精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，在不同的时期有不同的理解，随着科技的进步，精密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。
当前，精密加工是指加工精度为1μm～0.1μm、加工表面粗糙度Ra值为0.1μm～0.01 μm的各种加工方法。超精密加工是指加工精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra值小于0.01μm的加工技术，又称为微米级加工。目前，超精密加工已进入纳米级，并称为纳米加工及相应的纳米技术。
超精密加工是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，不管是军事工业，还是民用工业都需要这种先进的加工技术。例如，关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯导仪表的精密陀螺，激光核聚变用的反射镜，大型天体望远镜的反射镜和多面棱镜，大规模集成电路的硅片，计算机磁盘及复印机的磁鼓等都需要超精密加工。超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及材料科学的发展。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。
20.1.1 精密加工和超精密加工的特点
1.加工方法
根据加工方法的机理和特点，精密和超精密加工方法可以分为切削加工、磨削加工、特种加工和复合加工四大类。
（1）切削加工。切削加工包括精密切削、微量切削和超精密切削等。
（2）磨削加工。磨削加工包括精密磨削、微量磨削和超精密磨削等。
（3）特种加工。特种加工包括电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等。
（4）复合加工。复合加工指将几种加工方法复合在一起的加工方法，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光等。
在精密加工和超精密加工中，特种加工和复合加工方法应用得越来越多。
2.加工原则
一般加工时，机床的精度总是高于被加工零件的精度，这一规律称为“蜕化”原则。而在精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。这种方法称为“进化”加工。
3.加工设备
加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。
4.切削性能
当精密切削的切深在1μm以下时，切深可能小于工件材料的晶粒尺寸，因此切削就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，于是刀具上的切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受的。这就需要找到能够满足加工精度要求的刀具材料和结构。
5.加工环境
精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要求。
6.工件材料
用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。
7.加工与检测一体化
精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密加工和超精密加工中广泛采用精密光栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器。
20.1.2 精密加工和超精密加工方法简介
1.金刚石精密切削
金刚石具有非常高的硬度，是一种最佳的切削刀具材料。金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为0.1μm数量级和表面粗糙度Ra值为0.01μm的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。
