1、精密加工技術(shù)——解讀

       目前，精密加工是指加工精度為1~0.1μm，表面粗糙度為Ra0.1~0.01μm的加工技術(shù)，但這個界限是隨著加工技術(shù)的進(jìn)步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解決的問題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面狀況，有時有無表面缺陷也是這一問題的核心；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取得高的加工效率。精密加工應(yīng)該包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、光整加工等加工技術(shù)。

       2、幾種常用的精密加工方法及特點(diǎn)

       傳統(tǒng)的精密加工方法有布輪拋光、砂帶磨削、超精細(xì)切削、精細(xì)磨削、珩磨、研磨、超精研拋技術(shù)、磁粒光整等。

       ①砂帶磨削

       是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進(jìn)行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、使用范圍廣等特點(diǎn)。國外在砂帶材料及制作工藝上取得了很大的成就，有了適應(yīng)于不同場合的砂帶系列，生產(chǎn)出通用和專用的砂帶磨床，而且自動化程度不斷提高(已有全自動和自適應(yīng)控制的砂帶磨床)，但國內(nèi)砂帶品種少，質(zhì)量也有待提高，對機(jī)床還處于改造階段。

       ②精密切削

       也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，如計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等，比一般切削加工精度要高1~2個等級。

       例如用精密車削加工的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子柱塞孔圓柱度為0.5~1μm，尺寸精度1~2μm；紅外反光鏡的表面粗糙度 Ra0.01~0.02μm，還具有較好的光學(xué)性質(zhì)。從成本上看，用精密切削加工的光學(xué)反射鏡，與過去用鍍鉻經(jīng)磨削加工的產(chǎn)品相比，成本大約是后者的一半或幾分之一。

       但許多因素對精密切削的效果有影響，所以要達(dá)到預(yù)期的效果很不容易。同時，金剛石刀具切削較硬的材料時磨損較快，如切削黑色金屬時磨損速度比切削銅快104倍，而且加工出的工件的表面粗糙度和 幾何形狀精度均不理想。

       ③超精密磨削

       用精確修整過的砂輪在精密磨床上進(jìn)行的微量磨削加工，金屬的去除量可在亞微米級甚至更小，可以達(dá)到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。尺寸精度0.1~0.3μm，表面粗糙度Ra0.2~0.05μm，效率高。應(yīng)用范圍廣泛，從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼等難切削材料，及半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料，幾乎所有的材料都可利用磨削進(jìn)行加工。

       但磨削加工后，被加工的表面在磨削力及磨削熱的作用下金相組織要發(fā)生變化，易產(chǎn)生加工硬化、淬火硬化、熱應(yīng)力層、殘余應(yīng)力層和磨削裂紋等缺陷。

       ④珩磨

       用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復(fù)運(yùn)動，加工后的表面粗糙度可達(dá)Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用來 加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。

       ⑤精密研磨與拋光

       通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機(jī)械摩擦，使工件達(dá)到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達(dá)到其他加工方法所不能達(dá)到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工變質(zhì)層很小，表面質(zhì)量高，精密研磨的設(shè)備簡單，主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。

       但精密研磨的效率較低，如干研速度一般為10~30m/min，濕研速度為20~120m/min。對加工環(huán)境要求嚴(yán)格，如有大磨料或異物混入時，將使表面產(chǎn)生很難去除的劃傷。

       ⑥拋光

       是利用機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)的方法對工件表面進(jìn)行的一種微細(xì)加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光及電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工等。

       手工或機(jī)械拋光是用涂有磨膏的拋光器，在一定的壓力下，與工件表面做相對運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對工件表面的光整加工。加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。手工拋光的加工效果與操作者的熟練程度有關(guān)。

       超聲波拋光是利用工具端面做超聲振動，通過磨料懸浮液對硬脆材料進(jìn)行光整加工，加工精度 0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。超聲拋光 設(shè)備簡單，操作、維修方便，工具可用較軟的材料制作，而且不需作復(fù)雜的運(yùn)動，主要用來加工硬脆材料，如不導(dǎo)電的非金屬材料，當(dāng)加工導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料時，生產(chǎn)率較低。

       化學(xué)拋光是通過硝酸和磷酸等氧化劑，在一定的條件下，使被加工的金屬表面氧化，使表面平整化和光澤化。化學(xué)拋光設(shè)備簡單，可以加工各種形狀的工件，效率較高，加工的表面粗糙度一般為Ra≤0.2μm，但腐蝕液對人體和設(shè)備有損傷，污染環(huán)境，需妥善處理。主要用來對不銹鋼、銅、鋁及其合金的光亮修飾加工。

       電化學(xué)拋光是利用電化學(xué)反應(yīng)去除切削加工所殘留的微觀不平度，以提高零件表面光亮度的方法。它比機(jī)械拋光具有較高的生產(chǎn)率和小的表面粗糙度：一般可達(dá)Ra0.2μm，若原始表面為Ra0.4~0.2μm，則 拋光后可提高到       Ra0.1~0.08μm，加工后工件具有較好的物理機(jī)械性能，使用壽命長，但電化學(xué)拋光只能加工導(dǎo)電的材料。隨著電化學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展，還產(chǎn)生了多種新型的復(fù)合加工方法，例如超精密電解磨削、電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整加工、電化學(xué)超精加工等。

       它們主要以降低工件的表面粗糙度值為目的，加工去除量很小，一般在0.01~0.1mm，對于表面粗糙度達(dá)到Ra0.8~1.6μm的外圓，平面、內(nèi)孔及自由曲面均可一道工序加工到鏡面，表面粗糙度Ra0.05μm，甚至更低。電化學(xué)機(jī)械加工屬于一種加工單位極小的精密加工方法，從原理上講加工精度可以達(dá)到原子級，所以加工精度具有大的潛力，但由于左右其加工精度的因素目前還不是很清楚，所以在實(shí)際應(yīng)用中，其加工表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，這在很大程度上限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

