影响精密加工和超精密加工的因素

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    影响精密加工和超精密加工的因素很多，主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。
  1 加工机理
  (l)新工艺新方法。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、精密砂带研抛和磨料加工等已占有重要地位；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、电火花加工、电化学加工等多种方法；特别是复合加工，如电解研磨、超声珩磨等，都是在加工机理上有所创新的，新的加工机理出现，标志着一种技术突破，往往是新技术的生长点。
  (2)加工、处理的新概念。在加工机理上的突破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，在加工技术的思路上具有里程碑意义。
  (3)极薄加工具有无限生命力。五金机械金机通提示，越精密加工的目标和追求就是要寻求和探讨加工极限，目前的极薄切削水平是纳米级，随着科学技术的发展，这个极限将逐步前移，值得研究的问题还很多。
  (4)进化加工原则值得提倡。利用精度低于工件精度要求的机床设备，借助工艺手段、特殊工具、计算机技术、传感器技术等，直接或间接加工出所需工件，这种进化加工原则将影响精密加工和超精密加工的全局。
  从上述几点可以看出，加工机理研究是精密加工和超精密加工的理论基础和新技术产生的源泉。加工机理是加工方法的本质，是加工方法成败、发展的关键。
  2 被加工材料
    精密加工和超精密加工应该用相应的精密加工和超精密加工用的材料，才能保证加工质量，用一般加工用的材料或不合要求的材料进行精密加工和超精密加工是不能达到预期效果的。
    用于精密加工和超精密加工的材料，在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严格要求；应该质地均匀，成分准确，性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷。其化学成分的误差应在10-2～10-3数量级，且应控制其杂质含量或不含杂质；其物理力学性能，如抗拉强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等，应达 10-5～10-6数量级。冶炼、铸造、轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制，温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料在物理、化学、力学、加工等性能方面均有很大影响。
  例如，高密度硬磁盘的片基是用专门的铝合金材料，在冶炼过程中，采用特殊的熔渣过滤装置，防止表面生成氧化层；在轧制时，采用两个方向交替滚轧，以防止晶粒产生纤维状态，影响物理力学性能的均匀性，使磁盘最终在磁记录性能上受到影响。
   3 加工设备及其元部件
  精密加工和超精密加工所用的加工设备范围很广，如各种精密机床、越精密机床、激光加工机、精密电火花加工机床、离子束加工机，以及镀膜、涂敷等加工设备。东莞机床厂金机通提示，对切削加工设备来说，代表性的机床有超精密车床，用来加工各种轴类、盘套类和带曲面的零件等；超精密铣床配有精密回转工作台，用于加工平面和多面体零件；研磨机和抛光机仍然是重要的精密加工设备，用于加工外圆、孔、平面等，按加工需求有精密类型的。
  归纳起来，精密加工和超精密加工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、运动精度(定位精度、重复定位精度)和分辨力等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等。当前，超精密车床的主轴回转精度大多在0.02～0.03μm，导轨直线度为0.025/1000000，定位精度为0.013μm，重复定位精度为0.006μm，进给分辨力为0.003μm，分度精度为0.5″。现代的精密机床和超精密机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，精密滚珠丝杠传动，配有微动工作台、误差补偿装置，实现微位移。对于高速回转的零件、部件都应进行动平衡。
