超精密加工技术探析

申祖辉

摘 要：超精密加工技术是机械制造业中重要的部分之一，不仅直接影响到尖端技术和国防工业的发展，而且还影响到机械产品的精度及表面质量，影响产品的国际竞争力，世界各国都非常重视发展超精密加工技术。本文主要阐述了超精密加工的含义、重要性、分类、国内外发展状况及其发展趋势。

关键词：超精密加工、精度、发展状况、展望

中图分类号：G718.1 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）04-011-01

一、超精密加工的定义

通常按照加工精度划分，可将机械加工分为普通加工、精密加工和超精密加工三大类。在不同的科学技术发展水平下，对精密加工和超精密加工有不同的定义，由于生产技术的不断发展，划分的界限不断变化。过去的超精密加工对今天来说可能已经是精密加工了，过去的精密加工对今天来说可能已经是普通加工了，所以对其划分的界限是相对的，随着加工技术的不断进步而逐渐向前推移。

1、普通加工指加工精度在1μm左右，相当于IT5-IT7级精度，表面粗糙度Ra值为0.2-0.8μm的加工方法，如车、铣、刨、磨、钻等，主要适用于汽车、拖拉机制造等工业。

2、精密加工指加工精度在0.1-0.01μm左右，相当于IT5级精度和IT5级精度以上，表面粗糙度Ra值为0.lμm以下的加工方法，如金刚车、金刚锁、研磨、布磨、超精研、镜面磨削等，主要用于精密机床、精密测量仪器等制造业的关键零件的加工。

3、超精密加工指被加工零件的尺寸公差为0.001μm数量级，表面粗糙度Ra值为0.001μm数量级的加工方法，加工中所使用设备的分辨率和重复精度为0.01μm数量级。目前，超精密加工的精度正从微米工艺向纳米工艺提高。

二、超精密加工的重要性

超精密加工属于机械制造中的尖端技术，是发展其他高科技的基础和关键。例如，为了提高导弹的命中精度，陀螺仪球的圆度误差要求控制在0.1μm之内，表面粗糙度要求Ra<0.01μm；飞机发电机转子叶片的加工误差从60μm降到12μm，可使发动机的压缩效率从89%提高94%；齿形误差从3-4μm减小到1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍。因而，超精密加工技术的高低往往是衡量一个国家制造业水平的重要标志。超精密加工技术涉及多种基础学科（如物理学、化学、力学、电磁学、光学、声学……）和多种新兴技术（如材料科学、计算机技术、自动控制技术、精密测量技术……），其发展有赖于这些学科和技术的发展，同时又会带动和促进相关科学技术的发展。

三、超精密加工的分类

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种加工。

1、超精密切削

超精密切削是60年代发展起来的新技术，它在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用。现在超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，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费工的手工精加工工序，不仅节省工时，同时提高加工精度和加工表面质量，近年来受到各国的重视和发展。

2、超精密磨削

超精密磨削的发展远比超精密金刚石车削慢，金刚石刀具超精密切削技术的研究比较成熟，但金刚石刀具不宜切削钢、铁材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料。因为在切削铁碳合金时，切削所产生的局部高温使金刚石中的碳原子很容易扩散到碳素体中而造成金刚石的碳化磨损；在微量切削陶瓷、玻璃时，切削力很大，临界剪切能量密度也很大，切削刃处的高温和高应力使金刚石产生较大的机械磨损。因此，对于钢、铁材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料，超精密磨削显然是一种重要的、理想的加工方法，这就促进了超精密磨削的发展。

3超精密研磨

超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。研磨金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外，还采用了离子刻蚀和热化学方法。在研磨中，研磨盘原来均用高磷铸铁，后来采用高速钢研磨盘。

4、超精密特种加工

当加工精度要求达到纳米，甚至达到原子单位（原子晶格距离为0.1-0.2nm）时，切削加工方法已不能符合加工精度要求了，这时就需要借助特种加工的方法，即应用化学能、热能、电能或电化学能等，使这些能量超越原子间的结合能，去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形，达到超精密加工的目的。

四、超精密加工的发展状况及展望

超精密工艺技术作为装备制造业中的关键技术，长期以来一直是世界各国进行研发和应用的重点。超精密工艺技术在国际上处于领先地位的国家有美、英、日等国。超精密加工是一个系统工程，即精密工程。影响超精密加工精度的因素很多，如被加工材料、刀具、机床、控制和监测系统及加工环境等因素，这些因素的综合参数性能决定了超精密加工的精度。要达到理想效果，就必须按系统工程的方法来处理各个因素。因此，超精密加工的发展趋势也是这些因素越来越达到理想、极限的尺度，以达到更高的加工精度，更好的加工质量。超精密加工将向以下几个方向发展：高质量、高精度、高效率；对工件材料的要求越来越严格；大型化、微型化；工艺整合化，发展模块化超精密加工机床；在线检测，实现加工计量一体化；智能化、自动化、柔性化；技术集成化程度不断提升；绿色化。

参考文献：

[1] 王先奎.精密和超精密加工技术[M].机械工业出版社，2004

[2] 李圣怡.超精密加工技术的发展与对策[J].机械工业出版社，2000（8）

[3] 袁巨龙.超精密加工现状综述[J].机械工程学报，2007，43endprint