產品是龍頭，工藝是基礎，再好的產品也必須通過具體的工藝來實現。一個國家的製造工藝水平的高低在很大程度上決定其製造業的技術水平。隨著市場競爭的日趨激烈，製造業的經營戰略不斷發生變化，生產規模、生產成本、產品質量、市場響應速度、可持續發展等相繼成為企業的經營核心。為此要求製造技術必須適應這種變化，並形成一種優質、高效、低耗、清潔和靈活的先進製造工藝技術。縱觀世界製造技術的發展史，製造工藝經曆了從普通成型到近淨成型（等量製造），從傳統加工到特種加工，從去除法加工（減量製造）到添加法加工（增量製造），從普通加工到超精密加工、微納米加工，從他成型到自成型的演繹過程。
材料成型加工技術是汽車、電力、石化、造船及機械等支柱產業的基礎製造技術。據統計，全世界75%的鋼材經過塑性加工成型，汽車結構中65%以上仍由鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料通過鑄造、鍛壓、衝壓、焊接等方法成型。近淨成型使成型的機械構件外形精確、精度高，無需加工或僅需少量加工即可使用。近淨成型技術包括近淨成型鑄造、近淨塑性成型、優質高效精確連接等。
隨著產品壽命和材料強度的提高，難切削材料愈來愈多，零件形狀愈來愈複雜，尺寸愈來愈小型化，依靠機械能的傳統切削加工難以滿足社會發展的要求，迫使人們另辟蹊徑，於是出現了許多依靠電能、聲能、光能、化學能等能量進行加工的特種加工方法。
從工件表麵上切除多餘材料的去除法加工由來已久，但它所造成的資源浪費與環境汙染是一個不爭的事實，不符合可持續發展的要求。於是材料添加加工方法應運而生，它是製造技術、能源技術、材料技術、微電子技術和信息技術的綜合集成。
人們在對產品的質量和性能要求提高的同時，還要求小型化、高可靠性。這種苛刻的要求使普通加工設備難以勝任。自20世紀90年代以來，由於汽車、能源、醫療器材、信息、光電和通信等產業的蓬勃發展，對超精密加工機床的需求急劇增加。人造衛星、航天飛機、民用客機等都需要大量的精密和超精密加工。
上述製造技術，無論它是減量製造還是增量製造或是等量製造，無論它是傳統加工還是特種加工，無論它是鍛壓成型還是鑄造或注射成型，到目前為止，工業界廣泛使用的製造技術幾乎都是在外界強製作用下成型，即他成型。隨著生物製造的發展，將對非常精巧、複雜的結構進行製造，一種按生物生長、發育，在其內在基因控製下，通過細胞並行分裂而進行自成型，又稱自組織成型或自生長成型的加工新方法即將誕生。
先進製造工藝是先進製造技術的核心，離開了物理實質的先進製造工藝技術，與之集成的計算機輔助技術、信息技術和管理技術等都將成為無源之水、無根之木。
3.1近淨成型工藝技術——等量製造
3.1.1近淨成型的概念與發展
隨著人們環保、節能意識的提高，要求零件毛坯向少或無加工餘量方向發展。近淨成型技術指成型後的毛坯接近或達到零件的最終形狀和尺寸，稍經加工甚至不加工即可參與裝配的技術。近淨成型技術是目前製造技術中發展較快的先進技術，它使機械產品的毛坯成型實現由粗放到精化的轉變，使外部質量做到無餘量或接近無餘量，內部質量做到無缺陷或接近無缺陷，實現了優質、高效、輕量化、低成本的加工。
自20世紀70年代以來，各工業發達國家政府與工業界對近淨成型技術投入了大量資金和人力，使這項技術得到了很快的發展。由於這項技術對市場競爭能力的貢獻突出，被美國、日本政府和企業列為20世紀90年代影響競爭能力的關鍵技術，其產值增長幅度遠高於製造業產值增長幅度。大量優質、高效、少無切削的近淨成型技術得到快速發展，並在工業中獲得廣泛應用。如美國、日本等國利用汽化模鑄造、樹脂自硬砂組芯造型等近淨成型技術，加工製造汽車模具、飛機用高強超硬鋁合金及鋁鋰合金零部件等，取得了巨大的技術經濟效益。以轎車生產為例，其缸體鑄件的壁厚可做到3～4毫米；齒輪采用冷擠壓生產，齒形不再加工；像萬向節這類形狀複雜的零件，已經可以采用精確的塑性成型技術來生產；連杆不僅尺寸精度高，其質量偏差可以控製在3％～4％以下。這些技術都推動了轎車自重的降低和性能的提高。
新材料的發展推動了新成型技術的研究和開發，推動了高能束能源的發展並用於近淨成型，也推動了一批新的近淨成型工藝的出現。計算機和計算技術的發展，使近淨成型向虛擬製造和網絡製造方向發展，並且將由宏觀模擬進一步向微觀的組織模擬和質量預測方向發展。近淨成型技術的一個重要發展趨勢是工藝設計由經驗判斷走向定量分析，把數值模擬與物理模擬和專家係統結合，確定鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等工藝過程中的工藝參數，優化工藝方案，預測加工過程中可能產生的缺陷及應采取的預防措施，以保證零件的製造質量。