（1）金刚石超精密切削的机理。金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在0.1μm以下，切削常在晶粒内进行，要求切削力大于原子、分子间的结合力，切应力高达13 000MPa。由于切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以刃磨得很锋利（一般以刃口圆角半径ρ的大小表示刀刃的锋利程度，ρ越小，刀具越锋利，切除微小余量就越顺利）。如图20－1所示，在加工余量很小的情况下，当ρ较小时（图20－1（a）），切屑变形小，厚度均匀。当刃口半径ρ较大时（图20－1（b）），刀具无法在工件表面切下材料。因此，在加工余量只有几微米，甚至小于1μm时，ρ也应精研至微米级的尺寸，并要求刀具有足够的耐用度，以维持其锋利程度。理论上，金刚石刀具的刃口圆角可达1nm，实际仅到5nm。
图20－1 刀具刃口半径对切削的影响
在超精密切削加工过程中，必须防止切屑擦伤已加工表面。最常用的方法主要有：①采用吸屑器，及时吸走切屑。②加工时，用煤油或橄榄油进行润滑和冲洗。
目前，最精密的测量技术的测量极限是0.01μm。因此，超精密加工的精度极限只能达到0.1μm左右。
（2）影响金刚石超精密切削的主要因素。
①加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性与抗振性，以及数控功能等。
②金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刃口圆角半径尽可能小。理论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达1nm，实际仅到5nm。
③由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺陷。
④工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。
（3）金刚石精密切削的应用。目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金片基，表面粗糙度值可达0.003μm，平面度可达0.2μm。切削铁金属时，由于碳元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工质量。
2.精密与超精密磨削加工
精密与超精密磨削是目前对钢铁材料和半导体等脆硬材料进行精密加工的主要方法之一，在现代化的机械和电子设备制造技术中占有十分重要的地位。其磨削特点如下。
（1）精密和超精密磨床是超精密磨削的关键。精密和超精密磨削在精密和超精密磨床上进行，其加工精度主要决定于机床。由于超精密磨削的精度要求越来越高，磨床精度已经进入纳米量级。
（2）精密和超精密磨削是微量、超微量切除加工。精密和超精密磨削是一种极薄切削，其去除的余量可能与工件所要求的精度数量级相当，甚至于小于公差要求，因此在加工机理上与一般磨削加工是不同的。在超精密磨削时一般多采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。
（3）精密和超精密磨削是一个系统工程。影响精密和超精密磨削的因素很多，各因素之间相互关联，所以超精密磨削是一个系统工程。超精密磨削需要一个稳定的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性要求，并有较强的抗击来自系统内外干扰的能力，有了高稳定性，才能保证加工质量的要求。
精密磨削加工是一类很重要的精密加工工艺方法。以下主要对超精密磨削、镜面磨削、砂带磨削、珩磨、超精研以及研磨做一些简要的介绍。
（1）超精磨削和镜面磨削。超精磨削和镜面磨削是靠砂轮工作面上可以整修出大量等高的磨粒微刃（见图20－2）这一特性而得以进行精密加工的。这些等高的微刃能从工件表面切除极微薄的、尚具有一些微量缺陷和微量形状尺寸误差的余量，因此，可以得到很高的加工精度。
图20－2 磨粒微刃
这些等高微刃是大量的，如果磨削用量适当，在加工表面上能留下大量的、极微细的切削痕迹，所以可得到很低的粗糙度，表面更为光洁。
如图20－2所示的磨粒等高微刃，是靠用锋利的金刚石工具，以很小而均匀的进给量，精细地修整砂轮而获得。一般情况下，即使粗粒度（46＃～80＃）的砂轮，经过精细修整，进行超精磨削，也可使加工表面的粗糙度Ra值达到0.050μm～0.025μm。要实现镜面磨削，应选用粒度号为600＃～800＃的细粒度砂轮。经过精细修整，并增加光磨时间以充分发挥磨粒微刃的切削作用和抛光压光作用，可以使表面粗糙度Ra值低于0.012μm。
这种加工方法，显然工时较长，但与其他获得镜面的加工方法比较，如研磨和抛光，镜面磨削的生产率还算是很高的。
机械制造工业中，要求镜面磨削的情况并不多，大多数情况下，采用粗粒度砂轮进行超精磨削，具有更重大的生产实际意义。
超精磨削加工时应注意的主要事项如下。
①合理选用砂轮、磨削用量，并应满足精密加工的环境条件（恒温、超净、防振）。
