打造制造強國的精密加工技術

制造業(yè)是一個國家或地區(qū)國民經(jīng)濟的重要支柱，  所謂先進制造技術，就是將機械工程技術、電子信息技術（包括微電子、光電子、計算機軟硬件、現(xiàn)代通信技術） 和自動化技術， 以及材料技術、現(xiàn)代管理技術綜合集成的生產(chǎn)技術。先進制造技術追求的目標就是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、精確、省料、節(jié)能、清潔、高效、靈活生產(chǎn)， 滿足社會需求。

精密加工技術是為適應現(xiàn)代高技術需要而發(fā)展起來的先進制造技術，是其它高新技術實施的基礎。 精密加工技術的發(fā)展也促進了機械、液壓、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發(fā)展。

精密和超精密加工

通常，按加工精度劃分，機械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。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，但這個界限是隨著加工技術的進步不斷變化的，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床設備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴格約束的相對運動，對材料進行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程。當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，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01μm的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發(fā)展。

超精密加工包括微細加工、超微細加工、光整加工、精整加工等加工技術。

微細加工技術是指制造微小尺寸零件的加工技術；超微細加工技術是指制造超微小尺寸零件的加工技術，它們是針對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值來表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示。

光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質(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、超精加工及無屑加工等。實際上，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。精整加工是近年來提出的一個新的名詞術語，它與光整加工是對應的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質(zhì)，又要提高加工精度(包括尺寸、形狀、位置精度)的加工方法。

精密加工的技術手段

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

1、拋光 

是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一種微細加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加工等。 

2、砂帶磨削 

是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工，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。國外在砂帶材料及制作工藝上取得了很大的成就，有了適應于不同場合的砂帶系列，生產(chǎn)出通用和專用的砂帶磨床，而且自動化程度不斷提高，但國內(nèi)砂帶品種少，質(zhì)量也有待提高，對機床還處于改造階段。 

3、精密切削 

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

精準機械切削加工

4、超精密磨削 

用精確修整過的砂輪在精密磨床上進行的微量磨削加工，金屬的去除量可在亞微米級甚至更小，可以達到很高的尺寸精度、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、熱應力層、殘余應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運動，加工后的表面粗糙度可達Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用來 加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。 

6、精密研磨與拋光 

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

精密研磨拋光機

超精密加工的技術手段

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，線寬可達0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。 

我國超精密光學零件加工技術

1、超精密切削 

超精密切削以SPDT技術開始，該技術以空氣軸承主軸、氣動滑板、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元件、有機玻璃、塑料制品(如照相機的塑料鏡片、****眼鏡鏡片等)、陶瓷及復合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。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50～100 μm，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須再縮小，其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。

2、超精密磨削

超精密磨削是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關鍵技術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象主要是脆硬的金屬材料、半導體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細的磨削痕跡,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

超精密研磨包括機械研磨、化學機械研磨、浮動研磨、彈性****加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達0.025μm,表面粗糙度Ra達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、微細電火花加工、精細電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復合加工。激光、電子束加工可實現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標志；離子束加工可實現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細放電加工可以實現(xiàn)極微細的金屬材料的去除,可加工微細軸、孔、窄縫平面及曲面；精細電解加工可實現(xiàn)納米級精度,且表面不會產(chǎn)生加工應力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應力加工的場合。

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，并且已成為在國際競爭中取得成功的關鍵技術。我國的制造業(yè)發(fā)展已進入了高速發(fā)展階段，隨著國家決策的科學化、民主化進程不斷深入，相信我國的制造業(yè)會更快速、更健康地發(fā)展。