3.1.2近淨成型加工技術
（1）21世紀最具發展前景的近淨成型技術——半固態加工
半固態加工起源於20世紀70年代初的美國。麻省理工學院的D.B.Spencer和其導師M.C.Flemings在自製的高溫黏度計中測量Sn-15Pb合金高溫黏度時，發現在金屬凝固過程中進行強烈攪拌，可得到一種在液態金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合漿料（固相率甚至可高達60%），具有很好的流動性，易於通過普通加工方法製成產品，從而冠名為半固態加工。
半固態加工技術是一種生產效率高、近無餘量的精確成型技術。凡具有固液兩相區的合金均可實現半固態加工。與鑄造等液態加工相比，半固態加工的溫度較低，對模具的熱衝擊較小，可成型十分複雜的零件。與鍛造和擠壓等固態加工相比，半固態加工的變形抗力較小，可以成型一些難加工合金材料。與常規壓鑄相比，以生產單位質量零件為例，半固態加工可節能35%左右，節省材料20%~30%。半固態加工還可改善製備金屬基複合材料中非金屬材料的飄浮、偏析以及與金屬基體不潤濕等技術難題，為金屬基複合材料的製備和成型提供了有利條件。
世界汽車工業正朝著輕量化方向發展，采用半固態加工技術，不僅成型容易，而且能充分發揮材料性能。采用半固態加工技術生產的汽車零件包括刹車製動筒、轉向係統零件、搖臂、發動機活塞、輪轂、傳動係統零件、燃油係統零件以及汽車空調零件等。目前，這些零件已應用在福特、克萊斯勒、沃爾沃、寶馬、菲亞特、奧迪等歐美名牌轎車上。
在航空航天領域，先進鋁合金是主要結構材料，具有高比強度、高比模量、良好的斷裂韌性和疲勞強度、較低的裂紋擴展速率以及良好的耐蝕性等特點。近10年來，輕量化、減少能耗以及降低軍用和民用飛機的成本已成為航空航天業需要解決的主要問題。因此，可采用半固態加工技術對傳統航天航空用鋁合金實施高性能化，製造可替代機加工鍛件的零件，利用半固態合金成型性好的特點製備複雜零件，提高集成度，以替代由多個零件裝配而成的部件。
（2）精密冷輾技術
金屬零件的冷輾技術最早可追溯到19世紀中葉。當時，隨著火車運能的提高，鑄鐵車輪已無法滿足列車高速重載的要求，便開始在鑄鐵車輪上鑲嵌可更換的鋼質輪轂。該鋼質輪轂的加工就是采用冷輾技術進行加工的。從20世紀80年代開始，世界上許多軸承工業發達國家才致力於冷輾技術的研究。精密冷輾技術是在常溫下將環形回轉類零件采用擠壓塑性變形而得到成型件的一種冷加工成型方法。軸承套圈精密冷輾成型的優點有：一是顯著提高材料利用率及加工效率。與傳統的車削加工方式相比，精密冷輾加工可使材料利用率提高20%～40%，從而實現軸承套圈的以輾代車，降低加工成本。二是提高套圈類零件質量。由於采用輾壓方式，零件內部的金屬流線連續而完整，金屬的晶粒較均勻且小，組織較為致密，所以零件的強度得以提高。三是節約能源，改善工作環境。與鍛模相比，精密輾壓所需的設備噸位較小，可顯著降低加工時的噪聲，節能效果明顯，與車削製坯相比噪聲較小、粉塵較少。
目前，國外精輾設備主要有德國BAD DUBEN的URAW係列及日本KYOEI公司的CRF及TCR係列。它們分別代表了兩種技術路線：BADDUBEN采用立式布置、電液位置伺服控製係統來提高輾壓精度；而KYOEI公司采用臥式布置、粗輾及工件整徑相結合的方式來提高工件的尺寸精度。中國由洛陽軸承研究所開發設計的開式冷輾機PCR，吸收了德國與日本機床的優點，主要應用於小型深溝球軸承套圈、圓柱滾子軸承套圈及滾針軸承套圈的輾擴。該機床使冷輾件的形狀、尺寸最大限度地接近於成品件，從而提高了材料利用率，減少了切削加工量。同時，這一技術又能使冷輾件的內部金屬組織得以優化，從而提高了產品的使用壽命。
另外，洛陽國投精密機械有限公司、寧波雄師機械製造有限公司等企業積極引進、開發了一係列精密輾擴機。洛陽國投精密機械有限公司自主開發的D56G係列數控精密冷輾環機，采用了“電驅動”技術，預應力框架式機身極具剛性，配以閉環控製的數控係統，使整機控製精度高、穩定性好，加工精度達到國際先進水平，最大零件外形達到直徑260毫米、長度110毫米。
（3）粉末冶金淨成型技術
