超精密加工技术的发展现状与趋势

超精密加工技术的发展现状与趋势

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1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m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。

1.1砂带磨削

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。

1.2精密切割

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。

1.3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Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，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。

1.4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≤0.025?;m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。

二、精密加工的发展现状

2.1精密成型加工的发展现状与应用

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.

2.2.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。

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三．密加工的技术应用与发展趋势

3.1高精度、高效率

高精度与高效率是超精密加工永恒的主题。总的来说，固着磨粒加工不断追求着游离磨粒的加工精度，而游离磨粒加工不断追求的是固着磨粒加工的效率。当前超精密加技术如CMP、EEM等虽能获得极高的表面质量和表面完整性，但以牺牲加工效率为保证。超精密切削、磨削技术虽然加工效率高，但无法获得如CMP、EEM的加工精度。探索能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工领域研究人员的目标。半固着磨粒加工方法的出现即体现了这一趋势。另一方面表现为电解磁力研磨、磁流变磨料流加工等复合加工方法的诞生。

3.2 工艺整合化

当今企业间的竞争趋于白热化，高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。

3.3化、微型化

为加工航空、航天、宇航等领域需要的大型光电子器件(如大型天体望远镜上的反射镜)，需要建立大型超精密加工设备。为加工微型电子机械、光电信息等领域需要的微型器件(如微型传感器、微型驱动元件等)，需要微型超精密加工设备(但这并不是说加工微小型工件一定需要微小型加工设备)。

3.4 在线检测

尽管现在超精密加工方法多种多样，但都尚未发展成熟。例如，虽然CMP等加工方法已成功应用于工业生产，但其加工机理尚未明确。主要原因之一是超精密加工检测技术还不完善，特别是在线检测技术。从实际生产角度讲，开发加工精度在线测量技术是保证产品质量和提高生产率的重要手段。

3.5 智能化

超精密加工中的工艺过程控制策略与控制方法也是目前的研究热点之一。以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。目前，即使是台湾的部分半导体工厂，生产过程中关键的操作依然由工人在现场手工完成。

3.6 绿色化

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对环境造成了极大的负担。我国是