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迎來納米時代磨削、研磨加工

　　隨著IT關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、汽車、家電等工業(yè)制品不斷發(fā)展，高性能磨削、研磨加工重要性日益增大。對于生產(chǎn)技術(shù)人員來說，高精度化、率化自動化永遠(yuǎn)主題。磨削、研磨技術(shù)研究開發(fā)成果推動著工業(yè)產(chǎn)品更新，正腳踏實(shí)地向前發(fā)展。

　　（1）磨削、研磨技術(shù)重要性日益增大

　　如今幾乎已普及到所有家庭個人電腦（PC）所配備硬磁盤（HDD）過去超精密機(jī)床上用單晶金剛石刀具切削加工。近年來，磁盤面記錄密度年增長率達(dá)到100％，實(shí)現(xiàn)了每1平方英寸達(dá)1G記錄密度。這一技術(shù)經(jīng)磨削加工后鋁合金基盤上鍍上無電解NIP薄膜，再通過研磨加工使其表面平滑而得以實(shí)現(xiàn)。而高性能加工技術(shù)進(jìn)步，也使得基盤材料從鋁合金更換為剛性比更高硅酸鋁玻璃、晶化玻璃等，因此，磨削、研磨加工重要性也更大了。

　　（2）高精度化

　　直線電機(jī)剛開始開發(fā)時，因其能實(shí)現(xiàn)高速加工而備受矚目。但近年來，使用直線電機(jī)目已逐漸轉(zhuǎn)向高精度化。也就說，直線電機(jī)諸多優(yōu)良特性，很高定位精度圓弧插補(bǔ)精度尤其令人刮目相看。其原因非接觸式驅(qū)動系統(tǒng)沒有傳統(tǒng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)減速用齒輪副、滾珠絲杠、耦合件等各種機(jī)械因素引起誤差，以及直線電機(jī)必然采用閉路控制。

　　今后，高精度化加工技術(shù)發(fā)展將日益加速。精密加工，zui重要加工之一高精密平面加工。尤其精密測量儀器、光學(xué)儀器、硅片等超精密加工領(lǐng)域，要求加工出無限平滑表面。為此，機(jī)床制造商開發(fā)出了超精密平面磨床，采用獨(dú)立可變靜壓滑板技術(shù)實(shí)現(xiàn)高剛性加工同時，又實(shí)現(xiàn)了即使存偏載荷，油膜厚度也不會發(fā)生變化（工作臺不發(fā)生傾斜），磨削平面度達(dá)到lμm/m2。此外，加工表面通過拋光可以實(shí)現(xiàn)0.03μm/m2平面度。為了實(shí)現(xiàn)高精度加工，就必須克服熱變形。具體來說，需要盡可能減少來自驅(qū)動電機(jī)軸承、導(dǎo)向面等加工發(fā)熱。此外，為了不使加工工件發(fā)生熱變形，還需要控制加工點(diǎn)產(chǎn)生熱量來自工件表面汽化熱。為此，該超精密平面磨床配置了既恒溫又恒濕隔離罩，作為完整系統(tǒng)加以商品化。

　　（3）率化

　　加大砂輪進(jìn)給量、降低工件進(jìn)給速度間歇進(jìn)給磨削技術(shù)與使用電沉積磨輪高圓周速度磨削技術(shù)相結(jié)合而形成HEDG（HighEfficientDeep-CutGrinding）磨削技術(shù)歐洲已經(jīng)實(shí)用化了，但日本還幾乎無人采用。另一方面，減小砂輪進(jìn)給量、提高工件進(jìn)給速度快走刀磨削（高速往復(fù)式磨削）金屬模具加工等行業(yè)正逐漸成為成型磨削主流。這種磨削加工方法通過曲柄、液壓伺服裝置或直線電機(jī)增加單位時間工作臺往返次數(shù)（對行程較短工件也可以采用砂輪連續(xù)進(jìn)給），從而可以大幅度提高加工效率，也適用于金屬模具穿孔等短行程磨削。該方法缺點(diǎn)工作臺反轉(zhuǎn)時高加/減速運(yùn)動容易引起振動，需要設(shè)法加以抑制。為此，可以采用減輕工作臺重量、加重底盤、進(jìn)行加/減速控制以及進(jìn)行平衡等方法。快走刀磨床已被許多平面磨床生產(chǎn)廠家看好，認(rèn)為可以進(jìn)行商品化開發(fā)，今后將成為金屬成型磨床主流。

　　（4）小型化環(huán)保（節(jié)能）化

　　以前JIMTOF（日本機(jī)床展覽會）上，各廠家展出小型機(jī)床很受矚目，主要原因于：為了適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)，需要靈活改組生產(chǎn)線，因此迫切需要統(tǒng)一機(jī)床寬度。而且機(jī)床小型化可以帶來許多預(yù)期利好，如縮短生產(chǎn)線長度、減少占用空間、容易變更生產(chǎn)線、提高工廠內(nèi)部信息傳遞等。