粉末注射成型（PIM）是將現代塑料注射成型技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金近淨成型技術。其基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機黏結劑均勻混合，經製粒後在加熱塑化狀態下用注射成型機注入模腔內固化成型；然後用化學或熱分解的方法將成型坯中的黏結劑脫除；最後經燒結致密化得到最終產品。與傳統工藝相比，它具有精度高、組織均勻、性能優異、生產成本低等特點，其產品廣泛應用於電子信息工程、生物醫療器械、辦公設備、汽車、機械、五金、體育器械、鍾表、兵器及航空航天等工業領域。因此，國際上普遍認為該技術的發展將會導致零部件成型與加工技術的一場革命，被譽為“當今最熱門的零部件成型技術”和“21世紀的成型技術”。該技術的研究熱點主要集中在高品質粉末的製備技術、粉末冶金零件的精密成型結技術、粉末冶金高效燒結技術、粉末冶金零件後續加工與質量控製，以及先進的粉末冶金裝備製造技術等方麵。
現代PIM技術的研究始於20世紀70年代初期。1973年美國組建Parmatech公司，專門從事PIM技術的研究和產品開發工作，但當時該技術鮮為人知。直到1979年，Parmatech公司有兩件PIM產品在國際粉末冶金大會的產品設計大賽中獲獎後，PIM技術才開始受到關注。但由於這一階段的研究工作都是在幾家公司中進行，彼此技術保密，此外由於粉末原料成本高、脫脂工藝時間長、產品易變形等問題沒有解決，其發展一度處於停滯狀態。在20世紀80年代初期，美國政府先後撥款數百萬美元，在倫塞爾理工學院開始PIM技術基礎理論和應用基礎的研究工作，之後又在賓夕法尼亞大學建立了PIM專業實驗基地。由於政府研究機構和大學的介入，使研究工作向深層次發展，因此，到了20世紀80年代中期，粉末注射成型技術得到了迅速的發展。進入20世紀90年代，隨著PIM工藝的進一步改進以及新材料、新工藝的不斷湧現，其產業化發展非常迅速。到1997年底，全球共有240家以上的公司和機構從事PIM技術研究、開發、生產和谘詢業務，2000年達到375家。美國政府已將該技術列為對美國經濟繁榮和國家持久安全起至關重要作用的“國家關鍵技術”。為了保持在該技術研究與開發方麵的優勢，1999年6月美國國家自然科學基金會和賓夕法尼亞州政府聯合支持在賓夕法尼亞大學建立了燒結材料工程研究中心，PIM技術是該中心重點研究的領域之一。
從20世紀80年代末開始，我國先後由冶金部鋼鐵研究總院、北京科技大學、中南工業大學、北京有色金屬研究總院、北京粉末冶金研究所、廣州有色金屬研究院等開展了PIM技術的研究工作，但由於缺乏資金支持，加之國外的技術保密，均沒有取得突破性進展。“九五”期間，該項目在國家“863”計劃、國家科技攻關計劃、國家軍工配套科研計劃和國家自然科學基金等的資助下，突破了粉末注射成型的一些技術難關，取得了一係列創新性成果，研製的小批量產品已成功地應用於我國軍工和民用領域，部分研究成果達到國際先進水平。但總體來說，PIM技術研究的廣度和深度均與世界先進水平有較大差距，尤其是產業化進程緩慢，規模小、水平低、工藝裝備落後，遠遠滿足不了軍工和國民經濟建設的需要。
3.2超精密加工
3.2.1概述
（1）超精密加工的內涵
精密、超精密加工技術是指加工精度達到微納米級的加工技術的總稱。零部件和整機的加工與裝配精度對產品的重要性不言而喻，精度越高，產品的質量越高，使用壽命越長，耗能越小，對環境越友好。超精密加工技術是高科技尖端產品開發中不可或缺的關鍵技術，是一個國家製造業水平的重要標誌，也是裝備現代化不可缺少的關鍵技術之一。它的發展綜合地利用了機床、工具、計量、環境技術、光電子技術、計算機技術、數控技術和材料科學等方麵的研究成果。它是先進製造技術的重要支柱之一。超精密加工技術旨在提高零件的幾何精度，以保證機器部件配合的可靠性、運動副運動的精確性、長壽命和低運行費用等。
精密加工和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段。通常，加工誤差為10~100微米的屬於普通加工，3~10微米的屬於精密加工，0.1~3微米的屬於高精密加工，0.005~0.1微米的屬於超精密加工。由於生產技術的不斷發展，劃分的界限將逐漸向前推移，過去的精密加工對今天來說已是普通加工，因此加工精度劃分的界限是相對的。
（2）發展超精密加工技術的重要性
