SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：随着航空航天、国防、医疗、生物等领域的快 速发展，对微型器件功能、结构复杂度、可靠性等方面的 要求不断提高。但当前以MEMS 为主的微纳制造技术，多 采用基于半导体工艺的微纳制造技术， 且所采用的材料较 为单一。与此同时，MEMS 技术更倾向于制造平面形状的 微型零件或微型元件， 这对制造任意形状的微型零件有很 大的局限性。利用微机电系统(MEMS)制造技术，可实现 多个不同材质、不同外形的微细 3D 构件，其制造的各类 微细构件具有越来越广泛的应用前景。
1 精密加工的概述
精密加工就是在较小的零件上进行精制。精密机械一 般用于医疗设备、电子设备等行业。在精制过程中，制造 出的工件往往要经过显微镜才能观察。精加工通常是在专 用于微型零件或精加工的车间中完成。
从更广的意义上来说，精密加工涵盖了多种传统和非 传统的方法，比如，切削技术、磨料加工技术、电火花加 工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子 加工、外延生产、激光加工、电子束加工、离子束加工、光 刻加工、电铸加工等。从狭义上说，精密加工是指半导体 集成电路的制造技术。由于精密加工和超精密加工是在半 导体集成电路制造技术的基础上发展的， 尤其是大规模集 成电路和计算机技术的技术基础，它是信息时代，微电子 时代， 光电子时代的关键技术。
2 精密切削加工的机理
在微型切割中，切割的厚度一般在 0.1μm ～ 200μm之 间，切割刃的刀刃半径一般也在微米之间。与宏观切割相 比，在微观切割条件下，切割层厚度与刀刃边缘弧线的比 例变得不可忽视，刀刃边缘弧线不能被看作是“锐度”。在 微尺度下，尤其是在微细尺度下，其切割厚度往往比切割 刃的刃口半径更小，此时，微细尺度下的刀具对切割刃前 端的物料进行挤出和驱使，易产生切屑。微切削因其切削 厚度与刀刃圆弧度之比的关系， 其切削机制不再适合于传 统的微切削，因而具有其特有的切削机制，如最小切削厚度、单位切削力尺寸效应、表面完整性尺寸效应、毛刺高 度尺寸效应等。上述尺度效应是当前微细加工领域亟待解 决的重要科学问题。
3 精密切削技术研究进展
精密切削技术可满足微型零件材料多样化、结构三维 化、批量柔性化等需求，在微型零件的加工中具有显著的 成本与工艺优势， 是当前国际上的研究热点与重点。
3.1 精密加工机床的研究
其主要特征包括单一技术极限化、传统技术突破化、 高科技集成化。在进行精加工的过程中，最基本也是最重 要的装备就是精加工。其中，主轴及其传动系统、导轨及 其传动系统、检测装置、微型进给装置等是该系统的主要 组成部分。为获得极低的进给速率，要求在每根轴线上都 要有充分的微小运动，而微小运动应该只有数十毫微米。 要求伺服进给系统具有高灵敏度、高精度的跟踪特性、低 热变形的结构设计、高效的主轴转速、高的定位精度、稳 定的床身件、稳定的刀具夹持、高的反复施加精度。在 1970 年，日本的Dutta等人在国内首次提出小型机械加工 的理念，但是并未得到普遍的认可。此后，日本微型加工 中心又进行微型加工技术的研究。这个项目是在新的台式 机设计理念下进行的，大量的微细加工设备被展示出来， 初步研制的微细加工设备如下。
本 发 明 的 微 细 加 工 机 床 总 体 尺 寸 为 32mm×25mm×30.5mm， 重量只有 100g。XY 平台的移动 是通过一个压电致动器来实现的 ;主轴马达的额定功率 为 1.5 瓦，其最大速度可达 10000 转 / 分 ;本机床可加工的 最小尺寸为 60μm 的工件。
哈 尔 滨 理 工 大 学 自 主 研 发 的 微 型、高 精 度 三 轴 联 动 铣 刀， 采 用 龙 门 式 构 型， 刀 身 轮 廓 为 600mmx500mmx700mm， 三个轴线工作冲程 75mm。本机 以PMAC 卡为中心，以闭环的负回授方式，使用 5μm 的分 辨率。经测试，三个轴线的精密位置精度可达 0.25μm，重 复位置精度可达 0.2μm。
3.2 精密加工刀具研究
在进行精密切削加工时，所用的刀具必须具有以下条件 ：刀具刃口的锋利性 ;切削加工刀具的耐磨损性 ;刀 具刃口要有一定的强度。
当前， 金刚石、立方氮化硼、陶瓷等超硬质工具， 金刚 石单晶工具是金刚石工具。因为复杂的零件很难切割，所 以必须使用“无损刀具”，而不会对刀尖造成任何影响。由 于这些工具的高硬度，使其很难成形，因此需要寻找一种 高精度和高效的工具成形方法来成形小尺寸的工具。日进 工装拥有一个 30μm 的正方形端铣刀具，为保证最大的断 面面积， 使用一个切削刃口， 将一个圆筒切割掉一部分。
