机械制造技术的主要发展趋势一是自动化与智能化,二是精密化和高效化。精密与超精密加工技术已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术。这是因为,一方面,许多高技术产品需要高精度制造;另一方面,发展尖端技术、国防工业、微电子工业等都需要精密与超精密加工制造出来的仪器、设备和装备予以保障。当前现代制造技术的前沿——极端制造与智能制造,也需要精密与超精密加工技术作为发展基础。此外,从现实生产角度看,提高加工精度有利于提高产品的性能与质量、工作稳定性与可靠性,有利于增强零件的互换性和装配效率,并促进产品小型化。
目前,工业发达国家的一般工厂能稳定掌握的加工精度是1μm。与此相对应,通常将加工精度在0.1~1μm、加工表面粗糙度 Ra 在0.02~0.1μm之间的加工方法称为精密加工,而将加工精度高于0.1μm且加工表面粗糙度 Ra 小于0.01μm的加工方法称为超精密加工。
精密与超精密加工,不是指某一特定的加工方法,也不是指比某一给定的加工精度高一个数量级的加工技术,而是指在机械加工领域中,某个历史时期所能达到的最高数量级或最高加工精度的各种精密加工方法的总称。精密与超精密加工的精度界限,在不同的时代与科学发展阶段有不同的标准。例如,在瓦特时代发明蒸汽机时,加工汽缸的精度是用厘米级衡量的,能达到毫米级的精度即超精密加工。从那以后,大约每50年,加工精度便提高一个数量级;进入20世纪以后,大约每30年加工精度提高一个量级,1900—2000年加工精度的演变如图1-1所示。目前,人类已经实现了原子级加工精度。
也可以按去除或堆叠材料的最小尺度划分加工方法。物质是由原子组成的,从机械破坏的角度看,最小则是以原子为单位(原子的大小为几埃,即 , )的破坏。在加工中以原子为单位去除和堆叠材料是加工的极限。从这一角度可以把接近于加工极限的加工技术称为超精密加工。去除单位及其相关因素如图1-2所示。有时,人们把光整加工、精整加工和微细加工也归为精密与超精密加工。但实际上,它们是有区别的。光整加工主要指降低表面粗糙度和提高表层物理性能和力学性能的一些加工方法,如研磨、抛光、珩磨、无屑加工(滚压加工)等。精整加工兼顾提高精度和提高表面质量。微细加工主要是指制造微小尺寸特征和零件的加工方法。
图1-1 1900—2000年加工精度的演变
图1-2 去除单位及其相关因素
实际上,加工精度的提高不仅取决于加工方法的选择,还与很多因素有关,如加工原理、被加工材料、加工设备、工艺装备、工件的定位与夹紧、检测与误差补偿、工作环境和人的技艺等。可见,加工精度是由综合因素共同决定的。一般而言,精密与超精密加工有如下特点:
(1)基于创造性原则,精密与超精密加工一般需要专门机床或辅以特别工艺手段/仪器设备,才能达到加工要求。
(2)材料微量去除或堆叠。
(3)需要高性能的综合制造工艺系统。
(4)需要借助特种加工或复合加工手段。
(5)自动化程度高。
(6)加工检测一体化,精密与超精密加工,不仅要进行离线检测,而且时常需要在线检测和误差补偿。
就加工方法来说,精密与超精密加工主要包括3个领域:
(1)超精密切削加工,如超精密金刚石刀具切削,可加工各种镜面,它成功地解决了高精度陀螺仪、激光反射镜和某些大型反射镜的加工。
(2)精密与超精密磨削、研磨和抛光,如大规模集成电路和高精度硬磁盘的加工。
(3)精密特种加工,如电子束加工和离子束加工等。