超精密加工技術在尖端產品和現代武器製造中有著非常重要的地位。從20世紀90年代以來的幾次局部戰爭中，世界各國已經越來越清楚地認識到高科技對戰爭進程及最終結果的影響。高技術、智能化武器具有高能效、高精度等特點，武器的高精度必然要求其零部件的高精度，從而必須具備高精度的製造技術才能生產出來。例如，導彈的命中精度決定於慣性儀表的製造精度。美國某洲際導彈的命中精度圓概率誤差為500米，換上高精度陀螺儀後導彈命中精度圓概率誤差隻有50~150米，提高了約一個數量級。如果1千克的陀螺轉子的質量中心偏離其對稱軸0.5納米，將引起100米的射程誤差和50米的軌道誤差。在2003年的海灣戰爭中，使用精確製導炸彈的比例接近100%，製導方式也由過去的慣性製導向激光製導、數字影像匹配末端製導以及全球衛星定位係統製導方式發展，其中應用最廣的激光製導中所用的許多激光元件都要求非常高的精度和表麵質量。如激光陀螺的平麵反射鏡，要求平麵度為0.03~0.06微米，表麵粗糙度為0.012微米，反射率為99.8%。紅外探測器中接收紅外線的反射鏡是紅外導彈的關鍵零件，要求表麵粗糙度不大於0.01微米。如此高的表麵質量，隻有采用金剛石刀具超精密車削、通過超精密研磨才能實現。
第二次海灣戰爭中美國士兵的頭盔上都配備了高清晰度的夜視設備，而且質量小（400克）。夜視設備中的關鍵元件是碲鎘汞晶體，其表麵質量要求很高，需要采用特殊的超精密研磨（如非接觸研磨、機械化學研磨等）加工。
衛星上的姿態控製極為重要，必須有超精密的真空無潤滑軸承，它的孔和軸的表麵粗糙度要求達到1納米，圓度和圓柱度也是納米級，必須用超精密磨削與研磨才能達到。此外，偵查用的間諜衛星必須裝備先進的光學望遠係統、高分辨率電視攝像係統、高靈敏度紅外成像係統等，這其中高精度非球麵透鏡、高分辨率電視中的光柵、紅外成像的碲鎘汞半導體元件等都必須用超精密加工技術才能製造出來。
對於飛機發動機來說，如果其轉子葉片的加工誤差由60微米減小到12微米，加工表麵粗糙度自0.5微米降到0.2微米，則發動機的壓縮效率將從87%提高到94%。又如傳動齒輪的齒形和齒距誤差從目前的3~6微米降低到1微米，則單位齒輪箱質量能傳遞的功率將提高近1倍。這樣的精密零件必須用超精密加工技術來製造。
（3）超精密加工的分類
根據加工方法的機理和特點，超精密加工可以分為超精密切削、超精密磨削、超精密研磨、超精密特種加工和複合加工等。
1）超精密切削。超精密切削的特點是借助鋒利的金剛石刀具對工件進行車削和銑削。金剛石刀具與有色金屬親和力小，其硬度、耐磨性以及導熱性都非常優越，並且能刃磨得非常鋒利，刃口圓弧半徑可小於0.01微米，可加工出小於0.01微米的表麵粗糙度。
2）超精密磨削。超精密磨削是在一般精密磨削基礎上發展起來的。超精密磨削不僅要提供鏡麵級的表麵粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。因此，對於超精密磨削係統，不僅要考慮各種工藝因素，還必須具有高精度、高剛度以及高阻尼特征的基礎部件，消除各種動態誤差的影響，並采取高精度檢測手段和補償手段。
3）超精密研磨。超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨主要用於加工高表麵質量、高平麵度的集成電路芯片和光學平麵及藍寶石窗口等。
4）超精密特種加工。超精密特種加工是指一些利用機械、熱、聲、光、電、磁、原子、化學等能源物理的、化學的非傳統加工方法實現的超精密加工。超精密特種加工的範圍很廣，如電子束加工、離子束加工、激光束加工等。
5）複合加工。複合加工是指采用幾種不同能量形式、幾種不同的工藝方法，互相取長補短、複合作用的加工技術，例如電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花、超聲切削加工等，比單一加工方法更有效，適用範圍更廣。
3.2.2超精密加工關鍵技術
（1）超精密加工設備與工藝技術的研究
目前，國內超精密加工設備的研製已初具規模，但在設備可靠性、可操作性等方麵還存在一定的差距，應加強超精密加工技術可靠性、實用性技術的研究。
隨著更多的新型高強度高硬度材料、智能材料、新型半導體材料的問世，首先要解決其加工問題。例如，衛星相機上用的碳化矽增強複合材料的加工工藝、紅外材料（諸如鍺、單晶矽、氟化鈣玻璃）的超精密車削工藝以及磷酸二氫鉀（KDP）晶體飛切加工工藝等有待於進一步深入研究。
