精密加工方法与精密加工技术概况

目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm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。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，有时有无表面缺陷也是这一问题的核心；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、光整加工等技术。

传统的精密加工方法有布轮抛光、砂带磨削、超精细切削、精细磨削、珩磨、研磨、超精研抛技术、磁粒光整等。

砂带磨削是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。

精密切削也称金刚石刀具切削，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，比一般切削加工精度要高1~2个等级。从成本上看，用精密切削加工的光学反射镜，与过去用镀铬经磨削加工的产品相比，成本大约是后者的一半或几分之一。但许多因素对精密切削的效果有影响，所以要达到预期的效果很不容易。同时，金刚石刀具切削较硬的材料时磨损较快，而且加工出的工件的表面粗糙度和几何形状精度均不理想。

超精密磨削用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工，金属的去除量可在亚微米级甚至更小，可以达到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。尺寸精度0.1~0.3μm，表面粗糙度Ra0.2~0.05μm，效率高。应用范围广泛，从软金属到淬火钢、不锈钢、高速钢等难切削材料，及半导体、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料，几乎所有的材料都可利用磨削进行加工。但磨削加工后，被加工的表面在磨削力及磨削热的作用下金相组织要发生变化，易产生加工硬化、淬火硬化、热应力层、残余应力层和磨削裂纹等缺陷。

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Ra0.4~0.1μm，最好可达Ra0.025μm，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。

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≤0.025μm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。但精密研磨的效率较低，如干研速度一般为10~30m/min，湿研速度为20~120m/min。对加工环境要求严格，如有大磨料或异物混入时，将使表面产生很难去除的划伤。

抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。

手工或机械抛光是用涂有磨膏的抛光器，在一定的压力下，与工件表面做相对运动，以实现对工件表面的光整加工。加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。手工抛光的加工效果与操作者的熟练程度有关。

超声波抛光是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液对硬脆材料进行光整加工，加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。超声抛光设备简单，操作、维修方便，工具可用较软的材料制作，而且不需作复杂的运动，主要用来加工硬脆材料，如不导电的非金属材料，当加工导电的硬质金属材料时，生产率较低。

化学抛光是通过硝酸和磷酸等氧化剂，在一定的条件下，使被加工的金属表面氧化，使表面平整化和光泽化。化学抛光设备简单，可以加工各种形状的工件，效率较高，加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm，但腐蚀液对人体和设备有损伤，污染环境，需妥善处理。主要用来对不锈钢、铜、铝及其合金的光亮修饰加工。

电化学抛光是利用电化学反应去除切削加工所残留的微观不平度，以提高零件表面光亮度的方法。它比机械抛光具有较高的生产率和小的表面粗糙度：一般可达Ra0.2μm，若原始表面为Ra0.4~0.2μm，则抛光后可提高到Ra0.1~0.08μm，加工后工件具有较好的物理机械性能，使用寿命长，但电化学抛光只能加工导电的材料。随着电化学加工技术的发展，还产生了多种新型的复合加工方法，例如超精密电解磨削、电化学机械复合光整加工、电化学超精加工等。它们主要以降低工件的表面粗糙度值为目的，加工去除量很小，一般在0.01~0.1mm，对于表面粗糙度达到Ra0.8~1.6μm的外圆，平面、内孔及自由曲面均可一道工序加工到镜面，表面粗糙度Ra0.05μm，甚至更低。电化学机械加工属于一种加工单位极小的精密加工方法，从原理上讲加工精度可以达到原子级，所以加工精度具有大的潜力，但由于左右其加工精度的因素目前还不是很清楚，所以在实际应用中，其加工表现出一定的不稳定性，这在很大程度上限制了它在工业生产中的应用。

目前精密加工所能达到的加工精度距加工的极限还有相当的距离。努力开发加工单位极小的精密加工方法，必须在加工机理的本身就使其误差分散在1nm以下的水平。目前加工单位比较小的加工方法主要有弹性破坏加工、化学加工、离子束加工、电子束加工、等离子体加工等。目前的金刚石切削和金刚石砂轮精密磨削从其加工机理上看，其加工单位就很大，从本质上讲，要想得到0.05μm以下的精度开发精密的机械机构不论是加工装置还是测量装置，都需要精密的机械机构，包括导轨、进给机构及轴承等，超精密空气静压导轨是目前最好的导轨，其直线度可达(0.1~0.2)μm/250mm，通过补偿技术还可以进一步提高直线度，但是它没有液体静压导轨的刚性大。同时，由于空气静压导轨的气膜厚度只有10μm左右，所以在使用过程中，要注意防尘。另外，在导轨的设计中，还可以用多根导轨并联来均化气膜的误差。用高弹性合金、红宝石制造的滚动导轨，系统误差在0.5μm左右，随机误差可能超过0.1μm。

目前超精密加工中所使用的磁悬浮轴承主轴精度低于空气静压轴承主轴，空气静压轴承主轴的回转精度可达0.03μm，但这仍然无法满足纳米加工对主轴的精度要求。要想提高空气静压轴承主轴的回转精度就必须提高轴承的回转精度，而空气静压轴承的回转精度受轴承部件的圆度和供气条件的影响，由于压力膜的作用，轴承的回转精度是轴承部件圆度的1/15~1/20，所以，要得到10nm的回转精度，轴和轴套的圆度要达到0.15~0.20μm。

在目前的超精密加工领域中，对加工精度的测量主要有两种方法；激光检测和光栅检测，而光栅的应用最为广泛。目前光栅的测量精度可达nm级。

精度高和可靠性高的检测仪器和控制装置的前提是开发高性能的传感器以及伺服从动机构。如果开发出高性能的传感器以及伺服机构及高精度、高速度、和高可靠性的读出装置，就可通过使用计算机进行检测、分析及计算，以提高检测精度。

精密加工技术在今天显得越来越重要，已成为目前高科技技术领域的基础，与超精密加工有关的技术问题还有很多方面，如温度控制技术、振动控制技术、环境控制技术等。