打造制造強(qiáng)國(guó)的精密加工技術(shù)

制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，  所謂先進(jìn)制造技術(shù)，就是將機(jī)械工程技術(shù)、電子信息技術(shù)（包括微電子、光電子、計(jì)算機(jī)軟硬件、現(xiàn)代通信技術(shù)） 和自動(dòng)化技術(shù)， 以及材料技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)綜合集成的生產(chǎn)技術(shù)。先進(jìn)制造技術(shù)追求的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、精確、省料、節(jié)能、清潔、高效、靈活生產(chǎn)， 滿(mǎn)足社會(huì)需求。

精密加工技術(shù)是為適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)需要而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)，是其它高新技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)。 精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測(cè)量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。

精密和超精密加工

通常，按加工精度劃分，機(jī)械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個(gè)階段。目前，精密加工是指加工精度為1~0.1μ;m，表面粗糙度為Ra0.1~0.01μ;m的加工技術(shù)，但這個(gè)界限是隨著加工技術(shù)的進(jìn)步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。

精密加工所要解決的問(wèn)題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面狀況；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取得高的加工效率。 

超精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過(guò)程。當(dāng)前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μm的加工技術(shù)，亦稱(chēng)之為亞微米級(jí)加工技術(shù)，且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展。

超精密加工包括微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等加工技術(shù)。

微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的加工技術(shù)；超微細(xì)加工技術(shù)是指制造超微小尺寸零件的加工技術(shù)，它們是針對(duì)集成電路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的絕對(duì)值來(lái)表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來(lái)表示。

光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機(jī)械性質(zhì)的加工方法，不著重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及無(wú)屑加工等。實(shí)際上，這些加工方法不僅能提高表面質(zhì)量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年來(lái)提出的一個(gè)新的名詞術(shù)語(yǔ)，它與光整加工是對(duì)應(yīng)的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機(jī)械性質(zhì)，又要提高加工精度(包括尺寸、形狀、位置精度)的加工方法。

精密加工的技術(shù)手段

傳統(tǒng)的精密加工方法有布輪拋光、砂帶磨削、超精細(xì)切削、精細(xì)磨削、珩磨、研磨、超精研拋技術(shù)、磁粒光整等。

1、拋光 

是利用機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)的方法對(duì)工件表面進(jìn)行的一種微細(xì)加工，主要用來(lái)降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光及電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工等。 

2、砂帶磨削 

是用粘有磨料的混紡布為磨具對(duì)工件進(jìn)行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、使用范圍廣等特點(diǎn)。國(guó)外在砂帶材料及制作工藝上取得了很大的成就，有了適應(yīng)于不同場(chǎng)合的砂帶系列，生產(chǎn)出通用和專(zhuān)用的砂帶磨床，而且自動(dòng)化程度不斷提高，但國(guó)內(nèi)砂帶品種少，質(zhì)量也有待提高，對(duì)機(jī)床還處于改造階段。 

3、精密切削 

用高精密的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，還具有較好的光學(xué)性質(zhì)。 

精準(zhǔn)機(jī)械切削加工

4、超精密磨削 

用精確修整過(guò)的砂輪在精密磨床上進(jìn)行的微量磨削加工，金屬的去除量可在亞微米級(jí)甚至更小，可以達(dá)到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。尺寸精度0.1~0.3μm，表面粗糙度Ra0.2~0.05μm，效率高。應(yīng)用范圍廣泛，從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼等難切削材料，及半導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料，幾乎所有的材料都可利用磨削進(jìn)行加工。但磨削加工后，被加工的表面在磨削力及磨削熱的作用下金相組織要發(fā)生變化，易產(chǎn)生加工硬化、淬火硬化、熱應(yīng)力層、殘余應(yīng)力層和磨削裂紋等缺陷。

5、珩磨 

用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加工后的表面粗糙度可達(dá)Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用來(lái) 加工鑄鐵及鋼，不宜用來(lái)加工硬度小、韌性好的有色金屬。 

6、精密研磨與拋光 

通過(guò)介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機(jī)械摩擦，使工件達(dá)到所要求的尺寸與精度的加工方法。

精密研磨拋光機(jī)

超精密加工的技術(shù)手段

超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工。超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤(pán)的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線(xiàn)寬可達(dá)0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線(xiàn)寬可達(dá)2～5nm。 

我國(guó)超精密光學(xué)零件加工技術(shù)

1、超精密切削 

超精密切削以SPDT技術(shù)開(kāi)始，該技術(shù)以空氣軸承主軸、氣動(dòng)滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級(jí)表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削，廣泛用于銅的平面和非球面光學(xué)元件、有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、****眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料的加工等。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是利用鍍膜技術(shù)來(lái)改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時(shí)的磨耗。此外，MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達(dá)50～100 μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級(jí)，刀具直徑必須再縮小，其發(fā)展趨勢(shì)是利用納米材料如納米碳管來(lái)制作超小刀徑的車(chē)刀或銑刀。

2、超精密磨削

超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種鏡面磨削方法,其關(guān)鍵技術(shù)是金剛石砂輪的修整,使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工對(duì)象主要是脆硬的金屬材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細(xì)的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面，當(dāng)前超精密磨削能加工出圓度0.01μm、尺寸精度0.1μm和表面粗糙度為Ra0.005μm的圓柱形零件。 

3、超精密研磨

超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動(dòng)研磨、彈性****加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關(guān)鍵條件是幾乎無(wú)振動(dòng)的研磨運(yùn)動(dòng)、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達(dá)0.025μm,表面粗糙度Ra達(dá)0.003μm。

4、超精密特種加工

超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細(xì)電火花加工、精細(xì)電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復(fù)合加工。激光、電子束加工可實(shí)現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標(biāo)志；離子束加工可實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的切削加工；利用微細(xì)放電加工可以實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除,可加工微細(xì)軸、孔、窄縫平面及曲面；精細(xì)電解加工可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度,且表面不會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無(wú)應(yīng)力加工的場(chǎng)合。

激光加工

精密和超精密加工，是現(xiàn)代制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一，并且已成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，隨著國(guó)家決策的科學(xué)化、民主化進(jìn)程不斷深入，相信我國(guó)的制造業(yè)會(huì)更快速、更健康地發(fā)展。