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超精密加工通常可定義為利用分辨率低至 10 納米（0.4 微英寸）或更低的機床從基底上去除材料的過程。該加工過程可以采用單點金剛石車削或自由形狀加工的形式。
盡管單點金剛石車削技術已經存在了五十多年，但其最重要的技術進步卻是在 20 世紀 80 年代才出現的。如今，金剛石加工已成為一種成熟且經濟實惠的工藝，可用于制造高精度的光學元件以及需要微英寸級尺寸精度的機械部件。
自由成型加工也被證明是一種有效的制造工藝。自由成型的光學表面是指其在任何軸線上都不對稱的表面。多軸加工和測量系統是制造這些光學組件所必需的，這些組件采用各種材料制成。圖 1 展示了一臺商業化的單點金剛石車削和磨削機床。這種機床提供了一種可靠且經過驗證的確定性方法，用于生產各種各樣的電/光學組件，包括熱成像和夜視系統、用于二氧化碳和釔鋁石榴石激光應用的反射鏡、用于紫外線和微光刻的晶體材料、化學鍍鎳透鏡模具鑲片、塑料鏡片、通信組件和對準裝置。
圖1、納米成型設備平臺
當與超精密無振動機床、緊湊的剛性刀座以及穩定且平衡良好的夾具相結合時，單晶天然金剛石切削工具能夠干凈且高效地從基材上去除材料。由于金剛石刀具切削刃的極佳鋒利度，加工過程中產生的力非常小。最終得到的表面在表面光潔度和形狀精度方面都具有光學特性。此外，單晶金剛石切削工具還具有其他一些獨特的物理特性，使其非常適合超精密加工應用。
工具磨損最小化
在按照光學標準加工部件時，工具的極微小磨損都可能對加工表面的質量產生不利影響。由于金剛石工具具有極高的硬度和耐磨性，因此在整個加工過程中，它們能比其他工具更好地保持其鋒利的切削刃質量。這使得加工出的光學表面具有高反射率、低散射性，其形狀精度在 2 至 4 微英寸（峰谷值）范圍內，這是使用 632.8 納米波長的激光干涉儀測量得出的。圖 2 展示了在商用設備上單點金剛石加工后的電鍍鎳工件的形狀和表面圖。
圖2、化學鍍鎳工件上金剛石車削的結果
與碳化物或立方硼氮化物（CBN）刀具不同，它們的晶粒結構是隨機分布的，而單晶金剛石刀具則具有非常清晰且明確的晶粒結構。在將刀具安裝到刀柄中時，刀具制造商會將刀具的方向調整到能夠最大程度地利用金剛石最堅硬的部分。這一結構是在頂刃（在金剛石的 110 平面上生成）和刀尖半徑（在金剛石的 100 平面上生成）的交界處形成的。這種方向設置能夠實現最長的刀具使用壽命，同時還能最大限度地提高刀具的耐磨性。由于單晶晶粒結構的存在，金剛石刀具可以被磨削到原子間距的水平，大約為 3 至 5 埃。
表 1.機加工所用材料
將金剛石正確地安放在鉆桿中，并結合精確的磨削、研磨和拋光技術，能夠精確控制尖銳的邊緣弧度。這意味著金剛石工具的形狀在整個切削弧段（通常為 100°）內都能控制在微英寸的精度范圍內。在需要達到零件輪廓精度的最高要求時，控制邊緣波紋性至關重要，因為這可以減少從工具直接傳遞到工件的誤差的可能性。
由于金剛石的摩擦系數極低，因此在加工過程中產生的切屑會自然地沿著刀具的前刀面滑動并遠離工件。這避免了切屑在刀具切削刃處的堆積，從而最大程度地減少了對工件的刮擦。此外，由于其特別鋒利的切削刃和極低的摩擦系數，加工過程中產生的熱量極少。在加工過程中產生的少量熱量會因金剛石刀具的高導熱性而迅速從工件上被帶走。而且由于金剛石的膨脹系數極低，刀具在加工過程中保持非常穩定的狀態。這意味著刀具的幾何形狀保持不變，這對于實現最佳質量的光學表面至關重要。
加工用材料
在大多數情況下，許多非金屬材料都非常適合進行金剛石加工。此外，一些聚合物和晶體也適用。表 1 列出了經過不同程度嘗試后完成金剛石加工的材料。
有幾種材料無法通過單點金剛石加工方式進行加工，其中最明顯的就是鐵質金屬和光學玻璃。使用金剛石切削工具無法加工鐵質金屬的原因在于，在有氧氣存在的情況下，金剛石與碳會發生化學反應。這種化學反應會導致石墨化現象，從而迅速損壞金剛石刀具的切削刃。
圖 3、鐵質或玻璃材質可以通過現有的設備獲得復雜的幾何形狀表面
無法用金剛石加工玻璃的原因在于同樣的原理。玻璃中的硅元素與金剛石中的碳元素發生化學反應，生成硅碳化物，這也導致了石墨化現象。而對于鐵質或玻璃材料，復雜的幾何表面是通過現有的機器進行研磨的（圖 3）。在加工過程中，非球面形狀測量裝置能夠使工件被研磨至達到 632.8 納米時的λ/6 的精度（圖 4）。然后通過后拋光技術進一步改善表面光潔度，使其達到 4 至 8 納米（圖 5）。
鍍層