非球麵零件在光學係統中應用十分廣泛，它可以減輕光學係統質量，提高成像質量和係統的可靠性。雖然國外對於非球麵的加工設備已經部分解禁，如國內已經進口了幾台Nanoform250超精密金剛石車床，但是對於加工直徑在300毫米以上的非球麵加工設備仍嚴格禁運。因此，盡快研製中大型非球麵曲麵超精密加工設備已經成為當務之急。
非軸對稱光學曲麵的性能比軸對稱非球麵曲麵更加優越，目前隻有美國、俄羅斯能夠加工此類產品。國內雖有一些高校和科研單位對這類曲麵的加工方法（如數控拋光、超精密車削等）進行了研究，但還不能真正用於產品加工。因此，應加緊研製五軸數控超精密加工中心，並在此基礎上進行非軸對稱光學曲麵加工工藝的研究。
超精密加工設備的關鍵部件有：
1）主軸係統。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，故主軸的回轉精度直接影響到工件的加工精度。現在超精密加工機床中使用的、回轉精度最高的主軸是空氣靜壓軸承主軸。空氣靜壓軸承的回轉精度受軸承部件圓度和供氣條件的影響很大，由於壓力膜的勻化作用，軸承的回轉精度可以達到軸承部件圓度的1/20~1/15，因此要使軸承的回轉誤差控製在10納米以內，軸和軸套的圓度須達到0.15~0.20微米。目前國內使用的空氣軸承主軸回轉精度可達0.05微米，而國外可達0.03微米。
2）超精密導軌。超精密加工機床導軌應動作靈活、無爬行，直線精度好，在使用中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。超精密加工機床常用的導軌形式有V-V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V-V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。液體靜壓導軌由於油的黏性剪切阻力而發熱量比較大，因此必須對液壓油采取冷卻措施。另外，其液壓裝置體積比較大，而且油路的維修保養麻煩。氣體靜壓導軌由於支承麵都是平麵，可獲得較大的支承剛度，幾乎不存在發熱問題，在維修保養方麵則要注意導軌麵的防塵。
在精度方麵，空氣導軌是目前最好的導軌。國際上空氣導軌的直線度可達（0.1~0.2）微米/250毫米，國內可達到0.1微米/200毫米，通過補償技術還可進一步提高導軌的直線度。
3）進給傳動係統。精密滾珠絲杠是超精密加工機床常采用的傳動元件。超精密加工機床一般采用滾珠絲杠，利用閉環控製最高可達0.01微米的定位精度。利用滾珠絲杠的微小彈性變形原理，可實現納米分辨率的進給。但絲杠的安裝誤差、絲杆本身的彎曲、滾珠的跳動及製造上的誤差、螺母的預緊程度等都會給導軌運動精度帶來影響。
摩擦驅動是通過摩擦把伺服電動機的回轉運動直接轉換成直線運動，實現無間隙傳動，由於結構上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，是一種非常適合超精密加工的傳動係統。Nanoform600超精密鏡麵加工機床的進給機構采用了這種裝置，在300毫米的行程上可獲得1.255納米分辨率、±0.1微米的定位精度。
直線電動機是一種將電能直接轉變成直線機械運動的動力裝置，適用於高速和高精度的場合。通常高速滾珠絲杠可在40米/分的速度和0.5g的加速度的情況下工作，而直線電動機加速度可達5g，其速度和剛度分別是滾珠絲杠的30倍和7倍。目前直線電動機傳動定位精密度可達到0.04微米，分辨率為0.01微米，速度可達200米/秒。
微進給機構在超精密加工領域獲得廣泛應用，它一般被用作微進給或補償工具，常用的有壓電陶瓷或電致伸縮、磁致伸縮伺服係統等。壓電陶瓷材料具有較好的微位移特性和可控製性，以壓電陶瓷為驅動器的基於彈性鉸鏈支承的微位移機構在目前來說是用得最多的。
（2）超精密加工刀具技術
超精密加工刀具技術主要是指超精密切削刀具、磨具以及刃磨技術。超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒（0.5~1.5克拉，1克拉=200毫克）、無雜質、無缺陷、淺色透明的優質天然單晶金剛石。它是目前世界上最硬的一種材料，維氏硬度高達6000~10000，是最合適的超精密切削刀具材料。由於它的刃口形狀直接反映到被加工材料的表麵上，因此金剛石刀具刃磨技術是值得研究的問題。刃磨技術包括晶麵的選擇、刃口刃磨工藝以及刃磨後刃口半徑的測量等三個方麵。
