精密加工和超精密加工技术综述

中国机械工程CHINA MECHANICAL ENGINEERING1999年　第10卷　第5期　Vol.10　No.5　1999精密加工和超精密加工技术综述王先逵　吴丹　刘成颖 摘要　论述了精密加工和超精密加工技术的范畴、加工方法、系统结构及其在先进制造技术中的作用和地位；分析了21世纪初期对它的需求和技术发展趋势，并提出了相应的技术发展前沿，归总了技术发展特点。

关键词　精密加工　超精密加工　先进制造技术　机械制造 中国图书资料分类法分类号　TH16 Review of Precision and Ultra-precision Machining Technology Wang Xiankui(Tsinghua University,Beijing,China)　Wu Dan　Liu Chengying　p 570-576 Abstract：In this paper the range, machining method and system structure of the precision and ultra-precision machining technology, and the action and position in advanced manufacturing technology are discussed,its requirement in the early 21 century is analysed,the interrelated front technology development is advanced and the feature of technology developed is induced. Key words:precision machining ultraprecision machining AMT machinery manufacturing收稿日期：1998—12—07 从先进制造技术的实质而论，主要有精密加工技术和超精密加工技术、制造自动化两大领域［1］：前者包括精密加工、超精密加工、微细加工及纳米加工，它追求加工上的精度和表面质量的极限，可统称为精密工程；后者包括设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量、提高和稳定加工质量的有效举措。

两者有密切联系，许多精密加工和超精密加工要靠自动化技术才能达到预期目标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能得以准确实现。

精密工程和制造自动化具有全局性的、决定性的作用，是先进制造技术的支柱。

1　精密加工和超精密加工的技术内涵 通常按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工。

由于生产技术的不断发展，划分的界限将随着历史进程而逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，并且在具体数值上至今没有固定的界说。

1.1　精密加工和超精密加工的范畴 当前，精密加工是指加工精度为1 μm～0.1 μm、表面粗糙度为0.1 μm～0.025 μm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于0.1 μm、表面粗糙度小于0.025 μm的加工技术。

因此，超精密加工又称之为亚微米级加工。

超精密加工已进入纳米级精度阶段，故出现了纳米加工及其相应的纳米技术。

从精密加工和超精密加工的范畴来看，它应该包括微细加工、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提出的，由于尺寸微小，其精度是用尺寸额绝对值来表示，而不是像一般尺寸那样，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，不着重于加工精度的提高，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，同时又要提高加工精度的加工方法，可弥补光整加工的不足。

1.2　精密加工和超精密加工方法 根据加工方法的机理和特点，精密加工和超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工3大类，见表1。

去除加工是从工件上去除一部分材料。

结合加工是利用理化方法将不同材料结合在一起，又分为附着（Deposition）、注入（Injection）和连接（Join-ted）3种。

附着加工是在工件表面上覆盖一层物质，是一种弱结合，典型的加工方法是镀；注入加工是在工件表面注入某些元素，使之与基体材料产生物化反应，是具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质；连接加工是将两种相同或不同材料通过表1　精密加工和超精密加工分类加工机理主要加工方法示例去除加工 （分离加工）电物理加工电化学加工力学加工、力溅射热蒸发、热扩散、热溶解电火花加工（电火花成形、电火花线切割）电解加工、蚀刻（电子束曝光）、化学机械抛光切削、磨削、研磨、抛光、珩磨、超声波加工、离子溅射加工、等离子加工、喷射加工电子束加工、激光加工、脱碳处理、气割结合加工附着加工(沉积加工)化学电化学热、热熔化力物理化学镀、化学气相沉积电镀、电铸真空蒸镀、熔化镀离子镀（离子沉积）、物理气相沉积注入加工(渗入加工)化学电化学热、热扩散力物理氧化、氮化、活性化学反应阳极氧化晶体生长、分子束外延、掺杂、渗碳、烧结离子束外延、离子注入连接加工热物理、电物理化学激光焊接、气焊、电焊、快速成形加工化学粘接变形加工 （流动加工）热流动、表面热流动粘滞流动分子定向锻造、热流动加工（气体火焰、高频电流、热射线、电子束、激光）铸造、液体流动加工（金属、塑料等压铸、注塑）液晶定向物化方法连接在一起。

