現代機械制造工藝及精密加工技術研究

胡凱明

（濱州醫學院附屬醫院，山東 濱州 256600）

0 引言

進入現代之后，機械設備的制造工藝已經進一步更新換代，基于計算機和柔性加工單元的機械設備集成制造系統已經得到了廣泛應用。此外，在零件加工方面，精細化程度已經從“精密”提升至“超精密”程度。基于此，圍繞現代機械制造工藝及精密加工技術展開研究具有時代意義，必須予以重視。

1 現代機械柔性制造工藝簡析

1.1 機械柔性制造系統的組成及原理

在全球范圍內，機械加工制造已經進入新的歷史階段，即“柔性時期”。全球各國對這一機械加工制造時期的定義大同小異。例如，我國“國家軍用標準”圍繞武器裝備的柔性制造給出的定義是，柔性制造系統（FMS）是由數字化控制加工設備、物料運輸儲存裝置、計算機控制系統等共同組成的自動化制造系統，其中包括多個柔性制造單元，能夠根據制造任務、生產環境的變化，迅速完成生產制造工藝、控制程序的調整，從而能夠對多個品種的機械設備或零部件進行中小批量的生產。按照美國制造工程師協會（SME）的定義，機械柔性制造是指使用計算機、柔性加工單元和集成物料儲存運輸裝置，完成對零件族的某一工序、一系列工序的一種集成制造系統。

機械柔性制造系統的組成如圖1 所示。具體如下：①加工子系統。能夠實現任意順序自動加工制造多種工件，且可以自動更換工件和刀具。在實際作業期間，如果需要增加制造功能，則在該功能增加后，還可以實現工件的自動清洗和測量。②物流系統。能夠滿足可變動節拍生產的物料自動識別、存儲、輸送、交換等要求，達到對刀具的預調和管理目的。③控制與管理子系統。能夠對加工子系統和物流子系統進行自動控制，對相關作業進行協調。此外，還可以對有關資料進行在線自動采集和處理，模擬新的運行方案（仿真），針對故障進行自動診斷并找出引發故障的原因。

圖1 機械柔性制造系統的構成

1.2 機械柔性制造系統的類型及應用

現階段，全球范圍內主要形成了3 種類型的機械柔性加工制造系統，如圖2 所示。具體如下。

圖2 3 種機械柔性制造系統類型

（1）互替式（圖2a）。相對而言，這種機械柔性制造系統的生產制造柔性、生產率、技術利用率均偏低，系統整體可靠性及投資強度比較高。此種類型的機械柔性制造系統一般由多個構造相同或是能夠互相替換的數控機床組成，例如，最經典的構成為8 臺加工中心、一個貯料系統、一條往復式物料運輸線、計算機控制設備。系統進行生產制造作業時，工件可以被送到任意適合加工制作作業的加工中心之中，且由計算機根據各臺機床的任務量以及實時運行狀態，完成對機床加工零件的分配。每一臺機床都設有自動換刀裝置，均能夠根據需要，部分或全部完成加工工序。總體來看，這種互替式的機械柔性制造系統的最大優點是，當某個設備出現故障時，系統只需對出現故障的設備（或電路）進行停機或切斷即可，不會影響其他設備的正常運行。然而由于具有適配性的機床種類較為單一，有可能導致機械加工制造能力無法達到預期或是造價過高[1]。

（2）互補式（圖2b）。生產柔性和技術利用率中等，生產率較高，但系統可靠性和投資強度比較低。此種類型的機械柔性制造系統可以通過物料運輸系統，將多臺不同的數控機床連接到同一系統中。通過這種方式，具有不同生產制造功能的數控機床可實現能力互補。在具體加工制造中，工件會經由安裝站進入系統之中，之后在存儲在計算機之中、預先編制好的程序控制算法的作用下，使工件按照特定的順序，進入一個又一個工作站，完成相應的加工生產。每一臺機床設備在單位時間內能夠完成的工序數量，取決于工件的設計和所采用的機械加工工藝，且不同類型的零件需要被不同的機床加工。這種類型的機械柔性生產系統適用的機械加工工藝較多，但一旦某個設備出現故障之后，系統的加工能力便有可能受到影響，情況嚴重時甚至導致系統停機。基于此，如果采用這種類型的機械柔性加工系統，應該準備后備機床，在某機床設備出現故障時迅速替換，避免影響正常生產制造。

