2.3　精密和超精密加工技術

2.3.1　精密和超精密加工方法及其分類

零件加工的精密程度是隨著科學技術的進步而不斷向前推進的。精密和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段，因此，其劃分是相對的。目前所說的精密加工是指加工精度達到1～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.01μm的加工工藝。而超精加工則是指加工尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm的精密加工方法。伴隨現代工業的發展，精密和超精密加工在機械、電子、輕工、國防等領域占據著越來越重要的地位。無數事實表明：精密、超精密加工是現代制造技術的發展前沿，是一個國家實力和能力的象征。

根據加工方法的機理和特點不同，精密加工和超精密加工方法可分為以下幾大類。

1.機械超精密加工技術

包括金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密研磨和拋光等一些傳統加工方法（表2-5）。

2.非機械超精密加工技術

包括精密電火花加工、精密電解加工、精密超聲加工、電子束加工、離子束加工、激光束加工等一些非傳統加工方法；也稱為特種精密加工方法。

3.復合超精密加工方法

包括傳統加工方法的復合、特種加工方法的復合，以及傳統加工方法和特種加工方法的復合（例如機械化學拋光、精密電解磨削、精密超聲珩磨等）。

2.3.2　金剛石刀具超精密切削加工

金剛石刀具超精密切削始于20世紀60年代，最初用來加工各種鏡面零件，如射電望遠鏡的球面天線等。目前，采用金剛石刀具超精密切削非鐵金屬材料和一些非金屬材料，取得了良好的效果，因此應用越來越廣泛。在非鐵金屬材料加工方面主要有鋁、銅、錫、鉑、銀、金及其合金等。在非金屬材料方面主要有聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和一些結晶體，如鍺、硅、硫化鋅等。

1.金剛石刀具超精密切削的應用

表2-6所示為用金剛石刀具超精密切削的零件實例。

2.超精密車削用金剛石刀具

天然單晶金剛石是超精密切削的最佳刀具材料，主要是由于它具有一系列優異的性能，能夠滿足超精密切削對刀具材料的要求。金剛石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交為一點的尖銳刀尖，因為這樣的刀尖容易崩刃和磨損，而且還會在加工表面上留下加工痕跡，使表面粗糙度增大。金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間采用過渡刃，對加工表面起修光作用。可以把刀刃設計成圓弧形或帶直線修光刃的折線形，以減少切削殘留面積對表面粗糙度的影響。圖2-6所示為一種通用帶直線修光刃的金剛石精車刀的幾何角度。

由于金剛石硬度極高、加工困難，且要求有極鋒銳的刃口，因此制造金剛石刀具的技術難度很大，特別是金剛石的研磨加工。國外大多采用將金剛石刀具送回原制造廠重磨的方法，也有將金剛石釬焊在硬質合金片上，再用螺釘夾固在刀桿上的不重磨金剛石刀具。

3.金剛石刀具超精密切削切削參數的選擇

（1）切削速度

切削速度的大小會影響到積屑瘤的形成和高度，進而影響加工工件的表面粗糙度，故應適當選擇超精密切削時的切削速度。如果使用切削液，則積屑瘤不易生成，因此在所選的切削速度范圍內對表面粗糙度的影響很小。

（2）進給量

進給量直接影響加工表面粗糙度，因此超精密切削時采用很小的進給量，同時刀具多帶有修光刃，但進給量的數值也不宜小于刀具刃口的鈍圓半徑。

（3）背吃刀量

背吃刀量大，切削力大，切削變形大，表面層殘留變形大，但背吃刀量太小時，因刀具存在切削刃鈍圓半徑而不易產生切屑，切削力反而增加，使表面殘余應力增加。

金剛石刀具超精密車削時的切削用量可參考表2-7。

2.3.3　精密和超精密磨削加工

精密和超精密磨削加工是利用細粒度磨粒和微粉對工件進行磨削，以得到高加工精度和低表面粗糙度的一種工藝方法。對于銅、鋁及其合金等軟金屬，采用金剛石刀具超精密車削加工是十分有效的；而對于黑色金屬、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工是當前最主要的精密加工手段。