②修整砂轮的工具（金刚石笔）要锋利。当修整工具使用一段时间后，应转动一个角度，让新的锋利刃尖工作，使修整更加精细。
安装金刚笔时，应使笔尖略低于砂轮中心约1mm～2mm，笔杆倾斜10°～15°以防振动，导致砂轮划伤或金刚笔尖崩裂，如图20－3所示。
图20－3 金刚石笔的安装示意图
③砂轮修整用量应小而均匀，这是修出微刃的必要条件。
④加工时，冷却润滑液要严格过滤，确保洁净，防止切屑和磨料碎粒等杂物擦伤工件表面。
（2）砂带磨削。砂带磨削是用粘满砂粒的带状砂布（即砂带）作为切削工具的一种加工方法，其加工精度与同类型砂轮磨床（例如平面磨床、无心磨床、内圆磨床等）所能达到的精度相接近。图20－4为叶片型面的砂带磨削示意图。
图20－4 叶片型面的砂带磨削
砂带磨削与砂轮磨削加工相比，具有其独特的优点。
①在同一台砂带磨床上更换不同粒度的砂带可获得不同的表面粗糙度，甚至达到镜面，这在砂轮磨床上难以做到。
②砂带磨削的应用范围很广，几乎可以加工所有金属和非金属材料。
③能加工砂轮磨削难以加工的高精度大平面、高精度低粗糙度值的复杂型面（如燃气轮机的叶片）、长径比很大的管件、轴类件的内孔或外圆等。
④生产率一般高于砂轮磨削。
因此，近30多年来，砂带磨削获得了很大的发展和广泛的应用。
（3）珩磨、超精研和研磨加工。珩磨、超精研和研磨加工是生产中应用范围很广的三种常用精密加工方法。
①珩磨。珩磨是一种在大批大量和成批生产中应用极为普遍的、孔的精加工方法，其工作原理如图20－5所示，珩磨头上的珩磨砂条有三个运动，即旋转运动、往复运动和垂直加工表面的径向进给运动。前两种运动是珩磨砂的合成使加工表面上的磨粒切削轨迹呈交叉而不相重复的网纹。径向进给运动就是砂条在压力作用下，随着金属层的被切除而作的径向运动。压力愈大，切削量愈大，径向进给量也愈大。
图20－5 砂条磨粒在孔表面上的轨迹
珩磨加工的特点。
a.切削速度较低，一般为100m／min～300m／min，远较磨削为低，因而珩磨的功率小。
b.其径向压强低，只及磨削时1／50～1／100，因而加工表面的变形层很薄、切深小，能达到很低的表面粗糙度值。
c.珩磨时，所产生的热量小，而且切削油能使工件得到充分冷却，不易产生烧伤现象。
d.珩磨不能修正孔的相对位置误差，因此，孔的位置精度必须在前面的工序中得到保证。
②超精研。超精研是一种降低零件表面粗糙度、延长零件使用寿命的高生产率光整加工。常用于汽车零件、轴承、内燃机和精密量具等的一些低表面粗糙度表面的加工。其工作原理如图20－6所示，加工时工件旋转，磨头带着砂条在加工表面上作轴向低频振动运动，在一定的研磨压力作用下从工件表面磨去极薄的一层金属。
超精研加工的特点。
a.应用范围广，不但能用于轴类零件，而且还能加工平面、锥面、孔和球面。
b.所用的磨具是细粒度、低硬度的砂条，切削速度低，研磨压强小，在工件表面上留下的磨痕非常浅，能获得很小的表面粗糙度值。
图20－6 超精研外圆的基本运动
1—工件旋转；2—磨头的进给运动；3—磨条低频往复振动；p—压力
c.磨痕呈网状，有利于油膜的形成而使零件在工作时能有较好的润滑，从而使零件的耐磨性得到提高。
d.超精研磨机床简单，可以方便地用普通机床进行改装，而不必购置专用的超精研磨机。
e.超精研磨对零件的几何形状误差和尺寸误差的修正效果不明显，零件的必要精度一般要求前面的工序来保证。
③研磨。研磨是一种简便可靠的光整加工方法，在研具精度足够高和情况下，研磨表面的尺寸、形状误差可以小到0.1μm～0.3μm，表面粗糙度Ra值可达0.025μm～0.01μm。在现代工业中，往往采用研磨作为加工最精密和最光洁的零件的终加工方法。
a.研磨的工作原理。研磨时，研具在一定的压力下与加工面作复杂的相对运动，研具上和工件之间的磨粒和研磨剂在相对运动中，分别起机械作用和物理、化学作用，使磨粒能从工件表面上切去极微薄的一层材料。如图20－7（a）所示，在研磨塑性材料时，磨粒的滚动和刮擦时起的切削作用。如图20－7（b）所示，研磨脆性材料时，磨粒在压力作用下，首先使加工面产生裂纹，随着磨粒运动的进行，裂纹不断地扩大、交错，从而形成切屑，最后脱离工件。
图20－7 研磨时磨粒的切削作用
b.研磨的应用范围。研磨可以加工平面、外圆柱面、内孔、球面、半球面等表面。
在机械制造中，研磨法主要用于制造精密量规、钢球、轧辊、滑阀、精密齿轮等；在光学仪器制造中，研磨成为精加工透镜、棱镜、光学平晶等光学仪器零件的主要方法；在电子工业中，研磨法可用于加工石英晶体、半导体晶体和陶瓷元件的精密表面。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
