精密和超精密加工现状与发展趋势

精密和超精密加工现状与发展趋势核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。a.

砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。b.

精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。c.

珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。d.

精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。e.

抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当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，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电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绝对值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示。光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实际上，这些加工方法不仅能提高表面质量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年来提出的一个新的名词术语，它与光整加工是对应的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质，又要提高加工精度(包括尺寸、形状、位置精度)的加工方法。二、精密加工的发展现状与应用1.精密成型加工的发展现状与应用精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工艺实现现代化，更多地使用CAD／CAM，使新锻件的制造周期减少75%。1992年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等压成型工艺、数控计算机控制旋压、塑变和剪切成形机械、超塑成型／扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的“大型模锻件的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进材料(如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等)成形工艺”等。我国的超塑成形技术在航天航空及机械行业也有应用，如航天工业中的卫星部件、导弹和火箭气瓶等，采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。与此同时，还基本上掌握了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工艺，最小成形厚度可达0．3mm，形状也较复杂。此外，国外已广泛应用精密模压成形技术制造武器。常用的精密模压成形技术，如闭塞式锻造、采用分流原理的精密成形及等温成形等国外已用于军工生产。目前，精密模压技术在我国应用还较少，精度也较差，国外精度为±0.05—0.10mm，我国为±0.1—0.25mm。2.孔加工技术的发展现状及应用近年来，汽车、模具零部件、金属加工大都采用以CNC机床为中心的生产形态，进行孔加工时，也大都采用加工中心、CNC电加工机床等先进设备，高速、高精度钻削加工已提上议事日程。无论哪个领域的孔加工，实现高精度和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。近年来，随着高速铣削的出现，以铣削刀具为中心的切削加工正在进入高速高精度化的加工时期。在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主，如MAZAK公司和森精机制作所在加工铸铁时，即采用了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色材料时，可采用金刚石涂层硬质合金钻头、DLC涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。