淺析精密及超精密機械加工技術

摘要：超精密機械加工是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要手段。隨著對高科技產品質量和多樣化的要求日益提高，對超精密機械加工提出更多、更高的要求。本文介紹了幾種主要的超精密加工技術及其應用范圍、國內外研究現狀、發展過程與趨勢以及未來應研究開發的重要問題同時對超精密加工的技術發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：超精密機械加工技術 表面加工 研究現狀 發展趨勢

一、精密及超精密機械加工技術概述

精密和超精密機械加工技術是現代機械制造業最主要的發展方向之一，已成為在國際競爭中取得成功的關鍵技術。這一方面是因為，尖端技術和國防工業的發展離不開精密和超精密加工技術，當代精密工程、微細工程和納米技術是現代制造技術的基礎，也是明天技術的基礎。另一方面很多新技術機電產品要提高加工精度，這促使精密和超精密加工技術得到發展和推廣，提高了整個機械制造業的加工精度和技術水平，使機械產品的質量、性能和可靠性得到普遍的提高，大大提高了產品的競爭力。

精密加工和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段。由于生產技術的不斷發展，劃分的界限將隨著歷史進程而逐漸向前推移，過去的精密加工對今天來說已是一般加工，因此，其劃分的界限是相對的，并且在具體數值上至今沒有準確的定義。

當前，精密加工是指加工精度為1～0.1μm、表面超糙度為及Ra0.1～0.01μm的加工技術；超精密加工是指加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于及Ra0.025μm的加工技術，又稱亞微米級加工。但目前超精密加工已進入納米級，并稱為納米加工及相應的納米技術。

三、精密及超精密機械加工主要技術

精密和超精密加工包含三個領域：1.超精密切削加工；2.精密和超精密磨削和研磨；3.精密特種加工，如電子束、離子束加工等。

1.超精密切削

要實現超精密切削，切出超光滑的鏡面，除要求超精密機床外，高質量的金剛石刀具是最重要的關鍵。超精密切削中，金剛石刀具的關鍵是刀刃必須磨得極其鋒銳，即刀刃半徑p值應甚小，這樣才能切出高質量的鏡面，加工表面粗糙度Ra<0.01μm，表面層殘留應力小，變質層小，并能實現極小的切削厚度。國外報導研磨質量最好的金剛石刀具，刃口半徑可以小到數納米的水平，而國內現有的金剛石刀具，刃口半徑只能達到0.1～0.3μm。

2.超精密磨削

超精密加工發展初期，磨削這種加工方法是被忽略的，因為砂輪中磨粒切削刃高度沿徑向分布的隨機性和磨損的不規則性限制了磨削加工精度的提高。隨著超硬磨料砂輪及砂輪修整技術的發展，超精密磨削技術逐漸成形并迅速得到發展。

（1）超硬磨料砂輪。超硬磨料砂輪是指由金剛石或CBN磨料制成的砂輪。金剛石砂輪適于磨削硬、脆有色金屬和硬質合金、光學玻璃、陶瓷、寶石等高硬度、高脆性的非金屬材料，CBN砂輪適于磨削淬硬鋼、耐熱合金和高硬度、高韌性的金屬材料，兩者相互補充幾乎涵蓋了所有被加工材料。

（2）超硬磨料砂輪修整技術。超硬磨粒砂輪具有優良的耐磨損能力，不需經常修整，但在初始安裝和使用磨鈍后修整卻比較困難。傳統的修整方法往往通過剪切和擠壓作用去除磨粒達到修整的目的，修整過程難控制，修整精度低、砂輪損耗大。為此，國內外學者還提出了多種修整方法，如電解在線修整（ELID）、電化學在線控制修整（ECD）、干式（ECD）、接觸式電火花修整（ECDD）、電化學放電加工（ECDM）、激光輔助修整、噴射壓力修整、超聲振動修整等。其中以ELID 技術最為典型，應用最為成熟。

四、超精密機械加工技術前景展望及發展趨勢預測

1.國內本領域發展狀況

我國1965年研制出鏡面外圓磨床，加工圓度優于0.3μm，表面粗糙度Ra0.01μm以下。1968年研制成功單晶金剛石鏡面車床，可使黃銅件的表面粗糙度達Ra0.025μm以下。20世紀70年代后期制成了高精度磁盤車床，主軸回轉精度值優于0.2μm。進入20世紀80年代后，各個行業相繼投入了更多的人力物力對超精密加工技術與裝備進行了深入研究，陸續研制成功了超精密加工設備，特別是在20世紀90年代后期多家單位相繼研制成功了非球面超精密加工設備，這標志了我國超精密加工設備的水平上到了一個新的臺階。但是和國外相比還有很大差距。如加工非球曲面的超精密車床還沒有產品，高分辨率精密數控伺服系統和多路激光測量定位系統國內還不能生產，而國外對我們禁運，精密主軸部件、微位移機構、機床熱變形和恒溫控制技術、隔振防振技術、機床結構的穩定性等多項關鍵技術巫待研究。

2、發展趨勢

首先，為追求加工精度的而生的精密和超精密加工將從亞微米級向納米級發展，以納米技術為代表的超精密加工技術和以微細加工為手段的微型機械技術代表了這一時期精密工程的方向。由于航天、航空、生物化學、地球物理等技術的發展，超精密加工已深入到物質微觀領域，不僅是分子、原子，而進入量子，在量子力學的指導下發展；并且，精密和超精密加工是一項綜合性的高技術，是一個系統工程，強調了人、組織、技術三結合。精密和超精密加工不僅在科研上有極限加工高新技術的一面，而且己進人國民經濟的主戰場，與人民生活的各個領域密切相關，并已取得重大的經濟效益和社會效益；同時，由于整個工業生產水平的提高產品質量要求越來越嚴格，不僅在精度上，而且在表面微觀質量上提出了更高要求，因此，探索表面微觀世界的奧秘就提到日程上來。

參考文獻：

[1]：田桂蘭，朱新榕. 超精密加工機的機械設計.機械開發. 1998.3

[2]：袁巨龍，張飛虎，戴一帆，康仁科，楊 輝，呂冰海.超精密加工領域科學技術發展研究.機械工程學報.2010.15.161

[3]：王先逵.超精密加工切削和磨削機理研究.焦作大學學報.2002.6.2

[4]：袁巨龍，王志偉，文東輝，呂冰海，戴 勇.超精密加工現狀綜述.機械工程學報.2007.1.43（1）

[5]：何旺，胡忠舉.零件表面機械加工成形方法的運動方式分析.煤炭技術.1999.12.18（6）