浅析提高超精密机械加工精密度的技术措施

陈昉

摘 要：随着机械加工工业技术升级需求与工艺水平标准的不断提高，超精密机械加工技术日趋成为机械加工工业的发展方向。在当前技术条件下，探讨提高超精密机械加工精密度的技术措施成为提高高超精密机械加工技术水平的关键。本文从多个方面，粗浅的分析了提高超精密机械加工精密度的技术措施。

关键词：超精密机械加工；精密度；发展趋势

随着超精密机械需求的增加和电子技术的发展，精密机械加工技术日臻成熟。当前，为顺应机械加工技术继续升级的需求，超精密机械加工技术和需求也快速发展。比如：超大规模集成电路中要求在1mm2平面上集成几十万个以上的元件，线条宽度只有1μm，形状和位置误差小于0.05μm。这就对传统机床加工精度提出了更高的要求，加工工艺等也必须相应采取有效措施来保证加工要求。

因此，本文试图从以下几个方面，粗浅的分析当前技术条件下，如何提高超精密机械加工技术的工效率与精密度。

1 超精密机械加工技术的突出特点

1）加工技术超精密化。该技术相对传统精密机械加工技术，最核心的区别就是：加工对象、加工要求在尺寸、外型上的超精密化。

2）加工手段高智能化。传统人工凭经验、手感、目视的操作方式已无法再胜任超精密机械加工的需要，必须以更水平的自动化、智能化加工设备来确保机械加工的稳定与效率。

3）加工全过程的信息化。更水平的自动化、智能化加工设备、更加复杂繁琐加工流程，使得超精密机械加工全过程必然产生大量的输入、控制和反馈信息。因此，全加工过程必须是对上述信息进行收集、输入、加工与处理，也就必然要依赖更加信息化的技术手段。

2 超精密机械加工的典型方法、内容及优势

根据零件成形机理和特点，分为去除、结合和变形三类加工方法。去除加工手段有力、热、电、光等方法，操作包括切削、磨削、电加工等。结合加工操作包括电镀、气相沉积、氧化、渗碳、粘接、焊接等。变形加工手段有力、热、分子运动等，操作包括铸造、锻压等。目前，还出现了可见加工的概念，常用手段包括堆积、生长、变形等，它强调表面处理。

超精密机械加工技术的主要内容有：1）加工机理；2）被加工材料；3）加工设备和工艺装备；4）检测；5）工作环境。

超精密机械加工的突出优点有：

1）同时确保高的材料切除率和良好经济性。

2）超精密机械加工可集中在一台车床上完成，能够实现工序集成。

3 超精密加工过程对工件表面精密度的影响因素及其措施

3.1 加工设备振动

超精密加工过程中，加工设备有存在振动现象，如刀具切削刃与工件切削操作面之间的切削运动必然存在滑动摩擦，这种摩擦产生的振动将增大切削粗糙度，甚至使切削面出现振纹，恶化超精密加工精度。

3.2 加工刀具、刃磨

副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径是刀具的几何参数中对超精密加工表面粗糙度影响最大的。工况下，合理减小上述参数可以降低工件表面粗糙度，提高超精密加工质量。从材料上看，金刚石、立方氮化硼刀具加工精密度优于硬质合金刀具，而硬质合金刀具又优于高速钢刀具。从刃磨质量上看，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值的l～2级，提高刃磨质量，也能显著提高超精密加工精密度。

3.3 切削液

在超精密加工过程中对于不同材料合理选用切削液可大大减小工件表面界面摩擦，降低切削区温度，降低金属表面的塑性变形程度，抑制积屑瘤和鳞刺，能显著提高超精密加工精密度。

3.4 工件材料本身

刀具对易挤压塑性材料金属而产生了塑陛变形，甚至产生撕裂作用。工件材料韧性越好，塑性变形越大，超精密加工精密度越低。一般韧性较大的塑性材料，超精密加工精密度越低，而韧性较小的塑性材料则相反。同种材料则其晶粒组织越大，表面超精密加工精密度越高。因此，为了提高超精密加工精密度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。

3.5 切削条件

加工塑性材料时增大切削速度，可减少积屑瘤和鳞刺，提高超精密加工精密度；而切削速度对脆性材料则影响不大；进给速度增大，塑性变形也增大，超精密加工精密度降低。减小进给速度则相反；切削深度对超精密加工精密度影响不大。

3.6 切削速度

一般在粗加工选用低速车削，精加工选用高速车削可以提高超精密加工精密度。中速切削塑性材料容易导致积屑瘤、塑性变形较大，超精密加工精密度较低。因此，采用低速或高速切削塑性材料，提高塑性材料超精密加工精密度。

4 超精密机械加工技术的发展趋势

随着机械加工制造业的不断技术升级，超精密机械加工已成为世界各工业强国的重点战略发展技术。它是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。目前，航天航空、信息技术、纳米技术等高端工业领域的发展都离不开超精密机械加工技术的技术支持。从加工精密度上看，随着制造业的升级换代，超精密机械加工技术工艺水平正逐步从微米工艺水平向亚微米工艺水平进发。不久以后，普通、精密及超精密机械加工精密度将进一步精确到1μm、0.01μm及0.001μm，使得超精密机械加工技术精密度达到纳米级别的工艺水平。有理由相信，超精密机械加工也将向迈进原子级工艺水平。整体上看，超精密机械加工技术的超精密化、高智能化及信息化等三大突出特点将更加鲜明，形成更加完善的工业体系，大大提高整体机械加工工业水平。不久的将来，超精密机械加工技术将会获得更高的精密度，应用领域更加广泛，催生更为强劲的工业发展动力。

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