機械設計制造工藝及精密加工技術

李書明

（萊蕪鋼鐵集團泰東實業有限公司，濟南 271104）

智能技術與機械設計制造工藝的融合，給我國有關領域的發展帶來了契機[1]。機械設計技術大體包括技術選擇、結構設計和方法設計等流程。隨著仿真技術和系統工程的逐步發展，機械設計流程更加合理，機械設計效率更高[2]。精密加工技術被普遍應用于研磨及模具成形工作，在工件的精密加工環節被廣泛應用，直接影響著加工工件的精度。精密加工技術應用到機械制造中，能夠提高機械制造的精準性，對相關設備的制造質量提升起著關鍵作用[3]。

1 機械設計制造工藝及精密加工技術的特點

機械設計制造工藝及精密加工技術具備關聯性、競爭性和國際性3大特點。關聯性是指機械制造工藝與精密加工技術在應用過程中的緊密聯系，貫通機械生產制造的各個環節。任何環節出問題都會對機械制造的整體效果產生影響，因此需實現兩者的有機結合，促進相關技術的不斷進步[4]。在經濟快速發展的背景下，競爭性對機械制造的數量及種類提出了更高標準。

2 機械設計制造工藝及精密加工技術的應用實踐

目前，機械設計制造工藝呈現出智能化、系統化和模塊化的特點。智能化依托有關設計理論，利用三維圖形軟件、虛擬現實技術以及智能設計類軟件，通過多媒體等方式開展產品的設計開發工作，進而傳達產品構思和展開產品結構描述。系統化這一理念將設計整體拆分成多個設計要素，設計要素間各自獨立又彼此聯結，具備完善的層次性特征。在各主要設計要素拼裝組合后，能有效完成設計系統的預定任務[5]。模塊化特征的思想是將某種設計功能的實現視作單一模塊，并依照既定結構組合模塊，以實現產品設計方案[6]。在這一基礎上，依托領域相關知識及經驗進行計算機語言轉換，建立相應數據庫，并依照具體的需求情況進行設計比對，以實現對設計工作的經驗指導。

作為機械制造的核心，精密加工技術的水平直接影響機械制造行業的整體發展，因此被廣泛應用于各細節加工環節，是企業進行生產加工的關鍵技術之一。當下機械制造領域的精密加工技術共有3大主要分類。

2.1 精密與超精密加工技術

超精密研磨加工技術主要應用于精密器件的加工，尤其是廣泛應用于集成電路超精密基板硅片等精密器件的加工。這是因為傳統集成電路拋光及研磨技術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輔助處理。當今時代，集成電路技術飛速發展，使得集成電路超精密彈性發射研磨技術及其他相關技術獲得了大幅改進，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支持。

例如，應用精密切削技術加工材料的過程中，工作人員需從3個階段展開工作。首先，應提前檢查機體精密度，保證機體剛度不因溫度變化而發生改變。其次，確保機床加工過程中抗震效果持續提升。最后，應盡可能提高機床主軸的運行效率，有效控制精密定位，以選擇最適當的操作技術手段。精密加工過程中主要以硬質合金、CBN、涂層硬質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，刃口半徑可達到納米級，能實現超光滑的鏡面切割。這一材料制成的刀具對銅、鋁等有色金屬實施切割工作，能得到0.1 μm數量級及表面粗糙度達到0.01 μm數量級的超高精度加工面，如圖1所示。

圖1 金剛石車刀結構及刀具角度

2.2 微細加工技術

隨著相關行業的迅速發展，經濟建設工作的開展對機械制造領域提出了更高標準，對機械體系中元器件精細化程度的有關要求越來越高，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展成為主流趨勢。微細加工技術充分降低了能源消耗，保障了元器件的運行速率。因為機械微細加工受限于尺寸、刀具和制度，所以它對更微小尺寸的加工工作無能為力。這時特種微細加工工具的作用得到凸顯。特種微細加工工具有射束小、能量密度高的特點，能夠實現分子級和原子級的加工切除工作。

例如，電火花微細加工技術十分適應微米級結構尺寸的加工工作。這一技術一般以棒狀電極電火花或線狀電極電火花加工各微小復雜結構及微細軸類零件。電火花微細加工技術的材料加工尺寸一般在10 μm之內，也可加工聚晶金剛石和CBN等超硬材料。電火花微細加工技術要應用于微細加工需滿足3個條件：一是要建立能讓電極以穩定微步距進給的高精度伺服系統；二是需具備能夠產生超微電流且穩定性極高的脈沖電源；三是需具備高微精度電極的生產制造工藝。當代電火花微細加工領域以CNC電火花微細加工技術為主要發展趨勢。有關科研團隊應積極開展加工過程最優化技術及適應控制的有關研究，并進一步著手開發行星式電火花微細加工技術。電火花微細加工機床，如圖2所示。

圖2 電火花微細加工機床

2.3 納米加工技術

納米加工技術涉及的粒子尺寸應至少有一維在1～100 nm， 同時加工材料要具備納米功能。納米技術能夠集中展現納米工程諸學科具備的優勢及特征。在電子信息技術與納米工程學高度融合發展的背景下，納米加工技術得到了飛速發展。納米加工技術的顯著特點是稀溶液可以在常溫常壓下完成軟化學加工過程。稀溶液、常溫和常壓的加工環境是納米加工技術的突出優點，一方面節約了能源，另一方面有助于環境保護。因此，納米技術是精密加工領域未來重要的發展方向之一。

3 結語

機械設計制造工藝及精密加工技術對我國工業的平穩有序發展具有重要影響。隨著人們對加工產品的性能要求越來越復雜，有關企業應積極引入新技術和新設備，在具體加工過程中實現機械設計制造工藝及精密加工技術的有效創新，為我國機械加工行業的發展注入動力。