高速高精度孔加工除采用CNC切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。随着IT相关产业的发展，近年来，光学和电子工业所用装置的零部件产品的需求急速增长，这种增长刺激了微细形状及高精度加工技术的迅速发展。其中，微细孔加工技术的开发应用尤其引人注目。微细孔加工早已在印刷电路板等加工中加以应用，包括钢材在内的多种被加工材料，均可用钻头进行小直径加工。目前，小直径孔加工中，利用钻头切削的直径最小可至φ50μm左右。小于φ50μm的孔则多采用电加工来完成。为了抑制毛刺的产生，许多研究者提出可采用超声波振动切削的方式。目前，正在探索一种应用范围广而且工艺合理的超声波振动切削模式，其中包括研究机床的适应特性等内容。随着这些问题的顺利解决，今后可望更好地实现直径更小的微小深孔加工，加工精度会更高。杰洁3.特种热则处理的发展盘现状与应用驾特种热画处理工艺是筐国防工业系竹统关键制造寒技术之一。依真空热处理絮以其特有的将无污梁、无搞氧化、工件丈变形小和适叨用范围广等电优点，广泛集用于航空航分天结构件处买理，如齿轮秆结构件表面管渗碳或渗氮永，导弹和航承天器各种合招金或钢件的鞭去应力、增鸡强或增韧处专理等。典型滔结构如：仪闯表零件、传臂动结构、燃陪料贮箱、发副动机壳体等反；美国热处任理炉约有5级0%以上为吸真空热处理奥炉。真空热膝处理炉已广样泛采用了计跟算机控制,贝目前已发展息到真空化学女热处理和真筛空气淬热处缺理，包括高柳压真空气淬绵、高流率真悔空气淬和高吼压高流率真甚空气淬技术茅等。另外，能激光热处理王技术在国外帮已广泛用于旧航空、航天毒、电子、仪龙表等领域，耕如各种复杂核表面件、微己型构件、需扮局部强化处絮理构件、微董型电子器件勤、大规模集讲成电路的生栋产和修补、蹄精密光学元俱件、精密测请量元件等。杏舞4.数控电渐火花加工新俯工艺的应用抵忽a.标准化榨夹具蜂数控电堆火花加工为禾保证极高的犬重复定位精回度且不降低译加工效率，骗采用快速装总夹的标准化陈夹具。标准妇化夹具，是书一种快速精族密定位的工吃艺方法，它恼的使用大大陪减少了数控袜电火花加工梯过程中的装叠夹定位时间周，有效地提忘升了企业的殃竞争力。目南前有瑞士的衰EROWA肯和瑞典的3返R装置可实矿现快速精密士定位。侮框b.混粉加委工方法挽在放电橡加工液内混你入粉末添加否剂，以高速农获得光泽面匙的加工方法眨称之为混粉想加工。该方积法主要应用瓦于复杂模具槐型腔，尤其口是不便于进哄行抛光作业愈的复杂曲面袜的精密加工团。可降低零柳件表面粗糙豪度值，省去瞧手工抛光工珠序，提高零勿件的使用性券能（如寿命刮、耐磨性、鹿耐腐蚀性、筋脱模性等）冒。混粉加工父技术的发展罩，使精密型膨腔模具镜面勺加工成为现跪实。遥盛c.摇动加乐工方法煤电火花辫加工复杂型女腔时，可根蜜据被加工部振位的摇动图抢形、摇动量纷的形状及精灶度的要求,思选用电极不粱断摇动的方尊法,获得侧幸面与底面更嗽均匀的表面陶粗糙度，更秋容易控制加晴工尺寸,实据现小间隙放控电条件下的牙稳定加工。谢席d.多轴联捡动加工方法景近年来拢，随着模具址工业和IT诞技术的发展送，多轴联动业电火花加工性技术取得了搏长足的进步奇。模具企业狗采用多轴联肉动的方法来胀提高加工性捉能，如清角忧部位在加工汤可行的情况钉下采用X、扫Y、Z三轴阶联动的方法索，即斜向加辣工，避免了拖因加工部位调面积小而发餐生放电不稳饰定的现象。忙模具潜伏式乳胶口的加工患通过对电极羽斜度装夹定洲位的设计，兄也可进行斜遗向多轴联动庙加工。采用睛多轴回转系柱统与多种直煮线运动协调溪组合成多种句复合运动方酬式，可适应醉不同种类工猾件的加工要房求，扩大数哄控电火花加恐工的加工范弃围，提高其刺在精密加工泪方面的比较孕优势和技术底效益。外逐5.精密曲加工技术的哈发展趋势均面向2馆1世纪的精接密加工技术凉的发展趋势鸟体现在以下矩几个方面：鸡聪a.精密化帮精密加只工的核心主买要体现在对会尺寸精度、窝仿形精度、恩表面质量的祖要求。当前舌精密电火花恋加工的精度务已有全面提攀高，尺寸加确工要求可达慌±2-3μ龄m、底面拐浸角R值可小刘于0.03提mm，最佳蒜加工表面粗留糙度可低于确Ra0.3堆μm。通过粘采用一系列油先进加工技县术和工艺方峡法，可达到毁镜面加工效哗果且能够成银功地完成微裕型接插件、粗IC塑封、祸、CD励盒等高精密哈模具部位的网电火花加工缝。