精密和超精密磨削加工分為固結磨料加工和游離磨料加工兩大類（圖2-7）。固結磨料加工是指采用燒結、粘接、涂覆等辦法，將磨粒或微粉與結合劑均勻地結合，并固結成一定形狀和強度的磨具，如砂輪、砂帶等，形成精密和超精密磨削；游離磨料加工是指磨料在加工時呈游離狀態，如研磨、拋光等。

1.精密磨削加工

精密磨削加工可分為普通磨料砂輪磨削和超硬磨料砂輪磨削兩大類。

（1）普通磨料砂輪精密磨削

普通磨料砂輪精密磨削是指加工精度達到1～0.1μm、表面粗糙度Ra達到0.2～0.025μm的磨削方法，又稱為低粗糙度磨削。多用于機床主軸、軸承、液壓滑閥、滾動導軌、量規等的精密加工。其主要影響因素如下。

① 砂輪選擇。砂輪選擇主要考慮磨粒材料、粒度、結合劑、織織和硬度等。應選擇細粒度的砂輪，經過精細修整后，有很好的微刃性和等高性，不僅有微切削作用，而且與工件加工表面的滑擦、拋光作用比較明顯；砂輪的使用壽命長，磨削質量好，但磨粒間的容屑空間較小，容易堵塞。對此提出了微粒度磨料的“粗化”措施，即先將微粒度磨料與結合劑混合燒結成細粒度磨粒，再將這些細粒度磨粒與結合劑混合而燒結成砂輪。從而解決了容屑空間小的矛盾，再經過微細修整，則可得到既有很好的微刃性和等高性，又有足夠容屑空間的砂輪。

② 砂輪修整。修整時，一般可分為初修、精修和光修。初修時修整用量可大些，逐次減小；精修用量應小些；光修為無修整深度修整，主要是為了去除砂輪表面個別突出的微刃，使砂輪表面更加平整。普通磨料砂輪精密磨削時的砂輪修整用量可參考表2-8。

③ 磨床選擇。精密磨削通常應在精密磨床上進行，需滿足以下要求：機床幾何精度和剛度高；由于普通砂輪精密磨削時砂輪的修整速度要求低至10～15mm/min，機床工作臺必須能低速進給、平穩、無爬行和沖擊；從機床結構上和安裝上采取一些減振和隔振措施，以提高其抗振性。

④ 磨削用量。主要包括砂輪速度、工件速度、縱向進給量、磨削深度、走刀次數和無火花磨削次數等的選擇，可參考表2-9。

（2）超硬磨料砂輪精密磨削

超硬磨料砂輪磨削硬脆材料是一種有效的超硬磨料精密加工方法。其特點和應用范圍如下。

① 可用來加工各種高硬度、高脆性金屬材料和非金屬材料，例如陶瓷、玻璃、半導體材料、寶石、石材、硬質合金、耐熱合金鋼，以及銅、鋁等非鐵金屬及其合金等。

② 磨削能力強、耐磨性好、使用壽命長、易于控制尺寸及實現加工自動化。

③ 磨削力小，磨削溫度低，無燒傷、裂紋和組織變化，表面質量好。用金剛石砂輪磨削硬質合金時，其磨削力只有綠碳化硅砂輪磨削時的1/5～1/4。

④ 由于超硬磨料有鋒利的刃口，耐磨性高，有較高的材料切除率和磨削比，因此磨削效率高。

⑤ 超硬磨料砂輪修整難度大。

⑥ 雖然金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪價格比較昂貴，但由于其使用壽命長、加工效率高、工時少，因此綜合成本不高。

金剛石砂輪磨具有較強的磨削能力和較高的磨削效率，適合于加工非金屬硬脆材料、硬質合金、非鐵金屬及其合金，但金剛石容易與鐵族元素產生化學反應和親和作用，故不適于加工鋼鐵類金屬材料。立方氮化硼雖硬度不及金剛石，但比金剛石有較好的熱穩定性和較強的化學惰性，又不易與鐵族元素產生化學反應和親和作用，適于加工硬而韌、高溫硬度高、熱傳導率低的鋼鐵材料，例如耐熱合金鋼、鈦合金、模具鋼等，有較高的耐磨性。