1）晶麵的選擇。由於天然金剛石晶體各向異性，各晶麵表現的物理力學性能不同，其製造難易程度和使用壽命都不同。經過準確定向製作的金剛石刀具的壽命、磨削性能、修研情況以及切削性能等都有不同程度的提高。
2）刃口刃磨工藝。刃口鈍圓半徑是一個關鍵參數，若極薄切削厚度欲達10納米，則刃口鈍圓半徑應為2納米。現在由於研磨技術的進步，國外報道研磨質量最好的金剛石刀具的刃口圓弧半徑可以小到數納米，我國現在研磨的金剛石刀具刃口圓弧半徑隻能達到0.1~0.3微米。
3）刃口半徑的測量。理論和實驗研究表明，刃口半徑越小，切屑厚度就越小，表麵加工質量就越高。傳統的刃口半徑測量方式有印膜法、光學法、切屑分析法及電子顯微鏡測量法。隨著掃描隧道顯微技術的發展及原子力顯微鏡在各個領域的應用，美國學者提出用原子力顯微鏡來測量刃口半徑的設想。雖然直接應用原子力顯微鏡來測量還存在一些問題，但這是目前金剛石刀具刃口半徑測量的一個發展方向。
近年來，新一代智能刀具技術也得到快速發展。新一代智能刀具具有切削過程的自主感知功能，可以自主實現溫度、振動、切削力以及刀具的磨損和破損檢測功能，通過全新的刀具設計和刀具製造技術實現從刀具被動加工向主動性和智能化方向發展，並帶動自適應智能製造係統的發展。
（3）精密測量技術
超精密加工必須具備相應的檢測手段和方法，不僅要對工件和表麵質量進行檢測，而且也要檢驗加工設備和基礎零部件的精度。目前，尺寸測量技術主要是激光幹涉技術和光柵技術。激光幹涉儀分辨率高，最高可達0.3納米，一般為1.25納米；測量範圍大，可達幾十米；測量精度高。
雙頻激光幹涉儀常用作超精密機床中的位置測量和位置控製測量反饋元件。由於激光波長受溫度、濕度、壓力的影響比較大，因此這種測量方法對環境要求很高。光柵測量工具對環境的要求相對較低，其分辨率可達0.1納米，測量範圍100毫米，精度±0.1微米，可以滿足超精密加工的使用要求。因此，光柵是很有前途的超精密測量工具。
非球麵檢測技術是光學非球麵加工首先要解決的關鍵問題。目前，非球麵型測量應用最多的方法是光波的幹涉測量法。該方法具有較高的測量精度和較好的空間分辨率，可以快速測量整個表麵，最高分辨率可達到亞納米級。但是對於不同的光學非球麵，必須準備相應的光學模板才能進行測量，這套測量係統通常結構非常複雜。
利用全息幹涉法可以測量非球麵，不過無論是采用標準非球麵還是采用計算機生成都必須製作一張全息片，而且對於不同方程的非球麵就必須有相應的全息片。到目前為止，國內製作全息片的工藝還隻局限於一些傳統的工藝，對於非球麵超精密測量所需的全息片基本上依賴於進口，這極大地限製了光學非球麵零件的測試及加工。目前進口一張非球麵超精密測量用的全息片需要一萬多美元，而且需要告訴對方非球麵的方程，這就涉及保密問題。特別是對於一些預研或在研以及沒有定型的項目，由於涉及非球麵的種類和數量較大，所需經費十分可觀，所以自行研製非球麵測量用的全息片已經成為當務之急。
目前國外最先進的工藝是采用計算機直接生成測量非球麵用全息片，並采用激光直接刻劃技術製作全息片，不僅大大降低了製作成本，而且縮短了製作周期。
（4）環境控製技術
超精密加工要求在一定的環境下工作，才能達到在精度和表麵質量上的要求。超精密加工的工作環境是保證加工質量的必要條件，影響環境的主要有溫度、濕度、汙染和振動等因素。
超精密加工所處的溫度環境與加工精度有著密切的關係。機床的幾何精度和工件的加工精度會隨著溫度的變化而變化。據有關文獻記載，精密加工中機床熱變形和工件溫升引起的加工誤差占總誤差的40%~70%。如精密加工100毫米長的鋁合金零件時，溫度每變化1℃，將產生2.25微米的誤差；如果要求保證0.1微米的加工誤差，環境溫度偏差須控製在0.05℃範圍內。
恒溫環境有兩個指標：一是恒溫基數，即空氣的平均溫度，我國規定的恒溫基數是20℃；二是恒溫精度，即平均溫度允許的波動量。加工質量要求越高，對恒溫精度要求越高。當前已經出現了±0.01℃的恒溫精度，它的維持需要采用許多特殊措施，如把整個設備浸入恒溫液體內。美國LLNL實驗室的油噴淋溫控係統可將溫度變化控製在0.005℃範圍內。
超精密加工對振動環境的要求越來越高。例如，在精密磨削時，隻有把振幅控製在1~2微米時，才能獲得0.01微米以下的表麵粗糙度。因此，超精密加工時必須采取有效措施，以消除振動的幹擾。對於工藝係統內部的振動幹擾，可采取防振措施，如高速回轉件的動平衡、優化係統結構、增加阻尼等。對於外部振源，可采用隔振措施，如把超精密加工設備安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上，並可使用空氣彈簧（墊）來隔離低頻振動。
