進給與微量進給系統
進給系統中最常用的是各種進給絲槓，在超精密加工機床中滾珠絲槓因其反向間隙小、傳動效率高而得到了廣泛的應用。精度更高的靜壓絲槓和摩擦驅動裝置也逐漸用於超精密加工機床。
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生醫材料 擺脫生物自然凋零的宿命？www.tool-tool.com
生醫材料 擺脫生物自然凋零的宿命？
由於人口老化已成全球趨勢，加上醫材產品認證時間逐漸縮短、生醫材料應用領域持續擴展，使得生醫材料衍生產品市場逐年成長。
依據Research and Markets市場報告顯示，2008年，全球生醫材料衍生產品市場約255億美元，未來5年，該市場的年複合成長率（CAGR）預估高達15％。
生醫材料的來源為天然或人工合成的材料，因具有生物相容性，而可被植入或結合到活體系統中，用來取代或修補活體系統的一部分，或直接與活體接觸而執行其生命功能。
生醫材料廣泛地應用於所有醫療器材中，例如，注射針筒、血袋、引流插管及駐植體、人工臟器，以及保健營養品、化妝品與藥物釋放系統等。
依 用途可分為：骨骼系 統修復材料（骨骼、關節等）、齒科材料、軟組織材料（皮膚、食道、呼吸道、膀胱等）、心血管系統材料（人工心臟瓣膜、血管、心血管內插管等）、醫用膜材料 （角膜接觸鏡、液血淨化膜等）、生物感測器材料、整型外科材料、傷口癒合材料等，其中，又以再生醫療外科及骨科相關生醫材料為最大宗。
生醫材料以組成與性質分成四類
一 般將生醫材料略分為 四大類：金屬與合金材料（metals and alloys）、陶瓷材料（ceramics）、高分子材料（polymers）與生物組織材料（biological materials）。前兩項用於硬組織，如骨科；後兩項則用於軟組織，如細胞，為再生醫學的研究基盤之一。
（一）金屬與合金材料
大 致分為三種：以鐵為 基材的不銹鋼（stainless steel），應用於骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等；以鈷為基材的主要組成成份為：鈷（Co）-62.5％、鉻（Cr）-30％、鉬 （Mo）-5％與碳（C）-0.5％，應用於假牙、骨折固定與人工關節等。
以鈦為基材的氧化鈦（氧約佔0.9％）或Ti-6Al-4V鈦合金，應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。
常見的金屬與合金，即是以不銹鋼、鈷鉻合金與鈦金屬為最重要三大類。其應用如下：
1.以鐵為基材的合金材料（iron-based alloys）：主要為不銹鋼，在臨床上，主要的應用有：骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等。
2.以鈷為基材的合金材料（cobalt-based alloys）：主要的應用有假牙、骨折固定與人工關節等。
3.以鈦為基材的合金材料（titanium-based alloys）：鈦金屬很容易在其表面產生氧化，常以氧化鈦或Ti-6Al-4V鈦合金（主要的元素為鋁和釩）的方式，應用在生醫材料上。主要應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。
（二）陶瓷材料
陶 瓷材料成分為氧化鋁 （alumina, Al2O3），β-磷酸三鈣（tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2），氫氧基磷灰石（calcium hydroxyaptite）, Ca10(PO4)6(OH)2)與所謂的生醫玻璃（組成成份為SiO2、CaO、Na2O與P2O5等），應用於骨骼填充材料、人工骨骼表面修飾與假牙 等。
（三）高分子材料
高分子材料若依來源，可分類為天然高分子及人工合成高分子。天然高分子包括：纖維素（cellulose）、膠原蛋白（collagen）、幾丁質（chitin）、褐藻酸鹽（alginate）、透明質酸（hyaluronic acid）、明膠（gelatin）等。
天然高分子材料，多由動植物、微生物源萃取純化而來，在人體內，較沒有毒性及慢性發炎等問題。具有生物可降解性，可自行分解或被酵素作用分解為小分子，經代謝過程排出體外。
膠原蛋白、明膠、透明質酸、幾丁質等，多用於製作人工軟骨、人工真皮，傷口敷料或藥物控制釋放載體，以及美容保養品、健康食品上。
而人工合成高分子，則包括：聚甘酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚胺基甲酸酯（PU）等。
聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚乳酸、聚胺基甲酸酯等，多應用於隱形眼鏡、人工水晶體、心導管、人工關節、手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料、組織工程支架、人工血管與手術用手套等。
天然高分子材料大致分為6種
天然高分子材料大致分為6種：(1)膠原蛋白:主要成份為膠原蛋白（collagen）、黏聚醣（mucopolysaccharides）以及彈性蛋白（elastin）等。適用於做為細胞培養的基材、暫時的組織填充材料以及製做各式人工器官的基材等。
