超精密加工技术及其影响因素

超精密加工技术及其影响因素

李小占

商丘工学院 机械工程学院 河南 商丘 476000

摘要：超精密加工是处于发展中的跨学科综合技术。随着科技的发展，各个领域对零件的加工精度要求越来越高，传统的加工方法已满足不了需求，超精密加工依靠自动化技术可以达到纳米级的加工精度。本文就国内外超精密机床加工研究现状做了简单介绍，概述了超精密加工的关键技术以及影响超精密加工的环境因素，为超精密加工在各行业的应用提供理论参考。

关键词：超精密加工；机床；纳米加工

1 引言

超精密加工技术在国防建设与国民经济发展中具有不可替代的作用，它是现代高技术战争的重要支撑技术，也是现代基础科学技术发展的重要保障。超精密加工技术在航空航天、光学、医学和民用设备等都用很大作用。从某种意义上说，超精密加工技术是衡量一个国家科技实力的重要标志之一。超精密机床是实现超精密加工的关键载体，它直接决定了零件加工的精度、效率和可靠性。由于超精密机床的重要性和特殊性，发达国家长期对我国进行技术封锁，因此研究和发展超精密机床对我国科技和工业的发展而言既具有重要的现实意义，也是必由之路^[1]。

2 国内外超精密机床研究现状

当前，超精密加工技术处于国际领先地位的主要有美国、英国和日本等，为此他们都曾设有专门研究机构，制定专门的研究计划，如20世纪80年代美国制定面向超精密机床研究的计划。

在工业界，美国Moore和Precitech等公司，日本Fanuc和Toshiba等公司，德国Kugler公司，英国Tayler /Hobson-Pneumo 公司和源于Cranfield大学精密工程研究所的Cranfield Precision公司、Loxham Precision公司等都研制了多种高端超精密机床，并有成熟的商品化产品，在20世纪60年代初就已开发了单点金刚石刀具切削技术及相应的超精密机床，以应对国防航天领域尖端技术的需要。

我国于20 世纪80年代初才开始超精密加工技术与机床方面的研究，起步较晚，近30年来，经过政府和相关研究单位的努力，取得了很大进步，某些方面达到了世界先进水平，如目前已经成功研制出回转精度达0. 025 μm的超精密轴系，并装备到超精密车床和铣床，解决了长期以来由于国外技术封锁给超精密机床开发带来的巨大阻力．但是，与国外发达国家相比，总体上还有不小的差距．目前，我国研究和开发超精密机床的单位主要有：北京机床研究所，北京航空精密机械研究所，哈尔滨工业大学，天津大学等。

3 超精密加工方法

3.1超精密切削加工

采用金刚石刀具，在超精密机床上，用车（铣）削的加工方法进行加工。主要用于加工铝、铜等有色金属材料的超精密零件。

3.2超精密磨削加工

采用金刚石或立方氮化硼砂轮，在超精密磨床上，用磨削的方法进行加工。主要用于加工玻璃、陶瓷等硬脆材料的超精密零件。

3.3超精密研磨加工

采用细小均匀的研磨剂，施力作用于工件表面并产生平稳的研磨运动，微量除去工件表面材料的加工。

3.4超精密特种加工

3.4.1电子束加工

在真空中将阴极不断发射出的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度很高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料融化、汽化，并被真空抽走。

3.4.2离子束加工

在真空中将离子源产生的离子加速、聚焦，使之撞击工件表面，由于离子带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，因而靠微观的机械撞击能量进行加工。

3.4.3激光束加工

由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能，使材料融化、汽化，并被真空抽走。

3.4.4微细电火花加工

在绝缘的工作液中，通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来融化和汽化除去金属。通过精密控制单个脉冲放电能量和精密微量进给，就可实现极微细的金属材料的除去。

3.4.5 微细电解加工

导电工作液中，水被离解为氢离子和氢氧根离子，工件为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子融入电解液，被电解下来。且与氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀。超声只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现超精密加工。

4 超精密加工关键技术

4.1超精密机床技术

对超精密机床的要求:高精度（几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率）；高刚度:（静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度）；高稳定性（长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐磨性、抗振性、无热变形高自动化）。

4.2 精密刀具技术

刀具材料为金刚石和CBN，刀具超精密刃磨:切削厚度10nm，要求刀具刃口纯半径为2nm。砂轮的超微细磨料及致密成型砂轮的精密修整。

4.3 被加工材料

对其化学成分、物理力学性能、加工性要求化学成分误差在10

^-2-10^-3%，物理力学性能（拉伸强度、硬度、弹性模量、热导率、膨胀系数等）。材质纯净、晶粒大小均匀、无方向性。

4.4 精密检测技术

超精密运动检测技术包括双频激光干涉仪的分辨率1.25nm；超精密光栅尺的分辨率2nm。微位移，高精度尺寸、形位测量仪器有电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪等。表面粗糙度测量仪器有电感式、压电晶体式等。

5 影响超精密加工的环境因素

5.1环境温度变化

在超精密加工中，温度变化成为加工误差的主要来源。环境温度的变化会造成机床设备和被加工件的热变形，由于机床设备部件与被加工零件线膨胀系数不同，从而产生加工误差。现阶段超精密加工车间会为每台机床配备温度控制器，车间配备调节温度，空调如果环境温度变化值（±1）°每（15~20）min，就会使被加工零件表面产生0.5μm左右的波纹，即零件表面出现周期为（15~20）min，幅值为0.5μm左右的周期性波纹，严重影响被加工零件的精度，因此超精密加工一定要确定恒温工作。

5.2外界和自身振动

振动使加工精度降低，粗糙度增大，降低加工的精度。振动主要包括外界振动和自身振动，而外界和自身的振动干扰会使加工和被加工物体之间产生多余的相对运动而无法达到需要的加工精度和表面质量。振动过大时，会造成零件与刀具之间产生相对位移，从而增大加工误差。外界振动主要包括自然外力引起的振动。自身振动主要包括机床自身电机的振动、机床旋转件动不平衡量引起的振动和道具切削过程中的冲击引起的振动等^[3]。

6 结束语

精密和超精密加工，是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。我国的制造业发展已进入了高速发展阶段，随着时间的发展，原来达不到的加工精度会变得相对容易，同时随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入，相信我国的超精密加工技术会在制造业拥有很大的应用场景^[4]。

参考文献

[1]梁迎春,陈国达,孙雅洲,陈家轩,陈万群,于楠.超精密机床研究现状与展望[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(05):28-39.

[2]王倩.超精密加工方法及其影响因素[J].邢台职业技术学院学报,2005(03):71-72.

[3]夏欢,吉方,陶继忠,赵午云.超精密零件加工的影响因素分析[J].机械设计与制造,2012(12):134-136.

[4]谭加.超精密加工技术浅谈[J].科技创新与应用,2012(17):118.

作者简介：李小占，男，现任教于商丘工学院机械工程学院。