2.超精密磨削加工

超精密磨削的加工精度達到或高于0.1μm，表面粗糙度Ra低于0.025μm，是一種亞微米級、納米級的砂輪磨削方法。超精密磨削加工也分為固結磨料加工和游離磨料加工兩大類。

超精密磨削主要用于磨削鋼鐵及其合金，例如耐熱鋼、鈦合金、不銹鋼等合金鋼，特別是經過淬火處理的淬硬鋼，也可用于磨削銅、鋁及其合金等非鐵金屬。同時它還是高精度非金屬硬脆難加工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半導體、石材等）的主要加工方法。

超精密磨削的發展遠比超精密切削要緩慢。當前，發展得比較快、應用比較成熟的首推金剛石微粉砂輪超精密磨削。

（1）金剛石微粉砂輪

金剛石微粉砂輪一般采用粒度為F240～F1000的金剛石微粉作為磨料，采用樹脂、陶瓷、金屬（銅、纖維鑄鐵等）為結合劑燒結而成，也可采用電鑄法和氣相沉積法制作。結合劑不同，砂輪剛度也不同。金屬結合劑砂輪剛度大，對保證形狀精度有利，但修整困難，不易加工出低表面粗糙度，對磨床的精度和剛度要求十分苛刻。樹脂結合劑砂輪的柔性好，易于磨出低粗糙度的表面。因此，提出了樹脂-金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪，砂輪的表層為樹脂結合劑結構，而里層為金屬結合劑結構，從而得到整體支撐剛度好、表層有柔性的金剛石砂輪，能夠磨削出精度高且表面粗糙度低的加工表面。

金剛石微粉砂輪超精密磨削具有以下特點。

① 它是一種固結磨料的微量去除加工方法，與研磨、拋光等精密加工方法相比較，加工效率高。

② 磨料是微粉級的，粒度很細，在超精密磨床上磨削可以同時獲得極低的表面粗糙度和很高的幾何尺寸和形狀精度，是一種比較理想的超精密加工方法。

③ 磨料粒度很細，容屑空間很小，砂輪容易堵塞，需要進行在線修整，才能保證磨削的正常進行和加工質量。

④ 需要在超精密磨床上進行，設備價格昂貴，磨削成本高。

（2）超精密磨床

超精密磨床在結構上具有以下特點：在主軸系統中，其支承已由動壓向動靜壓和靜壓發展，由液體靜壓向空氣靜壓發展。圖2-8為典型液體靜壓軸承主軸結構原理圖。另外，主軸系統已向主軸單元和主軸功能部件發展。導軌大多采用平面型空氣靜壓導軌（圖2-9），有的采用精密研磨配制的鑲鋼滑動導軌，以求達到很高的精度和運動的平穩性。整個機床采用熱對稱結構、密封結構、淋浴結構，以保證熱穩定性。磨床主要零件材料多采用穩定性好的天然石材和人造石材，例如床身、立柱、工作臺、主軸等采用天然或人造花崗巖、陶瓷等材料制造。這些結構特點保證了機床的高精度、高剛度和高穩定性。為了提高加工的形狀精度，還需要使用微量進給裝置。根據精密進給裝置的要求，比較成熟的有雙T形彈簧變微進給裝置（圖2-10）和電致伸縮式微量進給機構。

目前國內、外各種超精密磨床的加工精度和表面粗糙度能夠達到的水平為：

① 尺寸精度：0.24～0.50μm；

② 圓度：0.25～1μm；

③ 圓柱度：0.25/2500～1/50000；

④ 表面粗糙度Ra：0.006～0.01μm。

（3）超精密磨削工藝

超精密磨削的工藝參數應根據具體情況做工藝試驗來確定，也可參考以下數值來選取：

① 砂輪線速度：18～60m/s；

② 工件線速度：4～10m/min；

③ 工作臺縱向進給速度：50～100mm/min；

④ 磨削深度：0.5～1μm；

⑤ 磨削橫向進給次數：2～4；

⑥ 無火花磨削次數：3～5；

⑦ 磨削余量：2～5μm。

3.精密砂帶磨削

砂帶磨削具有彈性、冷態、高效、精密、經濟等特點，可加工各種金屬、非鐵金屬和非金屬材料。隨著砂帶基底材料的發展、磨粒與基底粘接強度的提高，以及精密砂帶磨削、拋光等工藝的出現，砂帶磨削的應用范圍大為擴展，已逐漸成為精密加工和超精密加工的重要手段。

