超精密微機械制造技術研究

岳韜

摘 要：隨著我國工業技術的不斷發展，精密微小零件已經廣泛運用于高新技術領域，發展超精密微機械制造技術可以滿足對現代醫學、航空航天等領域的需求。本文確定了超精密微機械制造技術內涵，分析了超精密微機械制造技術的特點、關鍵技術和發展趨勢。

關鍵詞：超精密微機械加工;微切削技術;機械制造

精密三維微小零件已經廣泛運用于航空航天、國防工業等高新技術領域，這些超精密三維微小零件的尺寸在毫米級甚至微米級、形狀異化、材料多樣，且表面尺寸精度要求較高，在結構形狀、可靠性等方面也有較高的功能要求。為了滿足微小零件的加工質量要求，超精密微機械制造技術被廣泛應用于微小零件加工中，并得到了較為廣泛的應用。楊淑子院士認為，“微系統及微制造產品的廣泛應用，將會帶來一場技術革命，這也是我國趕超世界先進水平，向先進加工技術邁進的一個突破口。”因此，超精密微機械制造技術應用已成為國內機械制造業研究的熱點領域。

一、超精密微機械制造技術的內涵

美國WTEC（World Technology Evaluation Center）認為，所謂超精密微機械制造技術是指采用3D非光刻（Non-lithography）技術在不同材料上加工為100μm～10mmd且精度在10-3-10-5的微型尺寸零件的技術的統稱。日本東北大學廚川研究室認為，所謂超精密微機械制造技術是指最小尺寸在亞毫米級（Sub-mili），精度約在亞微米級（Sub-micro）微小零件的加工。歐盟研發計劃小組認為凡是在不同該材料上的各種細微加工及成型制造統稱為超精密微機械制造技術。以上定義盡管表達方式略有不同，但均是指采用No-MEMS制造技術，將傳統加工技術微小化，實現微小零件大批量生產的加工技術，其目的就是實現“小機床加工小零件”。

二、超精密微機械制造技術的特點

自20世紀60年代以來，超精密微機械制造技術的加工尺寸精度已經達到了納米級，隨著工業技術的不斷發展，現有的超精密微機械制造技術已經凸顯出更多的特征。

一是，進化加工原則。進化加工原則可以分為直接式進化加工技術和間接式進化加工技術，直接式進化加工能夠完成工件的加工，該技術適用于單件、小批量工件的加工。間接式加工是指工件從第二代工作母機中生產出來并達到加工工藝要求，該技術適用于批量生產。

二是，達到更高的加工精度要求。傳統的切削與磨削方法已經讓加工精度達到極限，要想在傳統的切削與磨削基礎上提高加工精度的難度較大。但是，超精密加工技術可以采用精密度更高的加工技術，提高加工精度。

三是，減少人為因素的影響。超精密微機械加工技術需要自動化技術的配合，實現對工件加工的控制和監測，減少加工人員人為操作的次數，防止人為因素對加工精度的影響。

四是，加工難度大，環境要求高。在采用超精密機械加工技術加工零件時，需要考慮工件的材料、加工使用的設備、加工方法、工夾具等，還要考慮加工環境對加工精度的影響。另外，超精密未加工技術的加工一般針對的是某一特定產品，很少針對批量零件的加工。

三、超精密微機械制造的關鍵技術

（一）微機械加工設備技術

日本已經能夠實現3D復雜曲面的機械自由加工，可以制造出各種形狀的超精密零件。德國的超精密微機械加工技術能夠對淬火鋼、硬鋁材料等微小零件進行切削加工，有效解決了大型機械無法加工微小零件的問題。我國的微小工件加工工藝主要集中在微小制造系統和微小切削技術兩個方面，已經研制成功的微小型車銑加工系統、微摩擦磨損測試儀等能夠為微小工件加工奠定了較為堅實的基礎。但是，我國的微機械加工設備技術存在以下幾個方面：首先，微型加工設備已經做了較多的改良，與傳統機床結構相比有較多的不同，在微加工零件設計之前需要充分了解微型加工設備的性能，在此基礎上設計加工工藝，減少微型加工零件的加工誤差。其次，在微型加工設備、加工工藝的選擇以及加工零部件的仿真和建模分析方面存在較大的問題，對復雜零部件的加工難度較大。最后，微小零部件加工的設計完成后，需要配套設計相關的裝夾具、刀具等，但是相應的技術缺失，無法選擇合理的加工參數，加工精度差。所以，我國在微機械加工設備技術方面并沒有掌握核心技術，加工難度較大。要想實現精密微小零件的加工，就必須掌握微小精密和超精密加工技術。

（二）微切削技術

微切削加工技術不僅僅要求加工零件、加工刀具、加工夾具微小化，更應當要求加工過程的微小化，這也是微切削加工首要解決的問題。因此，在微切削加工過程中，除了考慮加工夾具、加工刀具微小化以外，還要考慮微切削過程，認真把控微切削工作機理，有效確定微切削加工的參數、工藝等，提高微切削加工工藝的科學性，讓加工完成的工件具有超高精密精度，提高工件的可用性和使用壽命。切削過程應當是動態的、持續的，并且具有典型的非線性特征，在研究微切削加工的參數、工藝等過程中，可以有效提升切削力預測的準確性。由于不同零件材料的切削極限是不同的，為了保證每個工件都達到切削極限，需要對不同零件建立相應的切削模型，保證構建的模型能夠符合所有零件材料。另外，刀具刀刃、刀具變形、刀具磨損、夾具變形等都將影響切削極限的產生，建模中還應當考慮到以上因素對切削極限的影響，以便提高切削的準確性和有效性，完成超精密微機械加工。

四、超精密微機械制造技術的發展趨勢

盡管我國致力于超精密微機械制造技術領域的研究，但是，和歐美發達國家相比仍然存在一定的差距。因此，我國的超精密微機械制造技術將會著重研究以下幾個領域：第一，微切削應用技術，主要指加工裝備技術、主軸、工作臺定位、刀具制作、工件裝夾等;第二，微切削機理，觀察微觀組織結構，特別是在綜合應力場環境下的微切削變形機制;第三，微切削工藝研究，包括各種新型金屬材料、非金屬材料的加工工藝;第四，微切削技術加工的經濟型、可靠性評價及加工技術改進措施;第五，實用化微制造系統設計原理方法和相關應用技術的研究。

五、結語

超精密微機械制造技術作為未來全世界機械制造技術的重要研究方向，各國都在致力于研究這門新興學科。但是，我國的超精密微機械制造技術仍然存在理論研究薄弱，實踐經驗不足等問題。為了滿足工業技術的發展，我國應當加大超精密微機械制造技術研發力度，加工出滿足高新技術產業發展所需的零部件，促進我國高新技術產業發展。