核心提示：當(dāng)前精密和超精密加工精度從微米到亞微米，乃至納米，在汽車、家電、IT電子信息高技術(shù)領(lǐng)域和軍用、民用工業(yè)有廣泛應(yīng)用。同時，精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、模具、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測量技術(shù)及金屬加工工業(yè)的發(fā)展。
一、精密和超精密加工的概念與范疇
通常，按加工精度劃分，機(jī)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1~0.1?;m，表面粗糙度為Ra0.1~0.01?;m的加工技術(shù)，但這個界限是隨著加工技術(shù)的進(jìn)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。精密加工包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、光整加工等加工技術(shù)。傳統(tǒng)的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。
a. 砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進(jìn)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(diǎn)。
b. 精密切削，也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)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，如計算機(jī)用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等，比一般切削加工精度要高1~2個等級。
c. 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(fù)運(yùn)動，加工后的表面粗糙度可達(dá)Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，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。
d. 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(jī)械摩擦，使工件達(dá)到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達(dá)到其他加工方法所不能達(dá)到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工變質(zhì)層很小，表面質(zhì)量高，精密研磨的設(shè)備簡單，主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。
e. 拋光 是利用機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)的方法對工件表面進(jìn)行的一種微細(xì)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(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光及電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工等。手工或機(jī)械拋光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05?;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。超聲波拋光加工精度 0.01~0.02?;m，表面粗糙度Ra0.1?;m?；瘜W(xué)拋光加工的表面粗糙度一般為Ra≤0.2?;m。電化學(xué)拋光可提高到Ra0.1~0.08?m。
超精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對運(yùn)動 ，對材料進(jìn)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(dāng)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(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μm的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級加工技術(shù)，且正在向納米級加工技術(shù)發(fā)展。
超精密加工包括微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工、精整加工等加工技術(shù)。微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的加工技術(shù)；超微細(xì)加工技術(shù)是指制造超微小尺寸零件的加工技術(shù)，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(xué)機(jī)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(shí)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(shù)語，它與光整加工是對應(yīng)的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機(jī)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。
二、精密加工的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用
1.精密成型加工的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用
