超精密加工技術探析

申祖輝

摘 要：超精密加工技術是機械制造業中重要的部分之一，不僅直接影響到尖端技術和國防工業的發展，而且還影響到機械產品的精度及表面質量，影響產品的國際競爭力，世界各國都非常重視發展超精密加工技術。本文主要闡述了超精密加工的含義、重要性、分類、國內外發展狀況及其發展趨勢。

關鍵詞：超精密加工、精度、發展狀況、展望

中圖分類號：G718.1 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）04-011-01

一、超精密加工的定義

通常按照加工精度劃分，可將機械加工分為普通加工、精密加工和超精密加工三大類。在不同的科學技術發展水平下，對精密加工和超精密加工有不同的定義，由于生產技術的不斷發展，劃分的界限不斷變化。過去的超精密加工對今天來說可能已經是精密加工了，過去的精密加工對今天來說可能已經是普通加工了，所以對其劃分的界限是相對的，隨著加工技術的不斷進步而逐漸向前推移。

1、普通加工指加工精度在1μm左右，相當于IT5-IT7級精度，表面粗糙度Ra值為0.2-0.8μm的加工方法，如車、銑、刨、磨、鉆等，主要適用于汽車、拖拉機制造等工業。

2、精密加工指加工精度在0.1-0.01μm左右，相當于IT5級精度和IT5級精度以上，表面粗糙度Ra值為0.lμm以下的加工方法，如金剛車、金剛鎖、研磨、布磨、超精研、鏡面磨削等，主要用于精密機床、精密測量儀器等制造業的關鍵零件的加工。

3、超精密加工指被加工零件的尺寸公差為0.001μm數量級，表面粗糙度Ra值為0.001μm數量級的加工方法，加工中所使用設備的分辨率和重復精度為0.01μm數量級。目前，超精密加工的精度正從微米工藝向納米工藝提高。

二、超精密加工的重要性

超精密加工屬于機械制造中的尖端技術，是發展其他高科技的基礎和關鍵。例如，為了提高導彈的命中精度，陀螺儀球的圓度誤差要求控制在0.1μm之內，表面粗糙度要求Ra<0.01μm；飛機發電機轉子葉片的加工誤差從60μm降到12μm，可使發動機的壓縮效率從89%提高94%；齒形誤差從3-4μm減小到1μm，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍。因而，超精密加工技術的高低往往是衡量一個國家制造業水平的重要標志。超精密加工技術涉及多種基礎學科（如物理學、化學、力學、電磁學、光學、聲學……）和多種新興技術（如材料科學、計算機技術、自動控制技術、精密測量技術……），其發展有賴于這些學科和技術的發展，同時又會帶動和促進相關科學技術的發展。

三、超精密加工的分類

超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨削、超精密研磨以及超精密特種加工。

1、超精密切削

超精密切削是60年代發展起來的新技術，它在國防和尖端技術的發展中起著重要的作用。現在超精密切削是使用精密的單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，可以直接切出超光滑的加工表面。由于超精密切削可以替代研磨等很費工的手工精加工工序，不僅節省工時，同時提高加工精度和加工表面質量，近年來受到各國的重視和發展。

2、超精密磨削

超精密磨削的發展遠比超精密金剛石車削慢，金剛石刀具超精密切削技術的研究比較成熟，但金剛石刀具不宜切削鋼、鐵材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料。因為在切削鐵碳合金時，切削所產生的局部高溫使金剛石中的碳原子很容易擴散到碳素體中而造成金剛石的碳化磨損；在微量切削陶瓷、玻璃時，切削力很大，臨界剪切能量密度也很大，切削刃處的高溫和高應力使金剛石產生較大的機械磨損。因此，對于鋼、鐵材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料，超精密磨削顯然是一種重要的、理想的加工方法，這就促進了超精密磨削的發展。

3超精密研磨

超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性發射加工以及磁力研磨等加工方法。研磨金剛石車刀除采用機械磨料研磨之外，還采用了離子刻蝕和熱化學方法。在研磨中，研磨盤原來均用高磷鑄鐵，后來采用高速鋼研磨盤。

4、超精密特種加工

當加工精度要求達到納米，甚至達到原子單位（原子晶格距離為0.1-0.2nm）時，切削加工方法已不能符合加工精度要求了，這時就需要借助特種加工的方法，即應用化學能、熱能、電能或電化學能等，使這些能量超越原子間的結合能，去除工件表面的部分原子間的附著、結合或晶格變形，達到超精密加工的目的。

四、超精密加工的發展狀況及展望

超精密工藝技術作為裝備制造業中的關鍵技術，長期以來一直是世界各國進行研發和應用的重點。超精密工藝技術在國際上處于領先地位的國家有美、英、日等國。超精密加工是一個系統工程，即精密工程。影響超精密加工精度的因素很多，如被加工材料、刀具、機床、控制和監測系統及加工環境等因素，這些因素的綜合參數性能決定了超精密加工的精度。要達到理想效果，就必須按系統工程的方法來處理各個因素。因此，超精密加工的發展趨勢也是這些因素越來越達到理想、極限的尺度，以達到更高的加工精度，更好的加工質量。超精密加工將向以下幾個方向發展：高質量、高精度、高效率；對工件材料的要求越來越嚴格；大型化、微型化；工藝整合化，發展模塊化超精密加工機床；在線檢測，實現加工計量一體化；智能化、自動化、柔性化；技術集成化程度不斷提升；綠色化。

參考文獻：

[1] 王先奎.精密和超精密加工技術[M].機械工業出版社，2004

[2] 李圣怡.超精密加工技術的發展與對策[J].機械工業出版社，2000（8）

[3] 袁巨龍.超精密加工現狀綜述[J].機械工程學報，2007，43endprint