疑辅b.智能化燕智能化阳是而向21倦世纪制造技毙术的发展趋谨势之一。智腹能制造技术钱(IMT)鸭是将人工智旧能融入制造其过程的各个冒环节，通过蕉模拟人类护专家的智能呀活动，取代党或延伸制造顽系统中的部石分脑力劳动咱，在制造过眠程中系统能躺自动监测其呢运行状态，厨在受到外界伯干扰或内部颤激励能自动绍调整其参数拼，以达到最制佳状态和具纳备自组织能厕力。新型数眉控电火花机毒床采用了模玻糊控制技术掀和专家系统捆智能控制技圣术。模糊控毙制技术是由两计算机监测肢来判定电火盲花加工间隙织的状态，在终保持稳定电第弧的范围内毅自动选择使退加工效率达萍到最高的加旋工条件；自矮动监控加工注过程，实现阅最稳定的加亚工过程的控旱制技术。采娇用人机对话勾方式的专家锄系统，根据付加工的条件叹、要求，合敞理输入设定勤值后便能自激动创建加工阿程序，选用拘最佳加工条仁件组合来进抹行加工。在父线自动监测蛾、调整加工会过程，实现据加工过程的讨最优化控制流。专家系统县在检测加工械条件时，只武要输入加工牛形状、电极涝与工件材质喜、加工位置带、目标粗糙暖度值、电极火缩放量、摇摸动方式、锥定度值等指标惕，就可自动萌推算并配置到最佳加工条宵件。专家系柴统智能技术现的应用使机唉床操作更容供易，对操作球人员的技术揪水平要求更割低。笔执c.自动奖化捡自动化功技术的成功江应用，不但丘提高了效率耗，保证了产袖品质量，还痒可以代替人简去完成危险膜场合的工作孩。对于批量缎较大的生产脆自动化，可狭通过机床自帜动化改装、把应用自动机垃床、专用组耍合机床、自新动生产线来顽完成。小批皱量生产自动长化可通过N攻C，MC，亿CAM，F消MS，CI服M，IMS后等来完成。市在末来的自妇动化技术实橡施过程中，闲将更加重视穗人在自动化引系统中的作死用。同时自园动化开始面煌向中小型企片业，以经济欺实用为出发瓶点，满足不惠断发展的产买品多样化和伴个性化需要椒。数控电火乳花机床具备败的自动测量戴找正、自动窜定位、多工屡件的连续加傅工等功能已刊较好地发挥侄了它的自动愧化性能。自宪动操作过程昨不需人工干雀预，可以提淹高加工精度显、效率。目必前最先进的箭数控电火花廊机床在配有叔电极库和标雾准电极夹具躁的情况下，谅只要在加工纽前将电极装榴入刀库，编渣制好加工程临序，整个电味火花加工过次程便能日以没赴继地自动票运转，几乎陈无需人工操珍作。机床的币自动化运转杯降低了操作椒人员的劳动勒强度、提高母生产效率。泰侮d.高效化片现代加吼工的要求为庸数控电火花缠加工技术提陵供了最佳的匹加工模式，半即要求在保尘证加工精度绳的前提下大孙幅提高粗、亮精加工效率冲。如外尊壳、家电制烦品、电器用呢品、电子仪慎表等领域，璃都要求减少画辅助时间(帆如编程时间扔、电极与工觉件定位时间资等),同时蜜又要降低粗残糙度,从原层来的Ra0晕.8μm改奏进到Ra0殃.25μm巧，使放电后尚不必再进行帮手工抛光处远理。这不但胞缩短了加工廊时间且省却派后处理的麻筝烦，同时提草升了模具品衣质，使用粉腹末加工设备席可达到要求脏。这就需要淹增强机床的全自动编程功味能，配置电苹极与工件定荒位的夹具、球装置。若在移大工件的粗槐加工中选用肃石墨电极材娇料也是提高姥加工效率的诚好方法。户斑e.信息化演信息、束物质和能源森是制造系统酒的三要素。专随着计算机宿、自动化与刮通讯网络技艘术红制造系说统中的应用略，信息的作护用越来越重察要。产品制丸造过程中的联信息投入，晓己成为决定黄产品成本的猛主要因素。狐制造过程的貌实质是对制浅造过程中各帜种信息资源蜘的采集、输破入、加工和来处理过程，菜最终形成的英产品可看作慎是信息的物简质表现，因胡此可以把信说息看作是一肝种产业，包费括在制造之骨中。为此一骆些企业开始欢利用网络技类术、计算机怕联网、信息酬高速公路、网卫星传递数旧据等实现异应地生产。使底生产分散网味络化，以适戏应21世纪幼高柔性生产进的需要。托窃f.柔性宣化臂随着科狠学技术的飞纱速发展和人孔民生活水平亮不断提高，住促使产品更唤新换代的速重度不断加快裹，这就要求对现代企业必处须具备一定厕的生产柔性弦来满足市场没多变的需要暮。所谓柔性挑，是指一个触制造系统适穿应各种生产寄条件变化的锁能力，它与禁系统方案、释人员和设备擦有关。系统国方案的柔性栋是指加工不长同零件的自驱由度。人员回柔性是指操哀作人员能保拜证加工任务露，完成数量给和时间要求择的适应能力扁。设备柔性屋是指机床能限在短期内适箩应新零件的斜加工能力。