精密鑄造成形、精密模壓成形、塑性加工、薄板精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家受到高度重視，并投入大量資金優(yōu)先發(fā)展。70年代美國空軍主持制訂“鍛造工藝現(xiàn)代化計劃”，目的是使鍛造這一重要工藝實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，更多地使用CAD／CAM，使新鍛件的制造周期減少75%。1992年，美國國防部提出了“軍用關(guān)鍵技術(shù)清單”，其中包含了等壓成型工藝、數(shù)控計算機(jī)控制旋壓、塑變和剪切成形機(jī)械、超塑成型／擴(kuò)散連接工藝、液壓延伸成型工藝等精密塑性成型工藝。國外近年來還發(fā)展了以航空航天產(chǎn)品為應(yīng)用對象的“大型模鍛件的鍛造及葉片精鍛工藝”、“快速凝固粉末層壓工藝”、“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強(qiáng)力旋壓成型工藝”、“難變形材料超塑成形工藝”、“先進(jìn)材料(如金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等)成形工藝”等。我國的超塑成形技術(shù)在航天航空及機(jī)械行業(yè)也有應(yīng)用，如航天工業(yè)中的衛(wèi)星部件、導(dǎo)彈和火箭氣瓶等，采用超塑成形法制造偵察衛(wèi)星的欽合金回收艙。與此同時，還基本上掌握了鋅、銅、鋁、欽合金的超塑成形工藝，最小成形厚度可達(dá)0．3mm，形狀也較復(fù)雜。此外，國外已廣泛應(yīng)用精密模壓成形技術(shù)制造武器。常用的精密模壓成形技術(shù)，如閉塞式鍛造、采用分流原理的精密成形及等溫成形等國外已用于軍工生產(chǎn)。目前，精密模壓技術(shù)在我國應(yīng)用還較少，精度也較差，國外精度為±0.05—0.10mm，我國為±0.1—0.25mm。
2.孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
近年來，汽車、模具零部件、金屬加工大都采用以CNC機(jī)床為中心的生產(chǎn)形態(tài)，進(jìn)行孔加工時，也大都采用加工中心、CNC電加工機(jī)床等先進(jìn)設(shè)備，高速、高精度鉆削加工已提上議事日程。無論哪個領(lǐng)域的孔加工，實(shí)現(xiàn)高精度和高速化都是取得用戶訂單的重要競爭手段。
近年來，隨著高速銑削的出現(xiàn)，以銑削刀具為中心的切削加工正在進(jìn)入高速高精度化的加工時期。在孔加工作業(yè)中，目前仍大量使用高速鋼麻花鉆，但各企業(yè)之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開了差距。高速切削鉆頭的材料以陶瓷涂層硬質(zhì)合金為主，如MAZAK公司和森精機(jī)制作所在加工鑄鐵時，即采用了陶瓷涂層鉆頭。在加工鋁合金等有色材料時，可采用金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭、DLC涂層硬質(zhì)合金鉆頭或帶金剛石燒結(jié)體刀齒的鉆頭。高速高精度孔加工除采用CNC切削方式對孔進(jìn)行精密加工外，還可采用鏜削和鉸削等方式對孔進(jìn)行高精度加工。隨著加工中心主軸的高速化，已可采用鏜削工具對孔進(jìn)行高速精密加工。
隨著IT相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來，光學(xué)和電子工業(yè)所用裝置的零部件產(chǎn)品的需求急速增長，這種增長刺激了微細(xì)形狀及高精度加工技術(shù)的迅速發(fā)展。其中，微細(xì)孔加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用尤其引人注目。微細(xì)孔加工早已在印刷電路板等加工中加以應(yīng)用，包括鋼材在內(nèi)的多種被加工材料，均可用鉆頭進(jìn)行小直徑加工。目前，小直徑孔加工中，利用鉆頭切削的直徑最小可至φ50μm左右。小于φ50μm的孔則多采用電加工來完成。為了抑制毛刺的產(chǎn)生，許多研究者提出可采用超聲波振動切削的方式。目前，正在探索一種應(yīng)用范圍廣而且工藝合理的超聲波振動切削模式，其中包括研究機(jī)床的適應(yīng)特性等內(nèi)容。隨著這些問題的順利解決，今后可望更好地實(shí)現(xiàn)直徑更小的微小深孔加工，加工精度會更高。
3.特種熱處理的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用
特種熱處理工藝是國防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。真空熱處理以其特有的無污梁、無氧化、工件變形小和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)件處理，如齒輪結(jié)構(gòu)件表面滲碳或滲氮，導(dǎo)彈和航天器各種合金或鋼件的去應(yīng)力、增強(qiáng)或增韌處理等。典型結(jié)構(gòu)如：儀表零件、傳動結(jié)構(gòu)、燃料貯箱、發(fā)動機(jī)殼體等；美國熱處理爐約有50%以上為真空熱處理爐。真空熱處理爐已廣泛采用了計算機(jī)控制,目前已發(fā)展到真空化學(xué)熱處理和真空氣淬熱處理，包括高壓真空氣淬、高流率真空氣淬和高壓高流率真空氣淬技術(shù)等。另外，激光熱處理技術(shù)在國外已廣泛用于航空、航天、電子、儀表等領(lǐng)域，如各種復(fù)雜表面件、微型構(gòu)件、需局部強(qiáng)化處理構(gòu)件、微型電子器件、大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)、精密光學(xué)元件、精密測量元件等。
4.數(shù)控電火花加工新工藝的應(yīng)用
a.標(biāo)準(zhǔn)化夾具
數(shù)控電火花加工為保證極高的重復(fù)定位精度且不降低加工效率，采用快速裝夾的標(biāo)準(zhǔn)化夾具。標(biāo)準(zhǔn)化夾具，是一種快速精密定位的工藝方法，它的使用大大減少了數(shù)控電火花加工過程中的裝夾定位時間，有效地提升了企業(yè)的競爭力。目前有瑞士的EROWA和瑞典的3R裝置可實(shí)現(xiàn)快速精密定位。
b.混粉加工方法
在放電加工液內(nèi)混入粉末添加劑，以高速獲得光澤面的加工方法稱之為混粉加工。該方法主要應(yīng)用于復(fù)雜模具型腔，尤其是不便于進(jìn)行拋光作業(yè)的復(fù)雜曲面的精密加工?？山档土慵砻娲植诙戎?，省去手工拋光工序，提高零件的使用性能（如壽命、耐磨性、耐腐蝕性、脫模性等）?；旆奂庸ぜ夹g(shù)的發(fā)展，使精密型腔模具鏡面加工成為現(xiàn)實(shí)。
c.搖動加工方法
電火花加工復(fù)雜型腔時，可根據(jù)被加工部位的搖動圖形、搖動量的形狀及精度的要求,選用電極不斷搖動的方法,獲得側(cè)面與底面更均勻的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸,實(shí)現(xiàn)小間隙放電條件下的穩(wěn)定加工。
