精密机械加工技术发展趋势

郑斯泽(郑州大学机械工程学院,河南郑州 450001)



精密机械加工技术发展趋势

郑斯泽
(郑州大学机械工程学院,河南郑州 450001)

【摘 要】精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之-。精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。本文主要从精密机械加工技术的角度讨论了精密机械加工的现状和发展趋势,阐述了精密机械加工的概念以及未来的发展。

【关键词】精密加工 加工精度 发展趋势

1 引言

机械制造技术从提高精度与生产率两个方面同时迅速发展起来。在提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从CNC到CIMS发展迅速，并且在一定范围内得到了应用。从提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要发达国家致力发展的方向。

随着精密机械和电子技术的发展，现代产品越来越精密。例如: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。于是对相应的机床精度提出更高的要求，加工工艺等也必须相应采取有效措施来保证加工要求。

根据相关资料的技术研究，精密加工目前所能达到的水平为:尺寸公差不大干0.5～1μm，形状公差不大于0.01μm，表面粗糙度Ra不大于0.01μm。所用的机床有:精密铣床、精密研磨机、光学透镜精密研磨机、精密宝石研磨加工机、超精密磨加工机等。机床的零部件是动、静压轴承和导轨、弹性导轨、滚珠或滚柱预压含油轴承和导轨，使用的刀具与材料是磨科与金刚石等，控制系统一般为直流伺服电机(DC)——半闭式， 带编码器最佳控制、逻辑控制或精密直流伺服电机— 闭环，用微机实现自适应控制。

2 精密机械加工方法

根据加工方法的机理和特点，精密加工可分为刀具切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四大类。

随着加工技术的发展，出现了许多新的加工机理，因此在精密加工，特别是在微细加工中.根据零件成形机理和特点。分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。去除加工又称为分离加工，是利用力、热、电、光等加工方法从工件去除一部分材料，如切削、磨削、电加工等。结合加工是利用理化方法在工件表面上附着(沉积)、注入(渗入)、焊接一层不同材料，如电镀、气相沉积、氧化、渗碳、粘接、焊接等。变形加工是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，如铸造、锻压等。可见加工的概念已突破传统的去除加工手段，具有堆积、生长、变形等特色，同时强调了表面处理，形成了表面加工技术。

3 精密机械(切削)加工的技术和工艺优势

精密机械(切削)加工与无屑工艺相比， 切削加工的优点首先在于，既有很高的材料切除率，又有良好的经济性。例如与激光等离子加工工艺相比即如此；这是因为这种工艺目前只有供应很大的能量才能达到较高的材料切除率；另一方面，加工出的工件能否达到尺寸和形状精度要求尚存问题。无屑压力加工主要用于大批量生产，往往需要后序切削加工， 以获得最终合格的工件形状。因此机械(切削)加工的主要优点是能使工件达到较高的精度。

精密机械加工应用广泛， 特别是伴随小批量生产发腱趋势，对工件的形状和尺寸精度要求越来越高，为机械加工开辟了新的更加广泛的领域。使用车床自然要进行各种车削加工， 但还应注意到，钻削、铣削、磨削以及切齿等加工过程都可集中在一台车床上完成(工序集成)的趋势，这就是现在发展起来的车铣加工中心的复合机床的加工方法。

4 精密机械加工的内容

精密机械加工的技术难度大，影响因素多，涉及面广，投资强度大，产品个性强，其主要内容有以下五个方面:

(1)加工机理。除传统加工方法的精密化外，非传统加工(特种加工)方法发展迅速。当前，传统加工方法主要有金刚石刀具精密切刚、盘刚石微粉砂轮精密磨削、精密高速切削和精密砂带磨削等；非传统加工方法主要有电子束、离子束、激光束等高能束加工、电火花、电化学加工、光刻(刻蚀)等。并出现了具有复合加工机理的电解研磨、磁性研磨、磁流体抛光、超声珩磨等复合加工方法。加工机理的研究是精密和超精密加工的理论基础和新技术的生长点。

(2)被加工材料。精密机械加工的被加工材料在化学成分、物理力学性能、化学性能、加工性能上均有严格要求，应该质地均匀、性能稳定、外部内部均无宏观和微观缺陷。符合性能要求的被加工材料才能得到精密机械加工的预期效果。

(3)加工设备和工艺装备。精密机械加工应有高精度、高刚度、高稳定性和自动化的机床，相应的金刚石刀具、立方氮化硼刀具、金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮。及相应的高精度、高刚度夹具等工艺装备，才能保证加工质量。

(4)检测。精密机械加工必须具备相应的检测技术，形成加工和检测一体化。对于精密机械加工的检测有三种方式:离线检测、在位检测和在线检测。

(5)工作环境。精密机械加工要求在一定的环境下工作，才能达到在精度和表面质量上的技术参数。工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防振等方面的要求，有时尚有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求。

5 精密机械加工任务的现状

中国精密机械加工等先进技术的发展状况对于我国机械机构和制造来说意义重大。

在设计方面，计算机助设计(CAD)技术普及化。在应用方面，各种高新技术发展迅速，并取得了显著的成效。在管理方面，新生产模式的研究和实践具有特色，推动了我国制造业的技术进步和管理现代化。

技术在精密机械加工上得到大发展，精密机械加工再让制造工艺得以更高效，这样我们的生产和发展将进入一个良性循环的模式。

6 精密机械加工未来发展预测

近二十年以来机械制造业正以迅猛的发展步伐向精密加工、超精密加工发展，在未来的发展过程中精密加工、超精密加工将成为在国际竞争、市场竞争中取胜的关键技术。现代制造业之所发要致力于提高加工精度，其主要原因在于提高产品的性能和质量，提高其质量的稳定性和性能的可靠性，促进产品的小型化、功能性强，零件互换性好，产品的装配、调试生产率高，并促进制造装配自动化。

随着制造业的发展，现在的精密机械加工正在从微米、亚微米级工艺发展，在今后的加工中，普通机械加工、精密加工与超精密加工精度可分别达到1μm、0.01μm、0.001μm(即1nm)，而且超精密加工正在向原子级加工精度逼进(0.1nm)。随着极限加工精度的不断提高，为科学技术的发展和进步创造了条件，也为机械冷加工提供了良好的物质手段。