4 影响表面质量的因素分析
4.1 刀具几何形状分析
在精密切削中，刀具被切割部位的几何尺寸对加工稳 定性及加工表面质量有很大的影响。对于软质材料，在精 密切削过程中， 主刀与前刀表面共同完成对软质材料的加 工，使其在前刀表面发生切向滑动与塑性变形，最终形成 刀具沿前刀表面“溢流”。因此，前刀对塑性变形的程度、 切削的卷曲形状和切削工具之间的摩擦特性有很大的影 响，并且对切削力、切削温度、切削折断方式有很大的影 响。以前后刀面交线为主要的刀具边缘，并非一条完美的 直线，而是一条微细的过渡曲线，以此为切入点，将其与 法平面的交界线的平均曲率半径作为刀具边缘， 从而体现 出刀具边缘的几何形态。在加工过程中，刀刃前区的受力 状况非常复杂，在加工过程中，由于应力的集中，导致金 属内部的位错集中，从而导致材料的塑性滑移。这些材料 中，有一些是通过前刀面上的热轧而形成的，而其他的材 料则是通过后刀面上的热轧而保留下来的。因为两个部 件的移动方向不一致，所以导致刃口前端的金属被拉伸， 其抗剪性降低，并在刃口的影响下发生滑动位移。因此， 当刀刃半径较小时，可以有效地提高工件的应力，降低工 件的加工难度，降低工件的切削力，提高工件的加工质 量。一种具有 68nm 的圆形单点钻石刀片，其切割面积为 5nm ～ 6nm，所以，当刀片的边缘变得更锋利时，既可以 减少刀片对金属的挤压，又可以减少金属的变形，从而提 高被切割工件的表面质量， 还可以延长工具的使用寿命。
4.2 刀具偏置分析
在超精密切削加工中，对刀具偏差进行校正是一项重 要工作。试验结果显示，刀具偏差会对工件的加工质量造 成影响，尤其是对于孔径比较大的工件，其影响就更加明 显，甚至在微米量级的偏差都会造成很大的误差，因此， 对刀具偏差进行修正， 对于提高工件的加工效率和加工精 度具有重要的意义。切削加工中存在着横向切削加工和纵 向切削加工两种方式。横向偏差对旋转轨迹的影响 ;纵向偏差将造成工件中央部位的残余金属。
传统上，对刀具偏差的修正方法是试切，也就是首先 对工件进行切削，在切削时，要不停地对工件进行测量和 观测，并对刀具的位置以及起刀点的相对于工件的坐标 系的位置进行修正，直至取得令人满意的效果。该方法耗 时耗力，校正效率和精度都较低。现有的工具偏差校正方 法，主要是采用离线干涉法对试样表面形状进行拟合逆算 法来获得。但是，在使用该方法进行表面分析时，由于不 一致的散焦和倾斜，使表面的准确性受到限制，并且，由 于刀具的波动性，会对修正的计算结果造成影响，因此， 修正的准确性也就受到限制。泰曼格林干涉在线测量方 法，是在切割前和切割后，对同一部位的样品进行测量， 消除散焦性和斜面形状匹配带来的干扰， 并将刀刃的波动 度误差视为系统误差，减少刀刃的横向偏差，极大地提高 测量的准确性。另外，用泰曼格林干涉在线测试法对工具 的横向偏差进行测量时， 仅需一次切削即可获得横向偏差 修正值， 因而是一种比较理想的技术手段。
4.3 加工表面残余应力分析
高精度切削是一种广泛应用于前沿技术领域的高精 度切削技术，在保证工件尺寸精度和位置精度的前提下， 其切削表面的残余应力也要满足一定的指标，因此，深入 分析其成因， 探索其在工件表面的分布对工件表面的质量 有着重要的意义。在没有任何引起应力的因素的情况下， 被加工的零件中还会有一种应力， 这种应力可以维持零件 本身的平衡。从形成原因来看，主要有三种类型 ：一是由 于机械作用而产生的塑性变形 ;二是由于热压而产生的 塑性形变 ;三是由于相态而产生的体积变化。在加工中， 由于切割时所产生的热应力通常未达到金属材料的屈服 限度，因此不会导致工件表面的塑性形变，而机械应力是 形成残余应力的关键因素。在精密切削过程中，由于单位 切削力较大，导致刀具钝圆以及后刀与工件的接触、摩擦 等因素的影响， 导致工件的塑性变形。
在此基础上，利用两维数值模拟和试验结果，得出不 同的加工深度、加工速率对加工后的工件表面的残余应力 有较大的影响。在这些因素中，切割深度的改变对残余应 力的影响比切割速率的改变更大。随着切削深度的增加， 刀具的温度升高，刀具的切削力增大，刀具的表面残余应 力增大。随着距离的增加，应力从压缩向拉伸过渡，随着 距离的增加，残余应力的绝对值逐渐减小。在 10μm 范围 内，随着加工速率的提高，加工温度也随之提高，而对切 削力的影响不明显，且加工表面的残余应力呈下降趋势。 因此，可以通过对切割深度和切割速度的控制，来实现对 残留应力的控制， 以达到对加工表面质量的期望。
4.4 加工环境分析