d.多軸聯(lián)動加工方法
近年來，隨著模具工業(yè)和IT技術(shù)的發(fā)展，多軸聯(lián)動電火花加工技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。模具企業(yè)采用多軸聯(lián)動的方法來提高加工性能，如清角部位在加工可行的情況下采用X、Y、Z三軸聯(lián)動的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面積小而發(fā)生放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。模具潛伏式膠口的加工通過對電極斜度裝夾定位的設(shè)計，也可進(jìn)行斜向多軸聯(lián)動加工。采用多軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與多種直線運(yùn)動協(xié)調(diào)組合成多種復(fù)合運(yùn)動方式，可適應(yīng)不同種類工件的加工要求，擴(kuò)大數(shù)控電火花加工的加工范圍，提高其在精密加工方面的比較優(yōu)勢和技術(shù)效益。
5.精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
面向21世紀(jì)的精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
a.精密化
精密加工的核心主要體現(xiàn)在對尺寸精度、仿形精度、表面質(zhì)量的要求。當(dāng)前精密電火花加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可達(dá)±2-3μm、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3μm。通過采用一系列先進(jìn)加工技術(shù)和工藝方法，可達(dá)到鏡面加工效果且能夠成功地完成微型接插件、IC塑封、手機(jī)、CD盒等高精密模具部位的電火花加工。
b.智能化
智能化是而向21世紀(jì)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。智能制造技術(shù)(IMT)是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過模擬人類專家的智能活動，取代或延伸制造系統(tǒng)中的部分腦力勞動，在制造過程中系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，在受到外界干擾或內(nèi)部激勵能自動調(diào)整其參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)和具備自組織能力。新型數(shù)控電火花機(jī)床采用了模糊控制技術(shù)和專家系統(tǒng)智能控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)是由計算機(jī)監(jiān)測來判定電火花加工間隙的狀態(tài)，在保持穩(wěn)定電弧的范圍內(nèi)自動選擇使加工效率達(dá)到最高的加工條件；自動監(jiān)控加工過程，實(shí)現(xiàn)最穩(wěn)定的加工過程的控制技術(shù)。采用人機(jī)對話方式的專家系統(tǒng)，根據(jù)加工的條件、要求，合理輸入設(shè)定值后便能自動創(chuàng)建加工程序，選用最佳加工條件組合來進(jìn)行加工。在線自動監(jiān)測、調(diào)整加工過程，實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化控制。專家系統(tǒng)在檢測加工條件時，只要輸入加工形狀、電極與工件材質(zhì)、加工位置、目標(biāo)粗糙度值、電極縮放量、搖動方式、錐度值等指標(biāo)，就可自動推算并配置最佳加工條件。專家系統(tǒng)智能技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)床操作更容易，對操作人員的技術(shù)水平要求更低。
c.自動化
自動化技術(shù)的成功應(yīng)用，不但提高了效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，還可以代替人去完成危險場合的工作。對于批量較大的生產(chǎn)自動化，可通過機(jī)床自動化改裝、應(yīng)用自動機(jī)床、專用組合機(jī)床、自動生產(chǎn)線來完成。小批量生產(chǎn)自動化可通過NC，MC，CAM，F(xiàn)MS，CIM，IMS等來完成。在末來的自動化技術(shù)實(shí)施過程中，將更加重視人在自動化系統(tǒng)中的作用。同時自動化開始面向中小型企業(yè)，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，滿足不斷發(fā)展的產(chǎn)品多樣化和個性化需要。數(shù)控電火花機(jī)床具備的自動測量找正、自動定位、多工件的連續(xù)加工等功能已較好地發(fā)揮了它的自動化性能。自動操作過程不需人工干預(yù)，可以提高加工精度、效率。目前最先進(jìn)的數(shù)控電火花機(jī)床在配有電極庫和標(biāo)準(zhǔn)電極夾具的情況下，只要在加工前將電極裝入刀庫，編制好加工程序，整個電火花加工過程便能日以赴繼地自動運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎無需人工操作。機(jī)床的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)降低了操作人員的勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。
d.高效化
現(xiàn)代加工的要求為數(shù)控電火花加工技術(shù)提供了最佳的加工模式，即要求在保證加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手機(jī)外殼、家電制品、電器用品、電子儀表等領(lǐng)域，都要求減少輔助時間(如編程時間、電極與工件定位時間等),同時又要降低粗糙度,從原來的Ra0.8μm改進(jìn)到Ra0.25μm，使放電后不必再進(jìn)行手工拋光處理。這不但縮短了加工時間且省卻后處理的麻煩，同時提升了模具品質(zhì)，使用粉末加工設(shè)備可達(dá)到要求。這就需要增強(qiáng)機(jī)床的自動編程功能，配置電極與工件定位的夾具、裝置。若在大工件的粗加工中選用石墨電極材料也是提高加工效率的好方法。