页柔性制造自续动化的形式屿很多，如美盟国提出的敏瓦捷制造(A细M)其主线特就是高柔性蛾生产。上海哀同济大学斜张曙蒙教授提出的竹独立制造岛喊(AMI)汤也是高柔性疾生产模式。赏籍g.集成化稳集成的钉作用是将原伶来独立运行哈的多个单元偏系统集成一冤个能协调工谦作的和功能蜻更强的新系播统。集成不睬是简单的连级接，是经过锄统一规划设桃计，分析原味单元系统的娘作用和相互广关系并进行榆优化重组而焰实现的。集盼成化的目的乏是实现制造郊企业的功能施集成，功能从集成要借助祝现代管理技开术、计算机柔技术、自动矮化技术和信厘息技术实现戴技术集成，寺同时还要强低调人的集成狱，由于系统哗中不可能没道有人，系统础运行的效果川与企业经营卖思想、运行丸机制、管理扶模式都与人挖有关，在技针术上集成的肃同时，还应贵强调管理与宝人的集成。唯集成化生产病将成为面向鸡21世纪占汤主导的生产业方式。够三、超于精密加工的就技术应用与苍发展趋势耳超精密份加工是指亚饮微米级(尺俊寸误差为0瞧.3～0.鼓03?m，昂表面粗糙度耻为Ra0.遣03～0.业005?m摘)和纳米级付(精度误差爆为0.03婆?m，表面睁粗糙度小于丧Ra0.菠005?m肉)精度的澡加工。实现勒这些加工所需采取的工艺馒方法和技术林措施，则称卖为超精加工械技术。加之病测量技术、满环境保障和蹦材料等问题侵，人们把这片种技术总称安为超精工程湾。超精密加乌工主要包括予三个领域：红超精密切削霞加工如金刚半石刀具的超尝精密切削，投可加工各种众镜面。它已柴成功地解决悲了用于激光汪核聚变系统恰和天体望远滋镜的大型抛走物面镜的加倾工。超精双密磨削和研旨磨加工如高周密度硬磁盘忍的涂层表面娘加工和大规呀模集成电路两基片的加工茄。超精密特取种加工如大因规模集成电征路芯片上的器图形是用电寿子束、离子专束刻蚀的方题法加工，线和宽可达0.伪1?m。如笋用扫描隧道惭电子显微镜陈(STM)称加工，线宽智可达2～5跟nm。泥米a.超精密犹切削供超精密钩切削以SP护DT技术开弄始，该技术谈以空气轴承罪主轴、气动贸滑板、高刚悉性、高精度酸工具、反馈袍控制和环境茧温度控制为距支撑，可获阀得纳米级表睬面粗糙度。话多采用金刚捕石刀具铣削己，广泛用于桥铜的平面和阁非球面光学荒元件、有机姑玻璃、塑料祥制品(如照盐相机的塑料很镜片、隐形烘眼镜镜片等铸)、陶瓷及危复合材料的扑加工等。未军来的发展趋浙势是利用镀反膜技术来改恋善金刚石刀蜘具在加工硬仿化钢材时的加磨耗。此外嗽，MEMS箱组件等微小击零件的加工枯需要微小刀弃具，目前微绸小刀具的尺葛寸约可达5功0～100汤μm，但障如果加工几龄何特征在亚具微米甚至纳级米级，刀具秋直径必须再疤缩小，其发辩展趋势是利仿用纳米材料产如纳米碳管舅来制作超小役刀径的车刀峡或铣刀。祝僵b.超精密半磨削欠超精密峡磨削是在一醒般精密磨削富基础上发展蹦起来的一种来镜面磨削方培法,其关键牵技术是金刚篮石砂轮的修缸整,使磨粒抱具有微刃性初和等高性。田超精密磨削冶的加工对象政主要是脆硬匠的金属材料穷、半导体材姨料、陶瓷、牵玻璃等。磨凑削后,被加欣工表面留下问大量极微细攻的磨削痕迹效,残留高度步极小,加上追微刃的滑挤饱、摩擦、抛欠光作用,可睛获得高精度隆和低表面粗纵糙度的加工叔表面，当前育超精密磨削债能加工出圆卷度0.01护μm、尺寸屋精度0.1比μm和表面限粗糙度为R其a0.00其5μm的圆丝柱形零件。侧疮c.超精风密研磨先超精密帜研磨包括机泄械研磨、化棒学机械研磨艇、浮动研磨五、弹性发射汉加工以及磁洗力研磨等加动工方法。超葵精密研磨的怪关键条件是着几乎无振动睡的研磨运动榆、精密的温桌度控制、洁粗净的环境以岭及细小而均深匀的研磨剂厚。超精密研西磨加工出的藏球面度达0羡.025μ乒m,表面粗景糙度Ra达考0.003戏μm。袖刻d.超精密狮特种加工血超精密赛特种加工主帮要包括激光袍束加工、电俩子束加工、旧离子束加工捞、微细电火疯花加工、精煮细电解加工贪及电解研磨泽、超声电解苏加工、超声己电解研磨、遇超声电火花凑等复合加工映。激光、电通子束加工可掌实现打孔、狗精密切割、画成形切割、径刻蚀、光刻斩曝光、加工怜激光防伪标奖志；离子束膀加工可实现晨原子、分子垒级的切削加市工；利用微扛细放电加工货可以实现极付微细的金属欲材料的去除积,可加工微清细轴、孔、蒸窄缝平面及伪曲面；精细册电解加工可茫实现纳米级判精度,且表松面不会产生肌加工应力,肾常用于镜面白抛光、镜面找减薄以及一拨些需要无应有力加工的场馅合。泰超精密倒加工技术在库国际上处于懂领先地位的鹿国家