（3）混合式（圖2c）。生產柔性和技術利用率較高，生產率、系統可靠性、投資強度比均為中等。具體來說，在同一個機械柔性生產制造系統中，容納了不同類型的機床，且每一類機床都不止一臺，可同時存在多臺設備。在實際生產制造機械時，多種類型機床彼此之間具備互補能力，且能夠避免單臺設備出現故障時導致系統癱瘓的情況，但在控制層面的復雜程度也會相應地提升。

1.3 機械柔性制造系統中的子系統

1.3.1 加工子系統

上文對機械柔性加工制造系統的構成進行了介紹，本段將對各個子系統的設計要求展開分析。首先是加工子系統。作為機械柔性加工制造系統的基本組成部分，加工子系統耗資最多，擔任將原材料轉化為最終產品的任務。具體的要求主要集中在以下方面：①加工工序必須集中，目的是減輕物流層面的負擔，盡量減少裝夾次數。②加工子系統本身應該具有較強的控制功能，且擴展空間應該盡量較大，從而在變更加工制造工藝的時候，加工子系統中能夠直接加入新的機床設備并迅速按照新的工藝作業。③加工子系統的剛度、精度、速度均應較高，且應當具有較強的自保護性和自維護性。④加工子系統運轉期間，經濟性應當較強，否則會進一步增大成本支出。

1.3.2 物流子系統

物流子系統的具體構成如下：①工件裝卸站。需要設置在柔性制造系統的入口處，通過人工作業，完成工件物料的裝卸。②托盤緩沖站。是一類工件中間存儲站，具有緩沖物料的作用，避免物料在運輸的過程中受到較大的沖擊。③物料存儲裝置。主要包括自動化倉庫、自動料架、緩沖料架。④物料運送裝置。需要設置在機床、自動化倉庫以及托盤緩沖站之間，用于搬運物料。

對其他工具的要求如下：①傳送帶，用于對小型零件進行短程傳送，由于占據的空間較大，作業頻繁程度較高，故十分容易磨損。因此，機械加工制造單位應該制定周期性檢查計劃，發現傳送帶出現磨損情況之后，應及時評估傳送帶是否依然能夠完成物料工件運輸作業。若結果是“不能”，則應立刻更換。②自動運輸小車，分為有軌小車和無軌小車。③搬運機器人，應具有較高的自動化控制水平[2]。

1.3.3 控制管理子系統

當前應用的機械柔性制造系統中的控制管理子系統一般設計成“遞階控制結構”，從而將復雜系統設置成分層分模塊形式，每一層相對獨立，從而便于系統的開發和維護。這種遞階控制結構的特點是，越接近底層，實時性便應該越強；越接近上層，則處理的信息量便應越大，對實時性的要求便越小。具體的層級結構如下：①系統管理與控制層，即為單元控制層。主要用于從上級控制系統接受任務，制訂系統整體作業計劃并分配到每一個機床端，并監控系統的整體運行情況。②過程協調與監控層，即為工作站層。主要用于分配具體的加工程序、協調工件的流動、對運行狀態進行采集、監控，向上一級控制層反饋監控信息。③設備控制層。主要用于控制設備的工作循環過程，執行上層傳遞的控制指令，對現場數據進行反饋。

2 現代機械精密加工技術

2.1 機械精密及超精密機械加工技術的技術指標

現階段，根據機械加工的技術指標，精密程度可作如下劃分：①精密加工。精度為0.1～1μm，工件表面的粗糙度值應該控制在Ra0.03～0.3μm。②超精密加工。精度為0.01～0.1μm，工件表面的粗糙度值可以達到Ra0.005～0.03μm。基于此，超精密加工又被稱為亞微米加工。③納米加工。精度需要進一步高于0.03μm，工件表面粗糙度值需要小于Ra0.005μm[3]。