       3、超精密加工的發(fā)展趨勢

       國外精密加工技術(shù)的發(fā)展是從上世紀(jì)70年代初期開始的，主要集中在美、日、英等國家，上世紀(jì)80年代中期取得了舉世矚目的成果，并在1977年日本精密工學(xué)會精密機(jī)床研究專業(yè)委員會對機(jī)床的加工精度標(biāo)準(zhǔn)提出補(bǔ)充IT-1和IT-2兩個等級。附表是補(bǔ)充后該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，由此可以看出比原來的IT0級精度提高了許多。

       目前精密加工所能達(dá)到的加工精度距加工的極限還有相當(dāng)?shù)木嚯x。國外有人聲稱已開發(fā)了以原子級去除單位的加工方法，但目前還未在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。為了促進(jìn)精密加工技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)深入研究和探討下列幾個問題。

       ①基于新原理的加工方法

       努力開發(fā)加工單位極小的精密加工方法，必須在加工機(jī)理的本身就使其誤差分散在1nm以下的水平。目前加工單位比較小的加工方法主要有彈性破壞加工、化學(xué)加工、離子束加工、電子束加工、等離子體加工等。目前的金剛石切削和金剛石砂輪精密磨削從其加工機(jī)理上看，其加工單位就很大，從本質(zhì)上講，要想得到0.05μm以下的精度

       ②開發(fā)精密的機(jī)械機(jī)構(gòu)

       不論是加工裝置還是測量裝置，都需要精密的機(jī)械機(jī)構(gòu)，包括導(dǎo)軌、進(jìn)給機(jī)構(gòu)及軸承等，超精密空氣靜壓導(dǎo)軌是目前最好的導(dǎo)軌，其直線度可達(dá)(0.1~0.2)μm/250mm，通過補(bǔ)償技術(shù)還可以進(jìn)一步提高直線度，但是它沒有液體靜壓導(dǎo)軌的剛性大。

       同時，由于空氣靜壓導(dǎo)軌的氣膜厚度只有10μm左右，所以在使用過程中，要注意防塵。另外 ，在導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)中，還可以用多根導(dǎo)軌并聯(lián)來均化氣膜的誤差。用高彈性合金、紅寶石制造的滾動導(dǎo)軌，系統(tǒng)誤差在0.5μm左右，隨機(jī)誤差可能超過0.1μm。

       目前超精密加工中所使用的磁懸浮軸承主軸精度低于空氣靜壓軸承主軸，空氣靜壓軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.05μm，國外的可達(dá)0.03μm，但這仍 然無法滿足納米加工對主軸的精度要求。

       要想提高空氣靜壓軸承主軸的回轉(zhuǎn)精度就必須提高軸承的回轉(zhuǎn)精度，而空氣靜壓軸承的回轉(zhuǎn)精度受軸承部件的圓度和供氣條件的影響，由于壓力膜的作用，軸承的回轉(zhuǎn)精度是軸承部件圓度的1/15~1/20，所以，要得到10nm的回轉(zhuǎn)精度，軸和軸套的圓度要達(dá)到0.15~0.20μm，同時為了氣體流出的均勻性，對于納米級的主軸，多采用

       ③開發(fā)高精度的測試系統(tǒng)

       在目前的超精密加工領(lǐng)域中，對加工精度的測量主要有兩種方法；激光檢測和光柵檢測，而光柵的應(yīng)用最為廣泛。目前光柵的測量精度可達(dá)nm級，如北京光電儀研究中心的光柵系統(tǒng)可達(dá)0.1μm，俄羅斯的全息光柵系統(tǒng)達(dá)10nm，LG100光柵系統(tǒng)的分辨率可達(dá)0.1μm，測量范圍為100mm。

       開發(fā)系統(tǒng)誤差小、精度高和可靠性高的檢測儀器和控制裝置的前提是開發(fā)高性能的傳感器以及伺服從動機(jī)構(gòu)。如果開發(fā)出高性能的傳感器以及伺服機(jī)構(gòu)及高精度、高速度、和高可靠性的讀出裝置，就可通過使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測、分析及計(jì)算，以提高檢測精度。

       與超精密加工有關(guān)的技術(shù)問題還有很多方面，如溫度控制技術(shù)、振動控制技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)等。比如材料的彈性變形和熱變形，就很難使材料的去除加工達(dá)到原子級的精度，長100mm 的鋼制零件，要控制其熱變形在0.01mm 以內(nèi)，就必須控制溫度變化在0.01℃以內(nèi)，這在加工領(lǐng)域還很難實(shí)現(xiàn)。只要在上述的一個方面取得發(fā)展或突破，必將導(dǎo)致精密加工技術(shù)的高速發(fā)展。

       ④開發(fā)適用于精密加工并能獲得高精度、高表面質(zhì)量的新型材料 例如最近開發(fā)超微粉燒結(jié)金屬、非結(jié)晶金屬、超微粉陶瓷、非結(jié)晶半導(dǎo)體陶瓷、復(fù)合高分子材料等。只要在上述的一個方面取得發(fā)展或突破，必將導(dǎo)致精密加工技術(shù)的高速發(fā)展。

       4、總結(jié)

       精密加工方法在今天顯得越來越重要，精密加工技術(shù)已成為目前高科技技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，提高超精密加工的精度已成為目前迫在眉睫的問題。

       目前，很多學(xué)者正在這方面做著大量的研究和實(shí)驗(yàn)，相信不久的將來，超精密加工會取得長足進(jìn)展。