精密和超精密砂帶磨削多采用開式砂帶磨削方式（圖2-11）。該磨削方式采用成卷砂帶，由電動機經減速機構、通過卷帶輪帶動砂帶作極緩慢的移動，砂帶繞過接觸輪并以一定的工作壓力與被加工表面接觸，通過工件回轉，砂帶頭架或工作臺作縱向或橫向進給，對工件進行磨削。由于砂帶在磨削過程中的連續緩慢移動，切削區域不斷出現新砂粒，已磨削過的砂粒不斷退出，磨削工作狀態一致，磨削質量高且穩定，磨削效果好，但生產率較低。

采用精密砂帶磨削時，需要考慮以下幾類因素。

（1）磨削用量

主要有砂帶速度、工件速度、縱向進給量、磨削深度和接觸壓力的選擇。

① 砂帶速度。開式砂帶磨的砂帶速度很低，砂帶移動是為了不斷有新砂粒進入切削區，控制磨削表面質量和砂帶的使用壽命，而磨削的主運動是靠工件的轉動或移動來實現的。

② 工件速度。由于砂帶速度非常低，切削形成主要靠工件的轉動或移動，按磨削要求，工件速度可取10～12m/s。

③ 縱向進給量和磨削深度。縱向進給量可參考砂輪磨削來選取，而磨削深度應比砂輪磨削時要小些。

粗磨時，縱向進給量為0.17～3.00mm/r，磨削深度為0.05～0.10mm。

精磨時，縱向進給量為0.40～2.00mm/r，磨削深度為0.01～0.05mm。

④ 接觸壓力。這是砂帶磨削所特有的加工參數，直接影響磨削效率和砂帶使用壽命。可根據工件材料、磨粒材料和粒度、磨削余量和表面粗糙度要求來選擇，一般選取50～300N，但其大小有時很難控制。

（2）砂帶和接觸輪的選擇

應根據被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求來選擇。其中包括磨料種類、粒度、基底材料、接觸輪外緣材料、形狀及其硬度等。砂帶選擇和接觸輪選擇之間有一定的配合關系要求。

（3）砂帶磨削的冷卻和潤滑

砂帶磨削可分為干磨和濕磨兩種。濕磨時，磨削液的選擇應考慮加工表面粗糙度，被加工材料、砂帶黏結劑的種類和基底材料等。例如有些黏結劑為有機物，易受化學溶劑的影響，有些基底材料不防水。干磨時，當粒度大于F150時，可采用干磨劑，有效防止砂帶堵塞，提高加工表面質量。

4.精密和超精密研磨

（1）油石研磨

油石研磨的加工運動與普通研磨方法相同，可以加工平面、外圓等。油石研磨采用各種不同結構的油石，常用的有：①氨基甲酸酯油石，是利用低發泡氨基甲酸（乙）酯和磨料混合制成的油石，這種油石制作方便、成本低廉；②金剛石電鑄油石，是利用電鑄技術使金剛石顆粒的切刃位于同一切削平面上，使磨粒具有等高性，平整而又均勻，從而可以研磨出極低表面粗糙度的表面；③超硬磨料粉末冶金油石，將金剛石和立方氮化硼等微粉與鑄鐵粉混合起來，用粉末冶金方法燒結成塊。燒結塊為雙層結構，只在表層1.5mm厚度含有磨粒。將雙層結構的燒結塊用環氧樹脂膠粘接在鑄鐵板上，即成油石。這種油石研磨精度高、表面質量好、效率高。