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。

从材料在加工过程中的流动来分析，去除加工是使材料逐渐减少，一部分材料变为切屑，这种流动称之为分散流；结合加工是使材料逐渐增加，这种流动称之为汇合流；变形加工是使材料基本不变，这种流动称之为直通流。

近年来，提出了电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形等加工方法，突破了传统加工概念，特别是快速成形加工是一种利用离散/堆积成形技术的分层制造，是一种接合法。

从加工方法的机理、特点和传统来分类，精密加工和超精密加工又可分为传统加工、非传统加工和复合加工。

传统加工是指刀具切削加工、固结磨料和游离磨料的磨削加工；非传统加工是指利用电能、磁能、声能、光能、化学能、核能等对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用，进行优势互补，相辅相成。

当前，在制造业中，占主要地位的仍是传统加工方法，而非传统加工和复合加工是其重要的发展方向。

精密加工和超精密加工的范畴还包括微细加工和超微细加工、精整加工和光整加工：它们的加工方法大多相同，只是加工的技术要求、侧重点、目标相异而已，例如研磨加工在精密加工中要求达到高精度和高表面质量，在微细加工中要求加工微细尺寸，在光整加工中主要要求低表面粗糙度，在精整加工中则同时强调了精度与表面质量。

2　精密加工和超精密加工的体系结构2.1　精密加工系统工程 精密加工和超精密加工的发展已从单纯的技术方法形成制造系统工程，简称精密工程，其系统的体系结构见图1。

它以人、技术、组织为基础，涉及超微量去除、结合、变形加工技术图1　精密加工系统工程体系结构，高稳定性和高净化的加工环境、检测与误差补偿，工况监测与质量控制，被加工材料等。

精密工程是一个制造系统［2］，其系统由物质分系统、信息分系统、能量分系统构成。

它与普通制造系统有许多相同的共性技术、基础和关键问题，但在精度上要高得多。

精密工程的技术难度大、产品要求高、投资很大，除基础共性技术外，产品个性比较突出，其实施大多靠产品投资支持，因此，以产品为核心更为重要。

2.2　影响精密加工和超精密加工的因素 影响精密加工和超精密加工的因素很多［3］，现择主要因素论述如下。

2.2.1　加工机理 近年来，新工艺、新加工方法不断出现，应充分注意寻求新的加工手段。

在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能束加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花、电化学加工等多种方法；特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，都是在加工机理上有所创新。

在加工机理上的突破还表现在明确提出了去除加工、结合加工和变形加工，特别是以快速成形制造为代表的“堆积”加工的出现，在加工技术上具有里程碑意义。

2.2.2　被加工材料 精密加工和超精密加工应该用相应的材料，对其化学成分、物理力学性能、加工性均有严格要求：应该质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷。

其化学成分的误差应在10-2～10-3数量级，不能含有杂质。

其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率、膨胀系数等应达到10-5～10-6数量级。

冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，并能满足物理、化学、力学等性能上的要求。

2.2.3　加工设备及其基础元部件 对精密加工和超精密加工所用的加工设备应有以下一些要求： (1)高精度　包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。

(2)高刚度　包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。

(3)高稳定性　设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下，在使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作。

因此，设备应有良好的耐磨性、抗振性等。

(4)高自动化　为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多用数控系统实现自动化。

由于加工设备的质量与基础元部件密切相关，所以应注意基础元部件的质量。

2.2.4　加工工具 主要是指刀具、磨具及刃磨技术。

对于金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有金刚石刀具的超精密刃磨，使其刃口钝圆半径达到2 nm～4 nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若极薄切削的厚度欲达10 nm，则刃口钝圆半径应为2 nm。

在切削时其精确对刀是非常重要的，它直接影响加工精度、表面粗糙度和加工效率。

对于磨具当前主要是金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。