e.信息化
信息、物質(zhì)和能源是制造系統(tǒng)的三要素。隨著計算機(jī)、自動化與通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)紅制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，信息的作用越來越重要。產(chǎn)品制造過程中的信息投入，己成為決定產(chǎn)品成本的主要因素。制造過程的實(shí)質(zhì)是對制造過程中各種信息資源的采集、輸入、加工和處理過程，最終形成的產(chǎn)品可看作是信息的物質(zhì)表現(xiàn)，因此可以把信息看作是一種產(chǎn)業(yè)，包括在制造之中。為此一些企業(yè)開始利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、信息高速公路、衛(wèi)星傳遞數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)異地生產(chǎn)。使生產(chǎn)分散網(wǎng)絡(luò)化，以適應(yīng)21世紀(jì)高柔性生產(chǎn)的需要。
f.柔性化
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，促使產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，這就要求現(xiàn)代企業(yè)必須具備一定的生產(chǎn)柔性來滿足市場多變的需要。所謂柔性，是指一個制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力，它與系統(tǒng)方案、人員和設(shè)備有關(guān)。系統(tǒng)方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務(wù)，完成數(shù)量和時間要求的適應(yīng)能力。設(shè)備柔性是指機(jī)床能在短期內(nèi)適應(yīng)新零件的加工能力。柔性制造自動化的形式很多，如美國提出的敏捷制造(AM)其主線就是高柔性生產(chǎn)。上海同濟(jì)大學(xué)張曙教授提出的獨(dú)立制造島(AMI)也是高柔性生產(chǎn)模式。
g.集成化
集成的作用是將原來獨(dú)立運(yùn)行的多個單元系統(tǒng)集成一個能協(xié)調(diào)工作的和功能更強(qiáng)的新系統(tǒng)。集成不是簡單的連接，是經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計，分析原單元系統(tǒng)的作用和相互關(guān)系并進(jìn)行優(yōu)化重組而實(shí)現(xiàn)的。集成化的目的是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的功能集成，功能集成要借助現(xiàn)代管理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成，同時還要強(qiáng)調(diào)人的集成，由于系統(tǒng)中不可能沒有人，系統(tǒng)運(yùn)行的效果與企業(yè)經(jīng)營思想、運(yùn)行機(jī)制、管理模式都與人有關(guān)，在技術(shù)上集成的同時，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)管理與人的集成。集成化生產(chǎn)將成為面向21世紀(jì)占主導(dǎo)的生產(chǎn)方式。
三、超精密加工的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢
超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03?m，表面粗糙度為Ra0.03～0.005?m)和納米級(精度誤差為0.03?m，表面粗糙度小于 Ra0.005?m) 精度的加工。實(shí)現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。超精密加工主要包括三個領(lǐng)域：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(yuǎn)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(dá)0.1?m。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)2～5nm。
a.超精密切削
超精密切削以SPDT技術(shù)開始，該技術(shù)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(xué)元件、有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術(shù)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(dá)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。
b.超精密磨削
超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鏡面磨削方法,其關(guān)鍵技術(shù)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(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細(xì)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(dāng)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。
c.超精密研磨
超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關(guān)鍵條件是幾乎無振動的研磨運(yùn)動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達(dá)0.025μm,表面粗糙度Ra達(dá)0.003μm。