空氣中的塵埃對超精密加工來說是不可忽視的因素。例如，精密加工計算機硬磁盤表麵時，粒度為1微米的塵埃就會劃傷加工表麵，從而導致不能正確記錄信息。超精密加工對環境的最高要求為：在1立方米空氣內大於0.01微米的塵埃數目小於10個；微粒直徑控製在0.3微米以下，甚至有的要求控製為0.1~0.01微米。
3.2.3超精密切削加工
（1）磁盤基片的鏡麵車削
磁盤存儲器是計算機的主要外部設備之一。隨著計算機技術的飛速發展，磁盤單位麵積的存儲密度也在不斷提高，磁頭在磁盤上的浮動高度急劇減小。要使磁頭與以3600轉/分的轉速旋轉的磁盤間穩定地保持0.3微米以下的間隙，磁頭快速、準確無誤地存取信息，就要求磁盤表麵具有很高的精度。例如，如果要求浮動高度為0.33微米，則磁盤表麵粗糙度就要求在0.015微米以下。這就對磁盤基片提出更高的加工要求：平麵度為0.025微米，表麵粗糙度為0.004微米。近年來，國外為了把磁盤記錄密度提高20倍以上，正在開發新的磁頭走行方式，即磁頭跳躍走行方式。目前世界上磁頭跳躍的最小間隔為3納米，使磁頭與磁盤之間沒有空氣層，間隙接近於零。為了減輕直接接觸磨損等機械損傷，又研究開發了負荷輕的超小型磁頭。由於磁頭超小型化，對磁頭和盤片平麵質量的加工要求更高了。因此，磁盤基片的高精度加工是磁盤存儲器開發中的重要課題。
磁盤基片使用平麵度好的鋁合金圓盤做毛坯，鋁板兩麵用金剛石車刀車削後進行退火處理，再進行表麵拋光。磁盤基片可在國產的SI-222型高精度磁盤車床上采用金剛石車刀加工，也可使用進口的超精密車床車削。
（2）飛機玻璃的鏡麵銑削
現代大型客機的窗戶是使用有機玻璃製成的。飛機起飛與降落時，玻璃屢遭大氣中夾帶的沙塵碰撞，飛行一定起降次數後，窗戶玻璃表麵就變十分粗糙，直接影響飛行員和乘客的視野，這就需要對玻璃進行重新拋光修複。采用傳統拋光方法，修複一塊玻璃通常需要1小時左右，當玻璃有較深的零星刻痕時，拋光時間更長。如采用鏡麵銑削方法，所需時間不到拋光時間的一半，從而大大縮短飛機維修時間。此法已被許多大飛機維修中心廣泛采用。
鏡麵銑削切削速度通常為30米/秒左右。鏡麵銑削平麵度可達0.1微米。其表麵粗糙度除取決於機床、刀具因素外，還與工件材料本身特性有關。為了能加工出完美的零件，主軸在換刀後必須進行動平衡，以盡量減少動不平衡對工件表麵造成的波紋。
3.2.4超精密磨削加工
超精密磨削技術是在一般精密磨削基礎上發展起來的一種亞微米級加工技術。超精密磨削一般多采用金剛石、立方氮化硼等超硬磨料砂輪，其加工誤差可達0.1微米以下，表麵粗糙度小於0.025微米。鏡麵磨削一般是指加工表麵粗糙度達到0.02~0.01微米、表麵光澤如鏡的磨削方法，它也屬於超精密磨削加工範疇。要達到鏡麵水平，磨粒的粒度必須盡可能小，如2微米甚至0.2微米，因此就得使用金剛石微粉砂輪。由於微粉砂輪極易堵塞，就必須經常進行修整。
為了減少因砂輪修整而產生的輔助時間，實現高效鏡麵磨削，電解在線修整（ELID）法於1987年被開發出來。ELID鏡麵磨削使用特製的鐵基結合劑細粒度金剛石砂輪或立方氮化硼砂輪，電解修整砂輪用的電解液同時用作磨削液（要求這種電解液不腐蝕機床）。用ELID鏡麵磨削新工藝磨出的不同試件（光學玻璃平麵、矽片平麵和陶瓷內孔）的磨削表麵粗糙度可以達到鏡麵水平（表麵粗糙度為0.02～0.01微米）。ELID精密鏡麵磨削工藝具有極好的生產應用前景。現在我國哈爾濱工業大學研究並掌握了這項精密磨削新工藝。
3.2.5超精密加工技術的新進展
（1）超精密切削機製的研究
目前，使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機製的研究取得了新的進展。由超精密切削所形成加工表麵的計算機模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶麵時的切削力可以看出，由於晶體的各向異性，導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬，可以對超精密切削極薄材料的動態切除過程進行觀察和分析，並能對切除過程進行動畫演示。
（2）超精密機床的發展情況