　　某家公司推出了“節(jié)省能源空間”概念機(jī)種。該磨床占地面積不到普通磨床40％，尤其寬度尺寸縮小至1200mm以下。一般來說，占地面積縮小不便于維修保養(yǎng)，但該磨床將維修保養(yǎng)部分集到機(jī)器前后，提高了維修便利性。此外，該公司將磨削液供給量削減了50％（加工有工件甚至可削減99％），減小了對環(huán)境影響。

　　為了實(shí)現(xiàn)磨床小型化，需要減小砂輪直徑。為了不降低砂輪速度，需要采用超高速主軸技術(shù)。該磨床減小了砂輪交換頻度，也減薄了砂輪厚度，因此基本上用于輪廓加工。此外，為了節(jié)省空間，軸驅(qū)動系統(tǒng)采用了不需要齒輪箱直線電機(jī)驅(qū)動，而且通過程序更換按鈕，一次操作即可自動調(diào)整心距。

　　（5）復(fù)合化

　　某廠家采用立軸磨削技術(shù)車床技術(shù)，開發(fā)出了融磨削與切削于一體小型復(fù)合磨床，通過一次裝夾工件，就可以高精度、率地完成從車削加工到圓筒、內(nèi)表面磨削精加工。由于立軸磨床比橫軸磨床寬度更窄，因此更容易編入生產(chǎn)線。人們期待該復(fù)合磨床能盡快投入商業(yè)化生產(chǎn)。其他各種復(fù)合機(jī)床（如激光加工與磨削加工復(fù)合）也開發(fā)之。

　　隨著經(jīng)濟(jì)化不斷發(fā)展，越來越多機(jī)床開始出口到語言與文化*不同國家地區(qū)。作為耐用資產(chǎn)機(jī)床，其維修保養(yǎng)定期檢查*。因此，用視頻圖像來表示報(bào)警位置及內(nèi)容功能、利用互聯(lián)網(wǎng)對機(jī)床進(jìn)行自動監(jiān)測等也成了重點(diǎn)技術(shù)之一。

　　微細(xì)加工現(xiàn)狀與未來

　　微電子光電技術(shù)快速發(fā)展產(chǎn)品小型化、復(fù)合化、集成化背景下，為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)復(fù)雜形狀微型構(gòu)件加工，發(fā)端于超精密車床超精密加工機(jī)床正向自由度更多多軸控制超精密銑床多軸控制超精密加工心發(fā)展。由于控制技術(shù)進(jìn)步，超精密加工機(jī)床及加工技術(shù)也獲得了很大進(jìn)展。

　　（1）何謂超精密切削加工

　　超精密切削加工將正確制作刀具形狀復(fù)映到工件上加工方法，其特點(diǎn)用刀具刀尖切削工件，制成所需形狀，即根據(jù)機(jī)床“母性”原理運(yùn)動實(shí)現(xiàn)復(fù)制。

　　制作微細(xì)形狀過程被稱為微細(xì)加工（或微細(xì)機(jī)械加工）。*，微細(xì)加工可以使用半導(dǎo)體制造技術(shù)，也可以使用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）。但，采用光學(xué)粒子束加工技術(shù)并不擅長加工斜面曲面形狀，對被加工材料也有一定限制。就此而言，金剛石切削雖然屬于傳統(tǒng)機(jī)械加工，卻能夠應(yīng)用于幾乎所有材料，因此所起作用很大。

　　源于超精密車床超精密加工機(jī)床正向具有更多自由度多軸控制超精密銑床超精密加工心轉(zhuǎn)變，主要用于加工需求量很大CD傳感器透鏡及其金屬模具、隱形鏡片、菲涅耳透鏡等具有復(fù)雜形狀微型構(gòu)件。由于微電子光電技術(shù)快速發(fā)展以及對產(chǎn)品小型化、復(fù)合化、集成化要求，人們對這些產(chǎn)品加工效率十分關(guān)注。

　　（2）何謂多軸控制加工

　　通過控制機(jī)床直線運(yùn)動軸、旋轉(zhuǎn)軸等軸系，巧妙地調(diào)節(jié)刀具（包括旋轉(zhuǎn)刀具非旋轉(zhuǎn)刀具）與工件位置與姿勢，就可以加工出各種各樣工件形狀。與普通機(jī)床一樣，超精密機(jī)床大多也由構(gòu)成直交坐標(biāo)系X、Y、Z三個直動軸其周圍A、B、C三個旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，為了使刀具工件加工點(diǎn)附近可處于任意位置姿勢，就需要對6個軸全部實(shí)施控制。此時刀具不能作自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以需要使用非旋轉(zhuǎn)刀具。而使用旋轉(zhuǎn)刀具時，無需對其旋轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行控制，因此采用5軸控制就足夠了。這種4軸以上控制稱為多軸控制。一般加工很少同時進(jìn)行5軸或6軸控制，但為了不進(jìn)行重新設(shè)定就一次完成對復(fù)雜形狀加工，或工件加工部位以外部分與刀具發(fā)生干涉時，多軸控制加工就*。