如果需要以鋼作為基底材料，可以采用電鍍或化學鍍的方式在其表面鍍上一層薄薄的鎳層。由于電化學鎳鍍具有金剛石可加工性，因此可以對工件進行單點金剛石加工，以達到所需的光學精度。在使用電鍍時，建議所有需要鍍覆的表面鍍層厚度約為 0.008 至 0.010 英寸，且鍍層中的磷含量應在 10%至 12%之間。較高的磷含量與對鑲片進行適當的熱處理相結合，可使表面達到洛氏硬度 50 Rc 的水平。
圖 4、在線非球面形狀測量設備可實現高精度測量
電鍍鎳處理過的鋼基底的一個典型應用是在眼科和相機行業大規模生產塑料鏡片的過程中。電鍍鎳工藝被應用于經過粗加工的不銹鋼鏡片模具上。然后，將毛坯進行單點金剛石加工，以達到最終要求（圖 6）。這包括非球面輪廓的加工，以及模具成型過程中所需的任何對準表面的加工。增加鎳的厚度可以進行鏡片插件的返工。完成的鏡片插件隨后用于注塑成型過程，以復制塑料鏡片。
自由曲面光學器件
更小、更具競爭力的光學元件正在推動消費電子市場的發展。在設計和制造光學元件方面，一個主要的挑戰在于如何以經濟高效的方式制造出符合要求的成形或自由形態元件，并將其應用于各種儀器和設備中。自由形態的光學表面是指那些不關于任何軸對稱的表面。要制造這些要求苛刻的光學元件，就需要多軸加工和測量系統。
圖 5、隨后通過拋光技術對表面進行了進一步的改善
激光打印機的掃描鏡是眾多利用玻璃或塑料元件來構成系統的應用之一。解決這一問題的最初方法是使用多個鏡片和元件來構建一個系統。而自由成型技術則通過使用一系列非球面鏡片和元件實現了組件的減少。
通過將光學系統中的透鏡替換為一個單一的自由曲面反射鏡，組件數量得以減少，同時實現了尺寸和成本的降低等多重好處。使用較短波長的激光可改善打印輸出，從而實現光斑尺寸的縮小。相反，在成本較低的批量生產打印機中，可以使用長波長的激光，并搭配相同的自由曲面光學掃描系統。
圖6、坯料采用單點金剛石加工，達到最終要求
采用自由形狀鏡面的設計目標使得組件尺寸得以減小，精度也有所提高。一個典型的例子是，一個直徑為 270 毫米的現有組件被縮小到了 110 毫米，而元件的精度則從 0.4 微米提高到了 0.15 微米或更高。
這種新型光學元件是通過一套專為制造非旋轉、對稱自由曲面光學元件而設計的多軸機床系統制造而成的。重要的是，該系統提供了至少三個運動軸。高剛度的油潤滑滑動導軌與用于驅動滑動導軌的直線電機是確保這些軸運行更平穩以及實現更佳閉環控制的關鍵因素。
機器方面的考量
成功進行單點金剛石加工的關鍵要素在于機器本身。金剛石車削機必須完全消除內部和外部的振動。機器部件，尤其是機床滑塊，必須具備極高的幾何精度。由于光學部件所需的精度極高，任何誤差都會直接傳遞到工件上。在將機器用于超精密加工應用時，用戶應將以下特性納入機器中。
機器底座必須牢固地安裝在由鋼材制成的框架中。底座應通過使用減震器與框架隔離開來。較小的機器（重量小于 1000 千克）通過使用被動減震器即可得到充分隔離。較大的機器（重量大于 1000 千克）則最好配備具有自動調平功能的主動式氣動隔離系統。機器的設計應確保長期的熱穩定性，并具備高度的減震效果。
在進行亞微米級精度的加工時，滑塊的直線度和平滑度至關重要。機床滑塊在整個滑動行程中必須具備水平和垂直方向上約 0.25 微米的直線度精度。短期直線度必須優于 50 納米，且在任何 10 毫米的行程范圍內都要如此。這樣就能確保工件的精度達到λ/8，表面粗糙度小于 50 納米，并且誤差極小。雖然許多類型的滑塊都能提供 0.5 微米或更低的直線度，但這種含油設計提供了極高的極其平滑的運動性能。
軸承表面應設計成對稱結構，以確保在加工周期內實現平穩、無摩擦的運動，從而能夠在各種金剛石加工材料上達到約 1 至 2 納米的表面粗糙度。圖 7 展示了鍺的典型表面粗糙度情況。
圖7、鍺的典型表面粗糙度
為了進一步提升金剛石車削機的性能，應為其配備帶有對稱推力軸承設計和主動散熱功能的預加載氣浮主軸。因為氣浮主軸不存在金屬與金屬的滑動或滾動接觸，所以振動極小。它們還具有極低且可重復的摩擦力。這意味著熱膨脹量極小，主軸運行期間幾乎不存在磨損。此外，與液壓油浮滑架一樣，氣浮主軸具有巨大的軸承平均效應。這意味著主軸的旋轉不僅幾乎無摩擦，而且極其平穩。這種平穩性，再加上徑向和軸向的跳動不超過 50 納米，極大地有助于實現最高質量的工件精度。
為了實現光學制造所需的精密切加工精度（8.6 納米或更低），滑塊的定位和速度控制應通過使用線性玻璃尺與先進的伺服控制系統相結合的方式來實現。線性玻璃尺不會受到氣壓或相對濕度變化的影響。
在加工復雜的光學部件（尤其是非球面部件）時，必須在機器上使用計算機數控系統。該數控系統操作簡便、用戶友好。它負責控制機器的各項功能，并執行所有零件程序。
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