研發超精密機床是發展超精密加工的重要前提。超精密機床的發展方向是：進一步提高超精密機床的精度，發展大型超精密機床，發展多功能和高效專用超精密機床。美、英、德、日等國早在二十世紀七八十年代就開始生產超精密機床。如美國的立式大型光學金剛石車床和大型六軸數控精密研磨機，英國的OAGM-2500型多功能三坐標聯動數控磨床等，都是世界一流的大型超精密機床。我國現在雖能生產一些中小型超精密機床，但在超精密機床技術方麵，我們與國外先進水平相比還有相當大的差距，國產超精密機床的質量水平尚待進一步提高。在大型超精密機床方麵，目前美、英、俄等國都擁有自行開發的大型超精密機床，而我國由於沒有大型超精密機床，因此無法加工大直徑曲麵反射鏡等大型超精密零件，國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限製，從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發展。現在我國正在加緊研製大型超精密機床。在多功能和高效專用超精密機床方麵，目前我國基本上仍是空白。
（3）超精密加工工藝技術研究
在超精密車、鏜、銑、磨削工藝技術方麵，目前國外的發展趨勢是：發展多軸、高動態工藝，可實現複雜形麵超精密複合加工。例如，金剛石單點超精密車削的快刀伺服和慢刀伺服工藝，可以直接車削加工光學非回轉對稱曲麵、光學陣列麵和多個曲麵組合麵。使用遊離磨料加工的研磨、珩磨、拋光類工藝，用於加工高表麵精密、極小粗糙度和高表麵完整性零件，工藝技術發展很快。以光學零件加工工藝為例，第一代工藝技術為經典機械研拋技術，以加工平麵和球麵為主；第二代工藝技術為基於數控機械研拋的技術，如數控小工具研拋技術，可以加工非球麵零件。目前國際上發展的第三代可控柔體研拋技術，其研拋柔度（或剛度）可通過計算機來控製。它具有多維控製、模型穩定性好、收斂比高、精度高等優點，有應力盤、磁流變、離子束、射流、氣囊進動等研拋工藝。
超精密加工不僅有“極限加工”高精度高技術的一麵，而且已在國民經濟和人民生活的各個領域取得巨大效益，今後將進一步進入國民經濟主戰場，提高國家的綜合實力。
3.3微細/納米加工技術
3.3.1微細/納米加工技術的提出
（1）微型機械及其特征
當看到一隻酷似蜜蜂的昆蟲在頭頂盤旋時，你要注意了，因為它有可能是“間諜蜜蜂”。據英國《每日郵報》報道，早在多年前美國軍方就開始利用仿生學原理研製此類微型飛行器。這種蜜蜂大小的“間諜飛機”可以不被察覺地飛進大樓裏，進行拍照、錄音甚至攻擊危險分子。
美國特種部隊已經開始使用的“黃蜂”無人機是現役體型最小的無人機，質量不足1磅（1磅=454克），其特長在於近距離偵察。
日本精工愛普生公司研製的“微型飛行機器人”樣機，是世界上最小的無人駕駛直升機，質量隻有9克，高度僅為2.8厘米。
這些令人不可思議的微小機械不勝枚舉。進入人體的微型醫療機械和管道自動監測裝置也都需要微型齒輪、電動機、傳感器和控製電路。這種以本身形狀尺寸微小或操作尺度極小的微機械已經成為人們在微觀領域認識和改造客觀世界的高新技術。
早在1959年，著名量子物理學家、諾貝爾物理獎獲得者理查德·費曼就預言，人類可以用小的機器製作更小的機器，最後將發展到根據人類自己的意願逐個地排列原子，製造產品。1962年，世界第一個矽微型壓力傳感器問世，後又成功地加工出了如微型齒輪、齒輪泵、氣動蝸輪等微型機械機構，其尺寸為50~500微米。1975～1985年是微型機械的醞釀期，這一階段主要是用大規模集成電路製作技術製作微型傳感器。1986～1989年是微型機械的產生期。1987年，美國加利福尼亞大學伯克利分校研製出轉子直徑僅為60~120微米的矽微型靜電電動機。從1988年開始，美國國家科學基金資助麻省理工學院、加利福尼亞大學等8所大學和貝利實驗室從事微型機電係統的開發。1991年，日本啟動了一項為期10年、耗資250萬日元的“微型機械研究計劃”。德國和法國等歐洲工業發達國家也相繼對微型係統的研究開發進行了重點投資。我國國家自然科學基金委員會也於1992年把微型機電係統製造基礎理論與基礎技術研究列為重點資助項目。1994年，《美國國防部國防技術計劃》將微型機電係統列為關鍵技術項目。
由上所述，無論是日本的“微型機械”，還是美國的“微型機電係統”，還是德國的“微型係統”，廣義上均指集微型機構、微型傳感器、微型執行器、信號處理係統、電子控製電路，以及外圍接口、通信電路和電源等於一體的微型機電一體化產品。現在比較通用的說法是微機電係統。它具有以下幾個特征：