d.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(xì)電火花加工、精細(xì)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(fù)合加工。激光、電子束加工可實(shí)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(biāo)志；離子束加工可實(shí)現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細(xì)放電加工可以實(shí)現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除,可加工微細(xì)軸、孔、窄縫平面及曲面；精細(xì)電解加工可實(shí)現(xiàn)納米級精度,且表面不會產(chǎn)生加工應(yīng)力,常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應(yīng)力加工的場合。
超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”（Single Point Dia-mond Turning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸＝0.025μm），并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進(jìn)行超精密車削，又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1μm，表面粗糙度Ra<10 nm。日本對超精密加工技術(shù)的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達(dá)0.025μm的精密軸承、JCS—027超精密車床、JCS—031超精密銑床、JCS—035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃
磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。我國超精密加工技術(shù)與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術(shù)方面差距尤為明顯。
超精密加工將向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工藝整合化、在線加工檢測一體化、綠色化等方向發(fā)展。
a.高精度、高效率。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對精度、效率、質(zhì)量的要求愈來愈高,高精度與高效率成為超精密加工永恒的主題。超精密切削、磨削技術(shù)能有效提高加工效率，CMP、EEM技術(shù)能夠保證加工精度，而半固著磨粒加工方法及電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法由于能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工的趨勢。
b.大型化、微型化。
由于航天航空等技術(shù)的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加工設(shè)備，如美國研制的加工直徑為2.4～4m的大型光學(xué)器件超精密加工機(jī)床。同時隨著微型機(jī)械電子、光電信息等領(lǐng)域的發(fā)展，超精密加工技術(shù)向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅(qū)動元件和動力裝置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工設(shè)備。
c.智能化。
以智能化設(shè)備降低加工結(jié)果對人工經(jīng)驗的依賴性一直是制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)。加工設(shè)備的智能化程度直接關(guān)系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點(diǎn)在超精密加工中體現(xiàn)更為明顯。
d. 工藝整合化。
當(dāng)今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設(shè)備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。
e.在線加工檢測一體化。
由于超精密加工的精度很高，必須發(fā)展在線加工檢測一體化技術(shù)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。同時由于加工設(shè)備本身的精度有時很難滿足要求，采用在線檢測、工況監(jiān)控和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒梢蕴岣呔?，保證加工質(zhì)量的要求。
f.綠色化。
磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環(huán)境造成了極大的負(fù)擔(dān)。我國是磨料、磨具產(chǎn)量及消耗的第一大國，大幅提高磨削加工的綠色化程度已成為當(dāng)務(wù)之急發(fā)達(dá)國家以及我國的臺灣地區(qū)均對半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家的廢液、廢氣排量及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施嚴(yán)格管制，為此，各國研究人員對CMP加工產(chǎn)生的廢液、廢氣回收處理展開了研究。綠色化的超精密加工技術(shù)在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時，提高了自身的生命力。
四、精密和超精密加工發(fā)展策略
精密和超精密加工經(jīng)過數(shù)十年的努力，日趨成熟，不論是超精密機(jī)床、金剛石工具，還是超精密加工工藝已形成了一整套完整的超精密制造技術(shù)系統(tǒng)，為推動機(jī)械制造向更高層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在向納米級精度或毫微米精度邁進(jìn)，其前景十分令人鼓舞。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場競爭日益激烈，越來越多的制造業(yè)開始將大量的人力、財力和物力投入先進(jìn)的制造技術(shù)和先進(jìn)的制造模式的研究和實(shí)施策略之中。
1.整合、創(chuàng)新思想的運(yùn)用