2.2 機械精密和超精密加工技術的應用領域

在過去相當長的一段時間內，精密加工、超精密加工僅在國防（軍工）等少數領域中得到運用。但最近十幾年來，精密、超精密機械加工開始廣泛應用于民用商品領域。例如，近年來，最為人們耳熟能詳的詞匯包括芯片、光刻機等。以我國為例，華為等高新技術企業已經自主研發了芯片的制程原理，在這方面具有完全自主知識產權，但若要做到對高精度芯片的大批量生產，必須借助光刻機設備，才能完成納米級的芯片加工。綜合來看，芯片這種超精密、納米級的機械加工產品在當前及未來具有極其廣泛的應用空間，人們能夠想到的所有智能設備（智能手機、電腦、汽車、智能機器人等）的智能化程度若要進一步提高，那么芯片便是必不可少的重要工件。

2.3 機械超精密加工技術的應用現狀

當前的機械精密和超精密加工主要集成在3 個領域：①超精密切削。通過使用超精密金剛石刀具，完成對工件的切削。這種超精密加工方式主要用于對各種鏡面進行加工，已經從根本上解決了高精度陀螺儀、激光反射鏡、某些大型反射鏡的加工精度不足問題，從而使相關設備的精細化程度得到了極大的提升。②精密和超精密磨削研磨。這種精密加工技術已經解決了大規模集成電路基片、高精度磁盤、高精度硬盤的加工需求問題，使這些機械工件的薄厚程度更小，在設備中占據的空間更低，全面提升了設備的性能。③精密特種加工。主要用于電子束、離子束等加工。如很多國家的超大規模集成電路線寬已經控制到0.1μm 的精度[4]。

2.4 機械超精密加工技術中的金剛石刀具及超精密切削機制

基于金剛石刀具的超精密切削加工技術主要應用于兩個方面，分別為單件大型超精密零件的切削加工、大量生產的中小型零件超精密切削加工。以后者為例，除了上文所述的磁盤、鏡面之外，還包括感光鼓、球面、非球面激光反射鏡等多種工件。具體的加工精度如下：①激光光學零件的平均表面粗糙度為Ra0.005～0.01μm，形狀精度為0.1μm。②磁頭的平均表面粗糙度最大值為0.02μm，平面度為0.04μm，尺寸精度為±2.5μm。③多面鏡的表面粗糙度為0.01～0.02μm，反射率為85%～90%，平面度應為0.04μm。

若要實現上述精密、超精密切削加工目標，金剛石刀具極其重要。決定金剛石刀具性能的因素中，鏡面的選擇以及研磨質量（刃口半徑）的重要性最高，會對切削變形以及最小切削厚度造成影響，進而對加工表面質量造成影響。在超精密切削加工過程中，刀刃的實際切削厚度與名義上的切削厚度之間存在一個差值，故前者又被稱為“有效切削厚度”。如果切削厚度低于一定標準時，便無法正常進行切削。若要確保切削的穩定度，必須保證最小切削厚度滿足“最小有效切削厚度”的要求，這取決于金剛石刀具的刃口半徑，即該刃口半徑的數值越小，最小切削厚度也會越小，切削加工的精密程度便會越高[5]。

3 結語

綜上所述，機械柔性加工正在朝著深度智能化發展，所加工的機械設備或零部件整體具有極高的精度，遠非傳統的人力加工和簡單的自動化制造可比。而在加工精密程度方面，由于使用了金剛石等刀具，搭配日益提升的切削機制，加工水平已經從“精密”提升至“超精密”程度。總之，現代柔性機械制造以及超精密加工技術的運用，在機械加工制造領域具有劃時代的意義，在整體提升機械設備精度方面能夠產生積極作用，故必須予以重視。