下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
数控加工技术被广泛应用于各行各业的加工制造中，对于航空、航天、汽车和医疗等多种行业的发展起着至关重要的作用。由于效率和质量是制造技术研究的重点，所以高精度、高效率的数控加工技术也成为数控行业发展的方向。目前，在精度方面，超精密数控机床的精度可达到0.003mm。在效率方面，数控机床的切削速度达到100m/min。然而，由于数控加工技术需求的不同，衍生出各种各样的数控加工技术。精密加工主要包括精密切削（车、铣）、精密磨削研磨（机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨以及弹性发射加工等）和精密特种加工（电子束、离子束、等离子加工、激光束加工以及电加工等）。
（一）精密切削加工
精密切削加工可以加工出表面质量极高的表面。在此过程中，刀具是制约加工精度的重要因素之一。随着加工速度的不断提升，普通刀具已经难以保持良好的切削性能，刀具磨损也极其严重，这对加工精度的影响是致命的，因而在高速切削加工中，刀具材料从碳素钢和合金工具钢，发展到高速钢、硬质合金钢、陶瓷刀具，以实现精密高速切削。人造金刚石、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）及聚晶立方氮化硼（PCBN）等刀具，可以达到纳米尺度的超精密切削。此外，精密切削加工还采用了高精度的基础元部件（如精密轴承、气浮导轨等）、高精度的定位检测元件（如光栅、激光检测系统等），以及高分辨力的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振及隔振等措施。
（二）精密磨削加工
精密磨削技术是基于一般磨削而发展起来的，是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、几何精度和很低的表面粗糙度值。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。
精密磨削不仅要得到镜面级的表面粗糙度，还要保证能够获得精确的几何形状和尺寸。这一过程中砂轮的修整技术相当关键。尽管磨削比研磨更能有效地去除物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线修整（ELID）铸铁纤维结合剂（CIFB）砂轮技术可以很好地解决这个问题，如图1-9所示。主要的修整方法还有电化学在线控制修整（ECD）、干式ECD、电化学放电加工（ECDM）、激光辅助修整及喷射压力修整等。
图1-9 电解在线修正磨削法ELID原理
（三）精密研磨
精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。研磨金刚石车刀除采用机械磨料研磨之外，还采用了离子刻蚀和热化学方法。在研磨中，研磨盘原来均用高磷铸铁，后来采用高速钢研磨盘。例如：日本东海大学安永畅男教授等提出采用高速回转的高速钢盘与被加工的金刚石在接触和摆动中，通过物理化学作用，不用磨料，高速研磨金刚石车刀，完全突破了传统的研磨途径。超精密研磨可解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等。这种过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度，使磨具保持高速研磨能力。
（四）超精密特种加工
当加工精度要求达到纳米甚至达到原子单位（原子晶格距离为0.1～0.2nm）时，切削加工方法已不能符合加工精度要求，这就需要借助特种加工方法，即应用化学能、热能、电能或电化学能等，使这些能量超越原子间的结合能，从而去除工件表面部分原子间的附着、结合或晶格变形，以达到超精密加工的目的。
1.电子束加工
电子束加工是指在真空中将阴极（电子枪）不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台 X 、 Y 方向的数控位移，可实现打孔、成形切割、刻蚀及光刻曝光等工艺。集成电路制造中因广泛采用波长比可见光短得多的电子束光刻曝光，所以可以达到高达0.25μm的线条图形分辨力。电子束焊接技术的应用越来越广泛，其还广泛应用于高精度掩模、微机电器件制造、新型IC研发等诸多方面，因此正逐步成为半导体器件和微细加工的关键技术之一，现在对电子束焊接设备的需求量也越来越大。
2.离子束加工
离子束加工是指在真空下将离子源产生的带正电荷且自重比电子大数千万倍的离子加速（加速后可获得更大的动能），然后聚焦使之撞击工件表面。它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削加工。根据所利用的物理效应和达到的目的，可分为离子束溅射去除加工、离子束溅射镀膜加工、离子束注入加工和离子束曝光等几种。
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。主要有激光制孔、激光精密切割、激光焊接、激光表面强化、激光快速成形技术及加工精微防伪标志等。基于激光束具有单色性好、能量密度高、空间和时间控制性良好等一系列优点，激光加工的行业包括汽车制造、航空、航天、齿轮加工、铁路机车制造、电子、化工、包装及医疗设备等，我国激光加工市场前景广阔，预计平均每年以20%～30%的速率递增。激光技术将是21世纪高新技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，其发展将使人类在认识和改造自然力上达到一个新的高度，导致人类生活和社会物质文明以及科学技术产生巨大变革。
4.微细电火花加工
电火花加工是指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熔化和气化而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆的特种加工。微细电火花加工的特点是每个脉冲的放电能量很小，工作液循环困难，稳定的放电间隙范围小等。由于加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，因而只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面及曲面等。