精密、超精密加工技術(shù)是發(fā)展科技的重要手段，所以受到世界各國的廣泛重視，因此也就不斷地獲得新的成果，但是因為它的要求都處在精度的極限，傳統(tǒng)的、單一的技術(shù)往往很難突破，必須綜合地運(yùn)用信息化技術(shù)，通過綜合、分析，加以整合、重組，進(jìn)一步滿足更高的要求。
精密加工技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，它集機(jī)床、工具、計量、數(shù)控、材料、環(huán)境控制等成果于一體，針對不同的加工對象，不同的設(shè)計要求，綜合地加以利用。超精密加工技術(shù)也都是在其有關(guān)的各項技術(shù)支撐的條件下，逐步發(fā)展起來的，同時又往往取各項技術(shù)的嶄新成果來加以充實(shí)、提高。超精密加工技術(shù)每前進(jìn)一步，都離不開創(chuàng)新，這是由超精密加工技術(shù)所處的位置決定的，因為這門技術(shù)始終處在發(fā)展的前沿。面對飛速發(fā)展的需求就決定了它必須創(chuàng)新。
2.先進(jìn)的制造模式應(yīng)用
制造模式是指企業(yè)體制、經(jīng)營、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運(yùn)作模式。
a.敏捷制造
美國通用汽車公司與里海大學(xué)于1988年提出了敏捷制造(AM)，AM是在不可預(yù)測的持續(xù)變化的競爭環(huán)境中取得繁榮成長，并具有能對客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)驅(qū)動市場作出迅速響應(yīng)的生產(chǎn)模式。AM的特征是：
?、倨髽I(yè)間聯(lián)作集成。充分發(fā)揮各企業(yè)的長處，針對限定市場的目標(biāo)要求共同合作完成任務(wù)。
②具有高度的制造柔性。制造柔性是指制造企業(yè)對市場要求迅速轉(zhuǎn)產(chǎn)和能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多品種變批量的快速制造。
?、鄢浞职l(fā)揮人的作用，不斷提高企業(yè)職工素質(zhì)和教育水平，優(yōu)化人機(jī)功能分配。
b.虛擬制造
虛擬制造(VM)是國際上提出的新概念。VM與AM聯(lián)系密切。VM的特征是：當(dāng)市場新的機(jī)遇出現(xiàn)時，組織幾個有關(guān)公司聯(lián)作，把不同的公司，不同地點(diǎn)的工廠或車間重新組織協(xié)調(diào)工作。在運(yùn)行之前必須分析組合是否最優(yōu)，能否協(xié)調(diào)運(yùn)行，以及投產(chǎn)后的效益和風(fēng)險進(jìn)行評估，這種聯(lián)作公司稱虛擬公司。虛擬公司通過虛擬制造系統(tǒng)運(yùn)行。因此研究開發(fā)虛擬制造技術(shù)(VMT)和虛擬制造系統(tǒng)(VMS)意義重大，美國稱AM為2l世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。
c.集成制造
美國哈林頓博士在《計算機(jī)和集成制造》一書中提出計算機(jī)和集成制造(CIM)的概念。集成制造的核心內(nèi)容是：制造企業(yè)從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、經(jīng)營管理克至售后服務(wù)是一個不可分割的整體，需要統(tǒng)籌考慮。整個制造過程的實(shí)質(zhì)是信息采集、傳遞和加工過程，最終生產(chǎn)的產(chǎn)品可看作是信息的物質(zhì)表現(xiàn)。集成是CIM的核心，這種集成不僅是物的集成，更主要的是以信息集成為特征的技術(shù)集成和功能集成，計算機(jī)是集成的工具，計算機(jī)和輔助各單元技術(shù)是集成的基礎(chǔ)，信息交換是橋梁，信息共享是關(guān)鍵。集成的目的在于制造企業(yè)組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的合理化和最優(yōu)化，以提高今業(yè)對市場變化的動態(tài)響應(yīng)速度，并追求最高整體效益和長期效益。
d.智能制造
智能制造(IM)是美國出版研究IM和IMS書籍中首先提出的。它的特征是：在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié)的高度柔性與高度集成的方式，通過計算機(jī)和模擬人類專家的智能活動，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲、完善、共享、繼承與發(fā)展。制造智能的目的是：通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺和機(jī)器人控制對制造工人的技能與人類專家知識進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器能夠在沒有人干預(yù)的情況下進(jìn)行小批量生產(chǎn)。
e.綠色制造
綠色制造又稱環(huán)境意識制造和面向環(huán)境的制造等。即綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式。其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報廢處理的全生命周期中，廢棄物和有害排放物最小，對環(huán)境的負(fù)面影響最小，對健康無害，資源利用率最高，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更高。
結(jié)束語
精密和超精密加工，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一,在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。我國的制造業(yè)發(fā)展已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，中國民營企業(yè)已具備足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力來使企業(yè)邁向現(xiàn)代化，先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)和大量專業(yè)人才的涌入使許多沿海地區(qū)的制造業(yè)水平迅速提高。隨著國家決策的科學(xué)化、民主化進(jìn)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。