精密加工和超精密加工的影響因素
salC4z3 B^/MwD>% 影響精密加工和超精密加工的因素很多，主要有加工機(jī)理、被加工材料、加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件、加工工具、檢測與誤差補(bǔ)償、工作環(huán)境、工藝過程設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、人的技藝等。
%jzTQ+.%]^ 1 加工機(jī)理
H P.=6bJWi (l)新工藝新方法。近年來，新工藝新加工方法不斷出現(xiàn)，應(yīng)充分注意尋求新的加工手段。在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶研拋和磨料加工等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能束加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花加工、電化學(xué)加工等多種方法；特別是復(fù)合加工，如電解研磨、超聲珩磨等，都是在加工機(jī)理上有所創(chuàng)新的，新的加工機(jī)理出現(xiàn)，標(biāo)志著一種技術(shù)突破，往往是新技術(shù)的生長點(diǎn)。
`s)4F~aVo (2)加工、處理的新概念。在加工機(jī)理上的突破表現(xiàn)在明確提出了去除加工、結(jié)合加工和變形加工，特別是以快速成形制造為代表的“堆積”加工的出現(xiàn)，在加工技術(shù)的思路上具有里程碑意義。
KE3`5Y! (3)極薄加工具有無限生命力。越精密加工的目標(biāo)和追求就是要尋求和探討加工極限，目前的極薄切削水平是納米級，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)極限將逐步前移，值得研究的問題還很多。
gLX<> |) * (4)進(jìn)化加工原則值得提倡。利用精度低于工件精度要求的機(jī)床設(shè)備，借助工藝手段、特殊工具、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等，直接或間接加工出所需工件，這種進(jìn)化加工原則將影響精密加工和超精密加工的全局。
7. <jdp 從上述幾點(diǎn)可以看出，加工機(jī)理研究是精密加工和超精密加工的理論基礎(chǔ)和新技術(shù)產(chǎn)生的源泉。加工機(jī)理是加工方法的本質(zhì)，是加工方法成敗、發(fā)展的關(guān)鍵。
E %bhd4$G 4j=3'Z| 2 被加工材料
u9"yU:1keb 精密加工和超精密加工應(yīng)該用相應(yīng)的精密加工和超精密加工用的材料，才能保證加工質(zhì)量，用一般加工用的材料或不合要求的材料進(jìn)行精密加工和超精密加工是不能達(dá)到預(yù)期效果的。
3W7^,ir 用于精密加工和超精密加工的材料，在化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能上均有嚴(yán)格要求；應(yīng)該質(zhì)地均勻，成分準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定、一致，無外部和內(nèi)部微觀缺陷。其化學(xué)成分的誤差應(yīng)在10-2～10-3數(shù)量級，且應(yīng)控制其雜質(zhì)含量或不含雜質(zhì)；其物理力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度、硬度、伸長率、彈性模量、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等，應(yīng)達(dá) 10-5～10-6數(shù)量級。冶煉、鑄造、軋輾、熱處理等工藝過程均應(yīng)嚴(yán)格控制，溫度、熔渣過濾、晶粒大小、均勻性及方向性等對材料在物理、化學(xué)、力學(xué)、加工等性能方面均有很大影響。
Mwnr4$] 例如，高密度硬磁盤的片基是用專門的鋁合金材料，在冶煉過程中，采用特殊的熔渣過濾裝置，防止表面生成氧化層；在軋制時(shí)，采用兩個(gè)方向交替滾軋，以防止晶粒產(chǎn)生纖維狀態(tài)，影響物理力學(xué)性能的均勻性，使磁盤最終在磁記錄性能上受到影響。
vHf)gi}O| d$3rcH1 3 加工設(shè)備及其元部件
Ncz4LKzt 精密加工和超精密加工所用的加工設(shè)備范圍很廣，如各種精密機(jī)床、越精密機(jī)床、激光加工機(jī)、精密電火花加工機(jī)床、離子束加工機(jī)，以及鍍膜、涂敷等加工設(shè)備。對切削加工設(shè)備來說，代表性的機(jī)床有超精密車床，用來加工各種軸類、盤套類和帶曲面的零件等；超精密銑床配有精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，用于加工平面和多面體零件；研磨機(jī)和拋光機(jī)仍然是重要的精密加工設(shè)備，用于加工外圓、孔、平面等，按加工需求有精密類型的。
