精密機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展趨勢

郭杭 葛慶 劉正勇 張銳

摘 要：精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個(gè)國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。精密與特種加工技術(shù)已經(jīng)成為國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要從精密機(jī)械加工技術(shù)的角度討論了精密機(jī)械加工的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，闡述了精密機(jī)械加工的概念以及未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：精密加工；加工精度；發(fā)展趨勢

1 引言

機(jī)械制造技術(shù)從提高精度與生產(chǎn)率兩個(gè)方面同時(shí)迅速發(fā)展起來。在提高生產(chǎn)率方面，提高自動(dòng)化程度是各國致力發(fā)展的方向，近年來，從CNC到CIMS發(fā)展迅速，并且在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。從提高精度方面，從精密加工發(fā)展到超精密加工，這也是世界各主要發(fā)達(dá)國家致力發(fā)展的方向。

隨著精密機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品越來越精密。例如：超大規(guī)模集成電路中要求在1mm2平面上集成幾十萬個(gè)以上的元件，線條寬度只有1μm，形狀和位置誤差小于0.05μm。于是對相應(yīng)的機(jī)床精度提出更高的要求，加工工藝等也必須相應(yīng)采取有效措施來保證加工要求。

根據(jù)相關(guān)資料的技術(shù)研究，精密加工目前所能達(dá)到的水平為：尺寸公差不大干0.5～1μm，形狀公差不大于0.01μm，表面粗糙度Ra不大于0.01μm。所用的機(jī)床有：精密銑床、精密研磨機(jī)、光學(xué)透鏡精密研磨機(jī)、精密寶石研磨加工機(jī)、超精密磨加工機(jī)等。機(jī)床的零部件是動(dòng)、靜壓軸承和導(dǎo)軌、彈性導(dǎo)軌、滾珠或滾柱預(yù)壓含油軸承和導(dǎo)軌，使用的刀具與材料是磨科與金剛石等，控制系統(tǒng)一般為直流伺服電機(jī)（DC）——半閉式，帶編碼器最佳控制、邏輯控制或精密直流伺服電機(jī)— 閉環(huán)，用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

2 精密機(jī)械加工方法

根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點(diǎn)，精密加工可分為刀具切削加工、磨料加工、特種加工和復(fù)合加工四大類。

隨著加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的加工機(jī)理，因此在精密加工，特別是在微細(xì)加工中。根據(jù)零件成形機(jī)理和特點(diǎn)。分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工三大類。去除加工又稱為分離加工，是利用力、熱、電、光等加工方法從工件去除一部分材料，如切削、磨削、電加工等。結(jié)合加工是利用理化方法在工件表面上附著（沉積）、注入（滲入）、焊接一層不同材料，如電鍍、氣相沉積、氧化、滲碳、粘接、焊接等。變形加工是利用力、熱、分子運(yùn)動(dòng)等手段使工件產(chǎn)生變形，改變其尺寸、形狀和性能，如鑄造、鍛壓等。可見加工的概念已突破傳統(tǒng)的去除加工手段，具有堆積、生長、變形等特色，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了表面處理，形成了表面加工技術(shù)。

3 精密機(jī)械（切削）加工的技術(shù)和工藝優(yōu)勢

精密機(jī)械（切削）加工與無屑工藝相比，切削加工的優(yōu)點(diǎn)首先在于，既有很高的材料切除率，又有良好的經(jīng)濟(jì)性。例如與激光等離子加工工藝相比即如此；這是因?yàn)檫@種工藝目前只有供應(yīng)很大的能量才能達(dá)到較高的材料切除率；另一方面，加工出的工件能否達(dá)到尺寸和形狀精度要求尚存問題。無屑?jí)毫庸ぶ饕糜诖笈可a(chǎn)，往往需要后序切削加工，以獲得最終合格的工件形狀。因此機(jī)械（切削）加工的主要優(yōu)點(diǎn)是能使工件達(dá)到較高的精度。

精密機(jī)械加工應(yīng)用廣泛，特別是伴隨小批量生產(chǎn)發(fā)腱趨勢，對工件的形狀和尺寸精度要求越來越高，為機(jī)械加工開辟了新的更加廣泛的領(lǐng)域。使用車床自然要進(jìn)行各種車削加工，但還應(yīng)注意到，鉆削、銑削、磨削以及切齒等加工過程都可集中在一臺(tái)車床上完成（工序集成）的趨勢，這就是現(xiàn)在發(fā)展起來的車銑加工中心的復(fù)合機(jī)床的加工方法。