(2)明膠：明膠為變性的膠原蛋白分子，經交聯修飾後可以用來做為生物膠（biological glue）)、傷口敷料（wound dressing）或藥物制放載體（drug carrier）。
(3)透明質酸：為一帶許多負電荷的重複性雙醣單元天然高分子，將透明質酸注入關節中，增加關節部位的潤滑作用以減輕疼痛；眼科應用將透明質酸注入病患眼睛前房鞏固形狀，避免角膜在白內障手術時受到傷害。
(4)幾丁質與幾丁聚醣：是一種從甲殼類動物的外殼中萃取分離而得之多醣類聚合體。有良好的生物相容性、無毒性、可生物體內分解、價格便宜以及生產原料充足等優點，使得幾丁聚醣的身價水漲船高。
(5)褐藻酸鹽：為一帶許多負電荷的多醣類高分子，可以做為醫藥或化妝品的乳化劑或增稠劑。
(6)纖維素及其衍生物：為構成植物體木質部與其表皮細胞的主要成分，做成的薄膜或中空纖維，可使用在血液透析洗腎機。
合成高分子材料也分為6種
合成高分子材料大致分為6種：(1)聚甲基丙烯酸甲酯：以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為單體，經自由基（free radical, R‧）起始反應，應用於假牙、骨水泥與隱形眼鏡等。
(2) 聚乙烯：依密度 分為：低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）、高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）與超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE）。低密度應用於心導管，超高分子量應用於骨折固定與人工關節等。
(3)矽膠：應用於人工心臟瓣膜的球閥、人工血管、心導管以及用來隆乳、隆鼻與隆下巴等美容手術的填充材料等。
(4) 聚酯類高分子： 由具有羧基（carboxyl group）與羥基（hydroxyl group）的單體，經polycondensation共聚合所得到的共聚物，如：達克隆（Dacron），與聚乳酸（polylactic acid, PLA）及聚甘醇酸（polyglycolic acid, PGA）或其共聚物等。應用主要有：大口徑人工血管，人工心臟瓣膜的縫合布圈以及人工韌帶等。
(5)四氟化聚乙烯：應用有中口徑人工血管。
(6)聚胺基甲酸酯：應用於人工血管與人工心臟的心室袋狀物等。
生物組織材料分為三類
生物組織材料在臨床上的應用，如：傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。目前，常使用的生物組織材料可分為三類：自體移植材料（autograft）、同種移植材料（homograft）和異種移植材料（heterograft）。
（1）自體移植材料（autograft）：就是從病人自己身上所取下的組織，因取自於病患本身，因此，沒有免疫排斥的問題。
科學家從病人本身取下的健康生物組織，用以修補病變的生物組織，由於沒有免疫排斥的問題，相容性最好，壽命也最長。缺點就是來源有限，病人得多挨上一刀，以取下健康的生物組織。
可應用於傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工補綴片、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。
（2）同種移植材料（homograft）：從捐器官者身上取下來的健康生物組織，經滅菌手續處理後再植回病人的身上，但由於病毒傳染的顧慮，目前不太普遍使用。
此材料的保存大都需要保存在極低溫的環境，如液態氮裡，且由於並非患者本體的組織，容易產生排斥反應性，與易受免疫系統的攻擊。
（3）異種移植材料（heterograft）：從動物體上取下來的健康生物組織，經過交聯劑的交聯處理後才能植入人體，以穩定人體器官組織，增強對抗人體免疫系統與酵素的攻擊能力。
由於，來自非同種生物，身體的免疫系統會視其為外來物質而攻擊，因此，異種移植材料必須經過一些處理過程，才可以植入人體。
生醫材料要具備的條件
由於，生醫材料會與人體或組織接觸，因此，需要具備下列特性：被分解的速率可以控制；良好的生物相容性；不會產生免疫排斥反應；能提供適當的機械強度；可以促進組織的再生；可滅菌性（環氧乙烯、γ-照射、電子束等）。
（一）相容性/惰性/可分解性：生物材料本身與人體組織、體液或血液接觸後，必須符合臨床使用的情況，植入的材料能促使週遭細胞能遷徙並增生於材料上，隨著材料的分解與組織的再生，重建病變的組織，不再有強烈的免疫反應與排斥現象發生。
（二）無毒性/無過敏性/無致癌性/可消毒性：生物材料不容許對人體來說有任何的毒性，不會引起宿主的免疫反應以及細胞病變，可使用壓力鍋、E.O.、電漿、臭氧、γ射線等技術進行消毒，必須是完全可以讓人體接受的標準。
（三）數量充足穩定/價格合理：取得方便及數量平穩，並且是各國健保制度願意給付也負擔得起的。
奈米生醫材料市場潛力無窮
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