  (2)高刚度。包括静刚度和动刚度，除零、部件本身的刚度外，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。精密机床和超精密机床虽然切削力不大，但机床受力变形将会造成精度上的很大影响。
  (3)高稳定性和保持性。设备在经过运输、仓储、安装调试后，在规定的工作环境下，使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定地工作。因此，加工设备应有良好的耐磨性、抗振性、热稳定性。
  (4)高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，现代精密机床和超精密机床多配置精密数控系统以实现自动控制，或采用计算机控制来实现适应控制、优化等以保证零件生产加工要求。
  精密加工和超精密加工设备与其基础元、部件关系密切，一方面，只有优良的基础元、部件才能有优良的加工设备，因此世界各国均十分重视基础元、部件的开发和研究，以便不断提高精密加工和超精密加工设备的水平，扩展其应用范围；另一方面，优良系列的基础元部件可以快速响应市场需求，缩短精密加工和超精密加工设备的开发周期。机床交易中心金机通表示，当前，基础元、部件的发展十分迅速，主要有主轴及其轴承、导轨及其滚动组合体(滚动直线导轨)、滚珠丝杠、光栅、激光检测装置、微位移装置、分度转台等，而且已经出现主轴单元、进给单元等部件形式。主轴单元包含了主轴、轴承、电动机及主轴箱，形成一个独立体，甚至主轴与电动机轴成为一体，电动机为变频电动机，可进行无级调速，代替了整个主轴部件；进给单元是将导轨、滚珠丝杠、伺服电动机、位置检测等合在一起，成为独立体；新近，又出现了直线电动机进给伺服单元，简称直线单元，将直线电动机、滚动导轨、光栅检测装置等合在一起，形成一个独立体，直接得到直线运动，免去了由转动换为直线运动的环节，不仅结构简单，又提高了精度，可广泛用于各种机床、加工中心上。
  4 加工工具
  加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨、修整装置。
  对于超精密切削，首先是超硬刀具问题，目前的超硬刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷等，用得比较广泛的是人造金刚石，即聚晶金刚石。最好的材料是天然金刚石，但价格昂贵。金刚石刀具有切削刃形面和几何角度设计、晶体定向、晶面选择、刃磨、切削时对刀等问题，其中如刃磨应在专门的研磨机上进行，要有高超的技艺，刃口钝圆半径是一个关键参数，若极薄切削厚度欲达10nm，则刃口钝圆半径应为2nm；切削时精确方便地对刀将直接影响加工精度、表面粗糙度和加工效率，至今是一个难题。
   对于超精密磨削，当前主要的磨具是金刚石、立方氯化棚等微粉砂轮，这种砂轮有磨料粒度选择、粘接剂选择、修整方法等问题，通常金刚石微粉砂轮多采用粒度为W20～W0.5的金刚石微粉，采用树脂、铜、纤维铸铁等粘结剂，以铜为粘结剂居多。金机通提示，金刚石砂轮的修整分为整，形和修锐两个阶段，前者是修出几何形状，后者是修出锋利刃口，实际上是突出金刚石颗粒。由于金刚石微粉砂轮易堵塞，在使用中应采用在线修整。常用的修整方法有电解法、电火花法、磨削法和软弹性法等。
  对于超精密研磨和抛光，可采用铸铁、锡、聚酯、呢毡等材料作研具或抛光器，采用金刚石、立方氯化硼、锆刚玉、铬刚玉、氧化铝、碳化硅等磨料，进行非接触研磨抛光、软质粒子研磨抛光、液中研磨抛光等，获得高精度和低表面粗糙度。
  刀具、磨具材料的选择是一个关键，刀具磨具的发展史基本上可用刀具磨具材料的发展来代表，从碳钢、合金钢(高速钢)、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼到金刚石，以及采用多元共渗、镀膜、沉积等技术、提高了耐用度，超硬材料的出现给精密加工和超精密加工的发展提供了条件。目前，由于金刚石是由碳原子组成，与铁碳构成的黑色金属有较大的亲和力，故不宜切削黑色金属，多用于切削有色金属，现正在研究利用保护气氛、低温等措施来切削黑色金属，或用立方氮化硼、陶瓷等材料。