4 精密機(jī)械加工的內(nèi)容

精密機(jī)械加工的技術(shù)難度大，影響因素多，涉及面廣，投資強(qiáng)度大，產(chǎn)品個(gè)性強(qiáng)，其主要內(nèi)容有以下五個(gè)方面：

4.1加工機(jī)理。除傳統(tǒng)加工方法的精密化外，非傳統(tǒng)加工（特種加工）方法發(fā)展迅速。當(dāng)前，傳統(tǒng)加工方法主要有金剛石刀具精密切剛、盤剛石微粉砂輪精密磨削、精密高速切削和精密砂帶磨削等；非傳統(tǒng)加工方法主要有電子束、離子束、激光束等高能束加工、電火花、電化學(xué)加工、光刻（刻蝕）等。并出現(xiàn)了具有復(fù)合加工機(jī)理的電解研磨、磁性研磨、磁流體拋光、超聲珩磨等復(fù)合加工方法。加工機(jī)理的研究是精密和超精密加工的理論基礎(chǔ)和新技術(shù)的生長點(diǎn)。

4.2被加工材料。精密機(jī)械加工的被加工材料在化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、化學(xué)性能、加工性能上均有嚴(yán)格要求，應(yīng)該質(zhì)地均勻、性能穩(wěn)定、外部內(nèi)部均無宏觀和微觀缺陷。符合性能要求的被加工材料才能得到精密機(jī)械加工的預(yù)期效果。

4.3加工設(shè)備和工藝裝備。精密機(jī)械加工應(yīng)有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和自動(dòng)化的機(jī)床，相應(yīng)的金剛石刀具、立方氮化硼刀具、金剛石砂輪、立方氮化硼砂輪，及相應(yīng)的高精度、高剛度夾具等工藝裝備，才能保證加工質(zhì)量。

4.4檢測。精密機(jī)械加工必須具備相應(yīng)的檢測技術(shù)，形成加工和檢測一體化。對于精密機(jī)械加工的檢測有三種方式：離線檢測、在位檢測和在線檢測。

4.5工作環(huán)境。精密機(jī)械加工要求在一定的環(huán)境下工作，才能達(dá)到在精度和表面質(zhì)量上的技術(shù)參數(shù)。工作環(huán)境的條件主要有溫度、濕度、凈化、防振等方面的要求，有時(shí)尚有噪聲、光、靜電、電磁、放射線等方面的特殊要求。

5 精密機(jī)械加工任務(wù)的現(xiàn)狀

中國精密機(jī)械加工等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r對于我國機(jī)械機(jī)構(gòu)和制造來說意義重大。

在設(shè)計(jì)方面，計(jì)算機(jī)助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)普及化。在應(yīng)用方面，各種高新技術(shù)發(fā)展迅速，并取得了顯著的成效。在管理方面，新生產(chǎn)模式的研究和實(shí)踐具有特色，推動(dòng)了我國制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和管理現(xiàn)代化。

技術(shù)在精密機(jī)械加工上得到大發(fā)展，精密機(jī)械加工再讓制造工藝得以更高效，這樣我們的生產(chǎn)和發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)的模式。

6 精密機(jī)械加工未來發(fā)展預(yù)測

近二十年以來機(jī)械制造業(yè)正以迅猛的發(fā)展步伐向精密加工、超精密加工發(fā)展，在未來的發(fā)展過程中精密加工、超精密加工將成為在國際競爭、市場競爭中取勝的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)代制造業(yè)之所發(fā)要致力于提高加工精度，其主要原因在于提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其質(zhì)量的穩(wěn)定性和性能的可靠性，促進(jìn)產(chǎn)品的小型化、功能性強(qiáng)，零件互換性好，產(chǎn)品的裝配、調(diào)試生產(chǎn)率高，并促進(jìn)制造裝配自動(dòng)化。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在的精密機(jī)械加工正在從微米、亞微米級(jí)工藝發(fā)展，在今后的加工中，普通機(jī)械加工、精密加工與超精密加工精度可分別達(dá)到1μm、0.01μm、0.001μm（即1nm），而且超精密加工正在向原子級(jí)加工精度逼進(jìn)（0.1nm）。隨著極限加工精度的不斷提高，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步創(chuàng)造了條件，也為機(jī)械冷加工提供了良好的物質(zhì)手段。

（作者單位：武漢科技大學(xué)國際學(xué)院機(jī)械工程系）