由于超精密切削的高精度性，因此对切削环境的要求 也非常高，需要在极高的稳定性条件下进行，任何细微的 改变都会对切削过程的表面质量造成极大的影响。通常从 减震、恒温、超洁净来控制超精密车床的工作环境。
为改善其动力学稳定性，除加工设备自身的结构与 性能之外，还需确保其不会受到外部振动及其他因素的 影响。在此基础上，提出采用隔振措施，降低外部的振动 输入，从而达到抗震的目的 ;在高精密光学仪器的加工 中，对恒温的控制是非常关键的。在处理直径较大的锗 透镜时，热变形对加工精度会产生极大的影响。为了保 证对此类零件的加工质量，必须在恒温环境或者温度波 动非常小的条件下进行加工。有时候，除了建立多层恒 温系统外，还需要对机床自身进行恒温保护措施。在结 构设计上，可以采用热对称的方式来降低热变形对表面 质量的影响，从而保证产品具备非常高的表面质量。由 于某些零部件具有纳米级的粗糙度，其对大气中微细粒 子的浓度和粒径都有较高的要求，导致工件在切削中产 生刮痕，影响工件的加工质量，为此，本项目拟建立一套 适用于高速切削的超洁净工艺，并对其进行实时监控。 由于对产品的表面品质有更严格的要求，因此，对产品 的抗振动、恒温、超洁净等性能也会有更高的要求，并会 产生更多的新情况。
5 精密切削发展趋势
5.1 整合、创新思想的运用
作为发展科技的一种主要方法，精密切削的重要性也 在不断提高，因此，新的成果的涌现也就变得更为容易， 但是，因为它对加工精度的要求非常高，因此，仅仅依靠 传统的单一的技术方法是无法达到目的的， 必须要将多种 信息化技术进行整合，才能达到更高的要求。超精密切削 是通过对其他高技术的吸收，逐步发展起来的，与创新密 不可分，因此，该技术处于科学技术的最前沿，任何一项 发展都与创新息息相关，因此，其发展就是一项技术的集 成与创新。
5.2 先进制造模式的应用
先进制造模式是指将虚拟制造、集成制造、智能制造 和绿色制造这四个领域应用到精密切削加工中。
虚拟制造是运用模拟与虚拟现实技术，以群体协作的 形式，对产品进行设计、规划、加工制造、性能分析、收 益与风险评价等。虚拟制造技术利用流程集成技术，开发 模块化的超高精度切削设备， 提高各个层次的生产决策与控制能力 ;集成制造的核心是将市场预测、产品设计、制 造、加工、经营管理以及售后服务等作为一个整体，使加 工技术向与有关的专业技术高度集成的方向发展。尽管超 精密加工的单位构件的技术还处于发展之中， 但是最基本 的静压技术、控制技术、测试技术等都已经达到相当的程 度，要想取得长足的进步，必须从新的材料、新的工艺、 新的理论突破开始。另外，将多种元件技术与过程技术相 结合的一体化技术也是一个新的发展方向。这样的生产不 但是对物品的集中，而且是对技术的集中，更有利于资源 的共享 ;智能制造技术的特点就是用电脑来模仿人的智 力行为，使电脑能够自行作出判断和分析，从而使人摆脱 人工的束缚。通过装备的智能化来减少工艺成果的依赖， 已成为制造业发展的一个重要方向。加工装备的智能水平 与加工的稳定性和效率有很大的关联， 尤其是在超精密加 工上 ;绿色制造也被称作是以环境为导向的制造， 它指的 是在保证产品功能、质量及成本的前提下，将对环境的影 响与资源效率进行全面地结合起来的现代制造方式， 它可 以在产品的全生命周期内， 尽可能地减少对环境的不利影 响。在超精密加工的过程中，磨料加工是最主要的手段， 磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能 源及材料的消耗以及加工中大量使用的加工液等， 都对环 境造成极大的负担。绿色的高精度制造技术，既减少对环 境的负荷，又增强其本身的生命活力。要实现资源的最有 效使用，最基本的方法就是降低资源的消耗，降低废物的 产量。
5.3 提高基础设施的加工能力
在国内，对超精密机床的研发已经进行十几年的时 间，在此过程中，精密切削机床以及其他超精密机床等都 取得一些进展，但目前尚未形成产业化的局面，无法满足 超精密加工这个产业的需求，大部分还是从国外进口。因 此，必须要有一套完整的设备技术，把它和其他的超精 密加工技术结合在一起，让它发挥出最大的作用，达到 1+1>2 的目的， 从而形成一条属于自己的产业链。
6 结语
本文简要地介绍并分析几种常见的影响精密切削表 面质量的因素，具体包括刀具几何形状、刀具偏置、加工 表面残余应力、加工环境。当然，影响切削精度的因素并 不仅限于此，在此基础上，还需要对切削精度进行深入的 研究， 并展望未来的发展趋势。
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/74412.html