   5 检测与误差补偿
    精密和越精密加工必须具备相应的检测技术和手段，不仅要检测零件的精度和表面粗糙度，而且要检测加工设备及基础元、部件的精度。
     高精度的尺寸、几何形状及位置尺寸等可采用分辨力为0.l～0.01μm的电子测微计、分辨力为0.01～0.001μm的电感测微仪、电容测微仪，以及自准直仪、双频激光干涉仪、圆度仪等来检测。
   轴系回转精度低速时静态检测可用电感测微仪、电容测微仪与基准球来测量；高速动态检测可用电容测微仪和同步示波器按测量定点峰值变化的方法来测量。
   导轨直线度可采用电子水平仪、自准直仪和激光干涉仪等角度测量的方法来检测，也可用基准平尺与电子测微计分离平尺误差的方法来检测。
    表面形貌和表面粗糙度的检测分为接触式和非接触式两类。接触式测量多用触针式的表面轮廓仪或表面形貌仪来检测，所用传感器多为电感式、压电晶体式等，接触式测量最大的缺点是检测时会划伤被测表面；非接触测量可用气动法、光纤法、电容法、超声微波法、隧道显微镜法、激光光斑法等。
  表面层的应力状态、变质层深度、微裂纹等缺陷可用X光衍射法、激光干涉法等来进行测量。
   精密检测和自动化检测是检测技术的两个重要方面，精密检测寻求检测精度的极限，自动化检测寻求非接触在线测量和误差分离、补偿技术。误差分离技术是用多个传感器在多处多个方位上同时进行检测，利用计算机硬软件进行处理，分离各种误差成分并分析造成误差的原因，为误差补偿创造条件。可见，误差分离与误差补偿关系密切，可以说，误差分离是误差补偿的先决条件，也可说误差分离是误差检测的重要组成部分。金铭模具城提示，误差补偿又可分为静态误差补偿和动态误差补偿两类。静态误差补偿是事先测出误差值，按需要的误差补偿值设计制造出补偿装置，用硬件(如校正尺等)或计算机软件建模，在加工时进行误差补偿。动态误差补偿是在在线检测的基础上，通过计算机建模和反馈控制系统进行实时补偿，因此，需要建立一个闭环自适应误差补偿系统。
  误差预防、误差补偿、误差预报是精密加工和超精密加工中提高加工精度的重要有效举措。误差预防是通过提高工艺系统精度、保证工作环境的条件等来减少误差源、减少误差的影响，具有治本性；误差补偿是通过修正来抵消或消除误差，具有治标性；而误差预报是根据误差出现的发展趋势，得出预测值，进行相应的补救措施，并可真正做到无滞后的实时补偿，具有主动性。
  6 工作环境
  精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大，因此，工作环境是保证加工质量的必要条件。工作环境主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求。
  (l)恒温。环境温度可根据加工要求控制在20℃±(1～0.02)℃，甚至达到(20±0.0005)℃。达到恒温的办法可采用专门恒温室(间)的整体恒温和恒温罩的局部恒温。整体恒温可采用大恒温室、中恒温室、小恒室、地下恒温室等多层套间结构，逐渐得到控制精度越来越高的室温；同时采用地板恒温方式使温度分布均匀。
  由于季节的温差，为了节省能源，标准室温在夏季可定为23℃、冬季可定为17℃，事实证明，这样的规定是可行的。
  (2)恒湿。在恒温室内，一般湿度保持在55%～60%，以防止机器的锈蚀，石材吸水膨胀，以及会影响一些仪器如激光干涉仪的零点漂移等。
  (3)净化。在超精密加工时，空气中的尘埃可能会划伤被加工表面，有时尘埃的大小可能比磨料的颗粒还要大，从而会破坏加工表面，使磨料加工不能达到预期效果，因此要进行空气的洁净处理。
  进行空气净化的主要方法是滤清，进行净化的房间称净化室或超净室。净化可分为整体净化和局部净化，局部净化如净化工作台、净化腔等，其方法是在净化区内通入正压洁净空气，可防止外界空气进入，以保持净化效果，且比较经济。东莞模具金机通提示，由于人是要进入净化室工作的，工作人员的衣物、头发、皮肤都会带入尘埃，因此，在进入净化室前应更换专门的衣服，甚至是特制的无尘服，进行风淋后，再进室工作，以控制人员活动时产生尘埃的影响，保持洁净度。
  由于直径大于0.5μm的尘埃对超精密加工的表面质量影响最大，故通常用每立方英尺体积中直径大于0.5μm的尘埃数来表示空气净化等级，一般净化要求在100级～10000级。
