超精密微机械制造技术探析

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摘要:随着我国工业技术的不断发展，精密微小零件已经广泛运用于高新技术领域，发展超精密微机械制造技术可以满足对现代医学、航空航天等领域的需求。本文确定了超精密微机械制造技术内涵，分析了超精密微机械制造技术的特点、关键技术和发展趋势。

关键词:超精密微机械加工;微切削技术;机械制造

精密三维微小零件已经广泛运用于航空航天、国防工业等高新技术领域，这些超精密三维微小零件的尺寸在毫米级甚至微米级、形状异化、材料多样，且表面尺寸精度要求较高，在结构形状、可靠性等方面也有较高的功能要求。为了满足微小零件的加工质量要求，超精密微机械制造技术被广泛应用于微小零件加工中，并得到了较为广泛的应用。杨淑子院士认为，“微系统及微制造产品的广泛应用，将会带来一场技术革命，这也是我国赶超世界先进水平，向先进加工技术迈进的一个突破口。”因此，超精密微机械制造技术应用已成为国内机械制造业研究的热点领域。

一、超精密微机械制造技术的内涵

美国WTEC(WorldTechnologyEvaluationCenter)认为，所谓超精密微机械制造技术是指采用3D非光刻(Non-lithography)技术在不同材料上加工为100μm～10mmd且精度在10-3-10-5的微型尺寸零件的技术的统称。日本东北大学厨川研究室认为，所谓超精密微机械制造技术是指最小尺寸在亚毫米级(Sub-mi-li)，精度约在亚微米级(Sub-micro)微小零件的加工。欧盟研发计划小组认为凡是在不同该材料上的各种细微加工及成型制造统称为超精密微机械制造技术。以上定义尽管表达方式略有不同，但均是指采用No-MEMS制造技术，将传统加工技术微小化，实现微小零件大批量生产的加工技术，其目的就是实现“小机床加工小零件”。

二、超精密微机械制造技术的特点

自20世纪60年代以来，超精密微机械制造技术的加工尺寸精度已经达到了纳米级，随着工业技术的不断发展，现有的超精密微机械制造技术已经凸显出更多的特征。一是，进化加工原则。进化加工原则可以分为直接式进化加工技术和间接式进化加工技术，直接式进化加工能够完成工件的加工，该技术适用于单件、小批量工件的加工。间接式加工是指工件从第二代工作母机中生产出来并达到加工工艺要求，该技术适用于批量生产。二是，达到更高的加工精度要求。传统的切削与磨削方法已经让加工精度达到极限，要想在传统的切削与磨削基础上提高加工精度的难度较大。但是，超精密加工技术可以采用精密度更高的加工技术，提高加工精度。三是，减少人为因素的影响。超精密微机械加工技术需要自动化技术的配合，实现对工件加工的控制和监测，减少加工人员人为操作的次数，防止人为因素对加工精度的影响。四是，加工难度大，环境要求高。在采用超精密机械加工技术加工零件时，需要考虑工件的材料、加工使用的设备、加工方法、工夹具等，还要考虑加工环境对加工精度的影响。另外，超精密未加工技术的加工一般针对的是某一特定产品，很少针对批量零件的加工。

三、超精密微机械制造的关键技术

(一)微机械加工设备技术。日本已经能够实现3D复杂曲面的机械自由加工，可以制造出各种形状的超精密零件。德国的超精密微机械加工技术能够对淬火钢、硬铝材料等微小零件进行切削加工，有效解决了大型机械无法加工微小零件的问题。我国的微小工件加工工艺主要集中在微小制造系统和微小切削技术两个方面，已经研制成功的微小型车铣加工系统、微摩擦磨损测试仪等能够为微小工件加工奠定了较为坚实的基础。但是，我国的微机械加工设备技术存在以下几个方面:首先，微型加工设备已经做了较多的改良，与传统机床结构相比有较多的不同，在微加工零件设计之前需要充分了解微型加工设备的性能，在此基础上设计加工工艺，减少微型加工零件的加工误差。其次，在微型加工设备、加工工艺的选择以及加工零部件的仿真和建模分析方面存在较大的问题，对复杂零部件的加工难度较大。最后，微小零部件加工的设计完成后，需要配套设计相关的装夹具、刀具等，但是相应的技术缺失，无法选择合理的加工参数，加工精度差。所以，我国在微机械加工设备技术方面并没有掌握核心技术，加工难度较大。要想实现精密微小零件的加工，就必须掌握微小精密和超精密加工技术。(二)微切削技术。微切削加工技术不仅仅要求加工零件、加工刀具、加工夹具微小化，更应当要求加工过程的微小化，这也是微切削加工首要解决的问题。因此，在微切削加工过程中，除了考虑加工夹具、加工刀具微小化以外，还要考虑微切削过程，认真把控微切削工作机理，有效确定微切削加工的参数、工艺等，提高微切削加工工艺的科学性，让加工完成的工件具有超高精密精度，提高工件的可用性和使用寿命。切削过程应当是动态的、持续的，并且具有典型的非线性特征，在研究微切削加工的参数、工艺等过程中，可以有效提升切削力预测的准确性。由于不同零件材料的切削极限是不同的，为了保证每个工件都达到切削极限，需要对不同零件建立相应的切削模型，保证构建的模型能够符合所有零件材料。另外，刀具刀刃、刀具变形、刀具磨损、夹具变形等都将影响切削极限的产生，建模中还应当考虑到以上因素对切削极限的影响，以便提高切削的准确性和有效性，完成超精密微机械加工。

四、超精密微机械制造技术的发展趋势

尽管我国致力于超精密微机械制造技术领域的研究，但是，和欧美发达国家相比仍然存在一定的差距。因此，我国的超精密微机械制造技术将会着重研究以下几个领域:第一，微切削应用技术，主要指加工装备技术、主轴、工作台定位、刀具制作、工件装夹等;第二，微切削机理，观察微观组织结构，特别是在综合应力场环境下的微切削变形机制;第三，微切削工艺研究，包括各种新型金属材料、非金属材料的加工工艺;第四，微切削技术加工的经济型、可靠性评价及加工技术改进措施;第五，实用化微制造系统设计原理方法和相关应用技术的研究。

五、结语

超精密微机械制造技术作为未来全世界机械制造技术的重要研究方向，各国都在致力于研究这门新兴学科。但是，我国的超精密微机械制造技术仍然存在理论研究薄弱，实践经验不足等问题。为了满足工业技术的发展，我国应当加大超精密微机械制造技术研发力度，加工出满足高新技术产业发展所需的零部件，促进我国高新技术产业发展。

作者:岳韬 单位:贵州航天风华精密设备有限公司