p[C"K0>:_F 歸納起來，精密加工和超精密加工用的加工設(shè)備應(yīng)有以下一些要求：
F,Q;sq 1)高精度。包括高的靜精度和動(dòng)精度，主要的性能指標(biāo)有幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度(定位精度、重復(fù)定位精度)和分辨力等，如主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度、分度精度等。當(dāng)前，超精密車床的主軸回轉(zhuǎn)精度大多在0.02～0.03μm，導(dǎo)軌直線度為0.025/1000000，定位精度為0.013μm，重復(fù)定位精度為0.006μm，進(jìn)給分辨力為0.003μm，分度精度為0.5″�，F(xiàn)代的精密機(jī)床和超精密機(jī)床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導(dǎo)軌，精密滾珠絲杠傳動(dòng)，配有微動(dòng)工作臺(tái)、誤差補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)微位移。對于高速回轉(zhuǎn)的零件、部件都應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡。
nZbI} kcm (2)高剛度。包括靜剛度和動(dòng)剛度，除零、部件本身的剛度外，還應(yīng)注意接觸剛度，同時(shí)應(yīng)考慮由工件、機(jī)床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)剛度。精密機(jī)床和超精密機(jī)床雖然切削力不大，但機(jī)床受力變形將會(huì)造成精度上的很大影響。
wnokP (3)高穩(wěn)定性和保持性。設(shè)備在經(jīng)過運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、安裝調(diào)試后，在規(guī)定的工作環(huán)境下，使用過程中應(yīng)能長時(shí)間保持精度、抗干擾、穩(wěn)定地工作。因此，加工設(shè)備應(yīng)有良好的耐磨性、抗振性、熱穩(wěn)定性。
8X7??f1;Y (4)高自動(dòng)化。為了保證加工質(zhì)量，減少人為因素影響，現(xiàn)代精密機(jī)床和超精密機(jī)床多配置精密數(shù)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，或采用計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)適應(yīng)控制、優(yōu)化等以保證零件生產(chǎn)加工要求。
}_'5Vb_ 精密加工和超精密加工設(shè)備與其基礎(chǔ)元、部件關(guān)系密切，一方面，只有優(yōu)良的基礎(chǔ)元、部件才能有優(yōu)良的加工設(shè)備，因此世界各國均十分重視基礎(chǔ)元、部件的開發(fā)和研究，以便不斷提高精密加工和超精密加工設(shè)備的水平，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍；另一方面，優(yōu)良系列的基礎(chǔ)元部件可以快速響應(yīng)市場需求，縮短精密加工和超精密加工設(shè)備的開發(fā)周期。當(dāng)前，基礎(chǔ)元、部件的發(fā)展十分迅速，主要有主軸及其軸承、導(dǎo)軌及其滾動(dòng)組合體(滾動(dòng)直線導(dǎo)軌)、滾珠絲杠、光柵、激光檢測裝置、微位移裝置、分度轉(zhuǎn)臺(tái)等，而且已經(jīng)出現(xiàn)主軸單元、進(jìn)給單元等部件形式。主軸單元包含了主軸、軸承、電動(dòng)機(jī)及主軸箱，形成一個(gè)獨(dú)立體，甚至主軸與電動(dòng)機(jī)軸成為一體，電動(dòng)機(jī)為變頻電動(dòng)機(jī)，可進(jìn)行無級調(diào)速，代替了整個(gè)主軸部件；進(jìn)給單元是將導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服電動(dòng)機(jī)、位置檢測等合在一起，成為獨(dú)立體；新近，又出現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給伺服單元，簡稱直線單元，將直線電動(dòng)機(jī)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、光柵檢測裝置等合在一起，形成一個(gè)獨(dú)立體，直接得到直線運(yùn)動(dòng)，免去了由轉(zhuǎn)動(dòng)換為直線運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)，不僅結(jié)構(gòu)簡單，又提高了精度，可廣泛用于各種機(jī)床、加工中心上。
