機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)

李書明

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)泰東實(shí)業(yè)有限公司，濟(jì)南 271104）

智能技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝的融合，給我國有關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了契機(jī)[1]。機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)大體包括技術(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方法設(shè)計(jì)等流程。隨著仿真技術(shù)和系統(tǒng)工程的逐步發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)流程更加合理，機(jī)械設(shè)計(jì)效率更高[2]。精密加工技術(shù)被普遍應(yīng)用于研磨及模具成形工作，在工件的精密加工環(huán)節(jié)被廣泛應(yīng)用，直接影響著加工工件的精度。精密加工技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造中，能夠提高機(jī)械制造的精準(zhǔn)性，對相關(guān)設(shè)備的制造質(zhì)量提升起著關(guān)鍵作用[3]。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)的特點(diǎn)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)具備關(guān)聯(lián)性、競爭性和國際性3大特點(diǎn)。關(guān)聯(lián)性是指機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)在應(yīng)用過程中的緊密聯(lián)系，貫通機(jī)械生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。任何環(huán)節(jié)出問題都會(huì)對機(jī)械制造的整體效果產(chǎn)生影響，因此需實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步[4]。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，競爭性對機(jī)械制造的數(shù)量及種類提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

目前，機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝呈現(xiàn)出智能化、系統(tǒng)化和模塊化的特點(diǎn)。智能化依托有關(guān)設(shè)計(jì)理論，利用三維圖形軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及智能設(shè)計(jì)類軟件，通過多媒體等方式開展產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，進(jìn)而傳達(dá)產(chǎn)品構(gòu)思和展開產(chǎn)品結(jié)構(gòu)描述。系統(tǒng)化這一理念將設(shè)計(jì)整體拆分成多個(gè)設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)要素間各自獨(dú)立又彼此聯(lián)結(jié)，具備完善的層次性特征。在各主要設(shè)計(jì)要素拼裝組合后，能有效完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)定任務(wù)[5]。模塊化特征的思想是將某種設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)視作單一模塊，并依照既定結(jié)構(gòu)組合模塊，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案[6]。在這一基礎(chǔ)上，依托領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)語言轉(zhuǎn)換，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并依照具體的需求情況進(jìn)行設(shè)計(jì)比對，以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

作為機(jī)械制造的核心，精密加工技術(shù)的水平直接影響機(jī)械制造行業(yè)的整體發(fā)展，因此被廣泛應(yīng)用于各細(xì)節(jié)加工環(huán)節(jié)，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)下機(jī)械制造領(lǐng)域的精密加工技術(shù)共有3大主要分類。

2.1 精密與超精密加工技術(shù)

超精密研磨加工技術(shù)主要應(yīng)用于精密器件的加工，尤其是廣泛應(yīng)用于集成電路超精密基板硅片等精密器件的加工。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)集成電路拋光及研磨技術(shù)均不符合基板硅片的處理要求，集成電路需原子級的拋光研磨技術(shù)輔助處理。當(dāng)今時(shí)代，集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，使得集成電路超精密彈性發(fā)射研磨技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)獲得了大幅改進(jìn)，助推了超精密研磨工作的有效開展，為提升基板硅片的加工精度提供了更多的技術(shù)支持。

例如，應(yīng)用精密切削技術(shù)加工材料的過程中，工作人員需從3個(gè)階段展開工作。首先，應(yīng)提前檢查機(jī)體精密度，保證機(jī)體剛度不因溫度變化而發(fā)生改變。其次，確保機(jī)床加工過程中抗震效果持續(xù)提升。最后，應(yīng)盡可能提高機(jī)床主軸的運(yùn)行效率，有效控制精密定位，以選擇最適當(dāng)?shù)牟僮骷夹g(shù)手段。精密加工過程中主要以硬質(zhì)合金、CBN、涂層硬質(zhì)合金以及人造聚晶金剛石作為刀具材料，其中粉末冶金制成的硬質(zhì)合金刀具粉末直徑約在幾微米，限制了刃口半徑的最小尺寸。CBN刀具主要應(yīng)用于黑色金屬加工，但距離超精密切削水平尚有一定距離。人造聚晶金剛石的鋒銳程度有限，僅能用于非金屬和有色金屬的精加工。在超精密切削加工中，天然及人造單晶金剛石是刀具的主要材料。這一材料能磨出極為鋒利的刀刃，刃口半徑可達(dá)到納米級，能實(shí)現(xiàn)超光滑的鏡面切割。這一材料制成的刀具對銅、鋁等有色金屬實(shí)施切割工作，能得到0.1 μm數(shù)量級及表面粗糙度達(dá)到0.01 μm數(shù)量級的超高精度加工面，如圖1所示。