（2）磁性研磨

如圖2-12所示。工件放在兩磁極之間，工件與極間放入磁性磨粒，在直流磁場的作用下，磁性磨粒沿磁力線方向整齊排列，如同刷子一樣對被加工表面施加壓力，并保持加工間隙，因此又稱為磁性磨粒刷。研磨時，工件一面旋轉，一面作軸向振動，使磁性磨料與被加工表面之間產生相對運動，在被加工表面上形成均勻網狀紋路，提高了工件的精度和表面質量。

磁性研磨具有以下特點和用途。

① 研磨壓力的大小隨磁場中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大，可以調節。

② 既可研磨磁性材料零件，又可研磨非磁性材料零件；可研磨金屬材料，例如鋼、鐵、不銹鋼、銅、鋁等；也可研磨非金屬材料，如陶瓷、硅片等。

③ 加工精度可達1μm，表面粗糙度Ra可達0.01μm，對于鈦合金有較好的研磨效果。

④ 可加工工件的外圓、內孔等和去毛刺。由于加工間隙有1～4mm，磁性磨粒在未加磁場前是柔性的，因此還可以研磨成形表面。

5.精密和超精密拋光

（1）軟質磨粒拋光

其特點是可以用較軟的磨粒，甚至比工件材料還要軟的磨粒（如氧化硅、氧化鉻等）來拋光，在加工時不會產生機械損傷，大大減少了一般拋光中所產生的微裂紋、磨粒嵌入、洼坑、麻點、附著物、污染等缺陷，能獲得極好的表面質量。典型的軟質磨粒機械拋光方法是彈性發射加工（Elastic Emission Machining，EEM），其原理是利用水流加速微細磨粒，以盡可能小的入射角沖擊工件表面，在接觸點處產生瞬時高溫高壓而發生固相反應，造成工件表層原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相擴散，形成與工件表層其他原子結合力較弱的雜質點缺陷。當這些缺陷再次受到磨粒撞擊時，雜質點原子與相鄰的幾個原子被一并移去，同時工件表層凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。數控彈性發射加工裝置的原理如圖2-13所示。

（2）浮動拋光

浮動拋光是一種平面度極高的非接觸超精密拋光方法，浮動拋光裝置如圖2-14所示。高回轉精度的拋光機采用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，拋光液覆蓋在整個拋光盤表面上，拋光盤及工件高速回轉時，在兩者之間的拋光液呈動壓流體狀態，并形成一層液膜，從而使工件在浮起狀態下進行拋光。

（3）動壓浮離拋光

動壓浮離拋光是另一種非接觸拋光方法。平面非接觸動壓浮離拋光裝置如圖2-15所示。工作原理是：當沿圓周方向制有若干個傾斜平面的圓盤在液體中轉動時，通過液體楔產生液體動壓，使保持環中的工件浮離圓盤表面，由浮動間隙中的粉末顆粒對工件進行拋光。加工過程中無摩擦熱和工具磨損，標準平面不會變化，因此，可重復獲得精密的工件表面。該方法主要用于半導體基片和各種功能陶瓷材料及光學玻璃的拋光，可同時進行多片加工。用這種方法加工3in直徑硅片，可獲得0.3μm的平面度和Ra為1nm的表面粗糙度。

（4）非接觸化學拋光

是一種普通的盤式化學拋光方法，通過供給拋光盤面化學拋光液，使其與被加工面作相對滑動，用拋光盤面來去除被加工件面上產生的化學反應生成物。這種拋光方法以化學腐蝕作用為主，機械作用為輔，所以又稱為化學機械拋光。水面滑行拋光是一種工件與拋光盤互不接觸，不使用磨料的新型非接觸化學拋光方法。它借助于流體壓力使工件基片從拋光盤面上浮起，利用具有腐蝕作用的液體作加工液完成拋光，其拋光裝置如圖2-16所示，將被加工的半導體基片吸附在作為工件夾具的直徑為100mm的水晶光學平板的底面。水晶平板的邊緣呈錐狀，并通過帶輪與拋光裝置相連。基片高度可利用調節螺母進行調節，將腐蝕液注入拋光盤中心附近，當拋光盤以1200r/min的轉速回轉時，通過液體摩擦力，使水晶平板以1800r/min轉速回轉，同時動壓力使水晶平板上浮，完成拋光盤對工件表面的非接觸化學拋光。