  (4)防振。在精密加工和超精密加工时，振动对加工质量的影响比较大，其振源来自两方面，一是机床等加工设备产生的振动，如由回转零件的不平衡，零件或部件刚度不足等；二是来自加工设备外部，由地基传入的振动，如邻近机床工作时产生的振动，这就需要将加工设备安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，同时可使用空气弹簧(垫)来隔离低频振动，灵活方便，效果良好。
  精密加工和超精密加工有时还需要一些特殊工作环境，如防磁、防静电、防电子辐射、防声波、防X射线、防原子辐射等，可根据需求进行整体环境或局部环境的处理。
  7 工艺过程设计
  工艺过程设计对加工质量、生产率、成本往往具有关键性的全局影响，在精密加工和超精密加工中更是如此，除应该遵循一般加工的原则和规律外，还应考虑以下问题。
  (l)循序渐近、严格要求。进行精密加工和超精密加工的工件，一定要有良好的粗、半精、精顺序加工基础。原材料，各工序加工质量应严格要求，工件在搬运存储中不得碰伤、工作地环境应清洁整齐、有条不紊。
  (2)正确选择定位基准，控制定位基准加工质量。往往采用加工面本身为定位基准，以保证加工余量的均匀；采用互为基准原则保证有位置精度要求的表面；要保证定位基准的加工质量及洁净，在每道工序加工前，要注意定位基准是否受损和洁净，在粗精工序转换时，应安排修磨定位基准工序。
  (3)要注意工件的夹紧变形和加工中变形。在超精密加工时，由于是微量去除，可能产生安装变形大于加工余量的情况，最好能做到无变形装夹。对于一些加工中易变形的零件，薄片状零件可用真空吸盘吸附；不规则形状的零件可采用液态橡胶、沥青、工业用腊。电流变体(一种糊状液体，当通电流时即可固化，断电后恢复液态)等物质将工件粘接(溶接)于夹具上进行加工；当然也可以采用过定位结构来提高工件本身的刚度。
  (4)注意热处理工序的安排。精密加工和超精密加工中的内应力变形对零件加工精度有严重影响，而且一直是一个难题，因此在加工时要在粗、半精、精加工阶段转换时安排人工时效甚至自然时效来消除内应力，在关键工序前也要安排相应地热处理工序。
  8 夹具设计
  夹具是构成机械加工工艺系统的重要组成部分，其设计是否合理、制造质量是否能保证对工件的加工影响很大。夹具与刀具(磨具)、辅具、检具等构成了工艺装备。
  在精密加工和超精密加工中，可选用精密通用夹具，如转台、卡盘等，但多数情况要设计精密专用夹具，并往往成为零件加工的关键，因此，在设计制造时应注意以下几点。
  (l)要按精密夹具设计的要求进行设计、制造。夹具的定位元件应有高精度，并耐磨损，夹具与机床的装夹部分也应有高的定位精度。整个夹具应有高刚度和精度保持性。
  (2)要注意工件的夹紧变形。夹紧力应足够，但不得使工件产生变形，特别是对于那些刚度比较差的零件，可采用一些特殊夹紧方法或夹紧装置结构。如采用多辅助支承结构，手工夹紧时用定转矩扳手，采用过定位结构等。可利用有限元分析进行一些必要的核算。
  (3)夹具上的定位基准面“就地加工”。为了保证夹具的质量，可在夹具每次装夹在机床上后，利用机床进行“就地加工”以保工件的高精度装夹。这时，在夹具要加工的表面应留出足够多次加工的余量。例如，超精密车削磁盘盘片表面时，利用真空吸盘进行装夹，真空吸盘每次装夹在机床主轴上后，对其定位面进行一次超精密车削，从而保证了真空吸盘定位面本身的平面度及其与机床主轴轴线的垂直度，这不仅保证了盘片吸附的紧密性和所需的夹紧力，同时又避免了在夹紧时由于真空吸盘定位面的不平而造成盘片的变形，保证了盘片的平面度及厚度的均匀性。此外，也使盘片在加工时加工余量均匀，减少了误差复映。
  9 人的技艺
    当前，精密加工和超精密加工的加工质量和水平在一定程度上靠技术人员和操作工人的技艺来保证。加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者决定了工件的加工精度。因此，人的技术水平，知识面、经验和操作熟练程度，往往是影响精密加工和越精密加工质量和效率的重要因素。这里应特别强调操作者，他不仅要有高超的技艺，而且要有宽广的知识面，懂得机械、电子、物理、化学、计算机技术，才能胜任这一工作。例如， 金刚石刀具的刃磨、精密静压轴承的制造中，精密研磨是关键技术，与人的技艺关系密切。
    除上述的影响因素外，尚有市场需求及决策、组织管理及体制、标准化和规格化、资料和开发工具等问题，均归于“其他”因素内。

柳州圣砂机电