圖1 金剛石車刀結(jié)構(gòu)及刀具角度

2.2 微細(xì)加工技術(shù)

隨著相關(guān)行業(yè)的迅速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作的開展對機(jī)械制造領(lǐng)域提出了更高標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)械體系中元器件精細(xì)化程度的有關(guān)要求越來越高，使得元器件體積和精密程度要求不斷提升，因此元器件的精密化發(fā)展成為主流趨勢。微細(xì)加工技術(shù)充分降低了能源消耗，保障了元器件的運(yùn)行速率。因?yàn)闄C(jī)械微細(xì)加工受限于尺寸、刀具和制度，所以它對更微小尺寸的加工工作無能為力。這時(shí)特種微細(xì)加工工具的作用得到凸顯。特種微細(xì)加工工具有射束小、能量密度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)分子級和原子級的加工切除工作。

例如，電火花微細(xì)加工技術(shù)十分適應(yīng)微米級結(jié)構(gòu)尺寸的加工工作。這一技術(shù)一般以棒狀電極電火花或線狀電極電火花加工各微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)及微細(xì)軸類零件。電火花微細(xì)加工技術(shù)的材料加工尺寸一般在10 μm之內(nèi)，也可加工聚晶金剛石和CBN等超硬材料。電火花微細(xì)加工技術(shù)要應(yīng)用于微細(xì)加工需滿足3個(gè)條件：一是要建立能讓電極以穩(wěn)定微步距進(jìn)給的高精度伺服系統(tǒng)；二是需具備能夠產(chǎn)生超微電流且穩(wěn)定性極高的脈沖電源；三是需具備高微精度電極的生產(chǎn)制造工藝。當(dāng)代電火花微細(xì)加工領(lǐng)域以CNC電火花微細(xì)加工技術(shù)為主要發(fā)展趨勢。有關(guān)科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)積極開展加工過程最優(yōu)化技術(shù)及適應(yīng)控制的有關(guān)研究，并進(jìn)一步著手開發(fā)行星式電火花微細(xì)加工技術(shù)。電火花微細(xì)加工機(jī)床，如圖2所示。

圖2 電火花微細(xì)加工機(jī)床

2.3 納米加工技術(shù)

納米加工技術(shù)涉及的粒子尺寸應(yīng)至少有一維在1～100 nm， 同時(shí)加工材料要具備納米功能。納米技術(shù)能夠集中展現(xiàn)納米工程諸學(xué)科具備的優(yōu)勢及特征。在電子信息技術(shù)與納米工程學(xué)高度融合發(fā)展的背景下，納米加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展。納米加工技術(shù)的顯著特點(diǎn)是稀溶液可以在常溫常壓下完成軟化學(xué)加工過程。稀溶液、常溫和常壓的加工環(huán)境是納米加工技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，一方面節(jié)約了能源，另一方面有助于環(huán)境保護(hù)。因此，納米技術(shù)是精密加工領(lǐng)域未來重要的發(fā)展方向之一。

3 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)對我國工業(yè)的平穩(wěn)有序發(fā)展具有重要影響。隨著人們對加工產(chǎn)品的性能要求越來越復(fù)雜，有關(guān)企業(yè)應(yīng)積極引入新技術(shù)和新設(shè)備，在具體加工過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)的有效創(chuàng)新，為我國機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展注入動(dòng)力。