f\hMTebma$ ?gMx 4 加工工具
&YXJ{<s 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨、修整裝置。
V O: 4wC"7 對于超精密切削，首先是超硬刀具問題，目前的超硬刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷等，用得比較廣泛的是人造金剛石，即聚晶金剛石。最好的材料是天然金剛石，但價(jià)格昂貴。金剛石刀具有切削刃形面和幾何角度設(shè)計(jì)、晶體定向、晶面選擇、刃磨、切削時(shí)對刀等問題，其中如刃磨應(yīng)在專門的研磨機(jī)上進(jìn)行，要有高超的技藝，刃口鈍圓半徑是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，若極薄切削厚度欲達(dá)10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm；切削時(shí)精確方便地對刀將直接影響加工精度、表面粗糙度和加工效率，至今是一個(gè)難題。
ZRxOXt&; 對于超精密磨削，當(dāng)前主要的磨具是金剛石、立方氯化棚等微粉砂輪，這種砂輪有磨料粒度選擇、粘接劑選擇、修整方法等問題，通常金剛石微粉砂輪多采用粒度為W20～W0.5的金剛石微粉，采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等粘結(jié)劑，以銅為粘結(jié)劑居多。金剛石砂輪的修整分為整形和修銳兩個(gè)階段，前者是修出幾何形狀，后者是修出鋒利刃口，實(shí)際上是突出金剛石顆粒。由于金剛石微粉砂輪易堵塞，在使用中應(yīng)采用在線修整。常用的修整方法有電解法、電火花法、磨削法和軟彈性法等。
J#..xJ?XRD 對于超精密研磨和拋光，可采用鑄鐵、錫、聚酯、呢氈等材料作研具或拋光器，采用金剛石、立方氯化硼、鋯剛玉、鉻剛玉、氧化鋁、碳化硅等磨料，進(jìn)行非接觸研磨拋光、軟質(zhì)粒子研磨拋光、液中研磨拋光等，獲得高精度和低表面粗糙度。
2|>\A.I|= 刀具、磨具材料的選擇是一個(gè)關(guān)鍵，刀具磨具的發(fā)展史基本上可用刀具磨具材料的發(fā)展來代表，從碳鋼、合金鋼(高速鋼)、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼到金剛石，以及采用多元共滲、鍍膜、沉積等技術(shù)、提高了耐用度，超硬材料的出現(xiàn)給精密加工和超精密加工的發(fā)展提供了條件。目前，由于金剛石是由碳原子組成，與鐵碳構(gòu)成的黑色金屬有較大的親和力，故不宜切削黑色金屬，多用于切削有色金屬，現(xiàn)正在研究利用保護(hù)氣氛、低溫等措施來切削黑色金屬，或用立方氮化硼、陶瓷等材料。
77@N79lqO S[F06.(1 5 檢測與誤差補(bǔ)償
- Z, Qj"V 精密和越精密加工必須具備相應(yīng)的檢測技術(shù)和手段，不僅要檢測零件的精度和表面粗糙度，而且要檢測加工設(shè)備及基礎(chǔ)元、部件的精度。
'GJB9i+a^ 高精度的尺寸、幾何形狀及位置尺寸等可采用分辨力為0.l～0.01μm的電子測微計(jì)、分辨力為0.01～0.001μm的電感測微儀、電容測微儀，以及自準(zhǔn)直儀、雙頻激光干涉儀、圓度儀等來檢測。
|Mq+QDTTw~ 軸系回轉(zhuǎn)精度低速時(shí)靜態(tài)檢測可用電感測微儀、電容測微儀與基準(zhǔn)球來測量；高速動(dòng)態(tài)檢測可用電容測微儀和同步示波器按測量定點(diǎn)峰值變化的方法來測量。
Ljd`)+`D 導(dǎo)軌直線度可采用電子水平儀、自準(zhǔn)直儀和激光干涉儀等角度測量的方法來檢測，也可用基準(zhǔn)平尺與電子測微計(jì)分離平尺誤差的方法來檢測。
5!F;|*vC8 表面形貌和表面粗糙度的檢測分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測量多用觸針式的表面輪廓儀或表面形貌儀來檢測，所用傳感器多為電感式、壓電晶體式等，接觸式測量最大的缺點(diǎn)是檢測時(shí)會(huì)劃傷被測表面；非接觸測量可用氣動(dòng)法、光纖法、電容法、超聲微波法、隧道顯微鏡法、激光光斑法等。
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