　　（3）多軸控制超精密機(jī)床現(xiàn)狀

　　多軸控制超精密銑床或超精密加工心結(jié)構(gòu)可以根據(jù)將刀具工件沿進(jìn)給軸以納米精度進(jìn)行定位結(jié)構(gòu)來加以區(qū)分；也可以通過采用集成電機(jī)上絲杠來傳遞驅(qū)動（絲杠又可分為滾珠絲杠靜壓絲杠），還采用直接驅(qū)動方式直線電機(jī)來區(qū)分。為了實(shí)現(xiàn)低摩擦、高直線度地移動工作臺，被驅(qū)動工作臺導(dǎo)向方式也可分為滾動導(dǎo)軌靜壓（油、空氣）導(dǎo)軌。對于旋轉(zhuǎn)部分軸承也同樣如此。

　　現(xiàn)有幾種強(qiáng)調(diào)操作方便性加工性能超精密五軸控制加工機(jī)床已經(jīng)上市銷售，其定位精度一般都達(dá)到了1nm。

　　為了超精密加工帶有自由曲面等三維復(fù)雜微細(xì)形狀，需要有作為旋轉(zhuǎn)刀具微小直徑金剛石球頭立銑刀，但這種刀具市場上并無銷售，所以數(shù)十年前，使用將微小直徑單晶金剛石刀頭切去片側(cè)，從旋轉(zhuǎn)軸心略微偏移（偏置）刀具（稱為近似球頭立銑刀）。但．如果通過多軸控制可以實(shí)現(xiàn)刀具傾斜加工以避免零速度切削，那么也就不需要采用偏置了。現(xiàn)，已不需要使用近似球頭立銑刀，而使用常規(guī)球頭立銑刀通過多軸控制對帶有復(fù)雜曲面微小工件進(jìn)行超精密加工。曲面加工所需NC數(shù)據(jù)可利用三維CAD系統(tǒng)或?qū)δＰ瓦M(jìn)行掃描測量來獲得。

　　（4）對未來超精密加工要求

　　加工機(jī)床精度正從納米級向超納米級過渡。今后對超精密加工要求包括日益微型化刀具及其安裝換刀技術(shù)開發(fā)、便于操作微細(xì)加工用三維CAM與誤差補(bǔ)償技術(shù)，以及硬脆材料加工技術(shù)。

　　第二代激光加工技術(shù)

　　激光加工作為一種新型加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)已經(jīng)有1/4世紀(jì)。激光加工技術(shù)作為傳統(tǒng)熱加工替代技術(shù)發(fā)展起來，隨后又開發(fā)出了獨(dú)立激光加工技術(shù)。激光加工機(jī)床與加工技術(shù)就像車子兩個輪子。現(xiàn)評述一下仍不斷獲得顯著進(jìn)步激光加工機(jī)床加工技術(shù)發(fā)展動向及今后展望。

　　（1）激光振蕩器與加工技術(shù)變遷

　　激光誕生于1960年。隨后，60年代至70年代前半期，集出現(xiàn)了許多應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)激光發(fā)明。激光應(yīng)用技術(shù)探索幾乎與激光誕生同時開始。將激光應(yīng)用于加工初步研究主要于70年代研究機(jī)構(gòu)大學(xué)開展。以80年為分水嶺，出現(xiàn)了日本國產(chǎn)激光加工機(jī)，標(biāo)志著產(chǎn)業(yè)界激光時代已經(jīng)到來。

　　激光加工技術(shù)將光波長由原來紅外光領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大至紫外光領(lǐng)域，并成功地將脈沖震蕩時間縮為極短，進(jìn)一步擴(kuò)大了新應(yīng)用可能性。激光加工因應(yīng)用可能性不斷擴(kuò)大與可持續(xù)發(fā)展性，很短時期內(nèi)便作為一種主要加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)界扎下了根。zui近，以德國為心，開發(fā)出了新激光振蕩器，并于2003年前后投入市場。此前激光熱加工其發(fā)展過程伴隨著高功率化也有不少技術(shù)改進(jìn)，但隨著波長脈沖縮短所引發(fā)新加工技術(shù)崛起，可以說激光加工技術(shù)現(xiàn)已進(jìn)入了第二代。

　　（2）第二代激光加工技術(shù)

　　傳統(tǒng)加工用激光主要使用CO2激光、YAG激光基波以及準(zhǔn)分子激光等。這些激光都實(shí)現(xiàn)高功率化，裝置性能也不斷提高。近10年來，二極管激光已實(shí)現(xiàn)了陣列化、存儲棧化高功率化，使直接使用激光進(jìn)行加工成為可能，而高功率化又使高速加工成為可能。與此相比，第二代新型激光加工使用由YAG基波、鈦藍(lán)寶石等形成超短脈沖激光、由YAG高次諧波形成短波長激光、KrF準(zhǔn)分子激光等，使利用紫外光進(jìn)行加工成為可能（多用于微細(xì)孔加工、開槽加工表面改性等）。加工對象材料也擴(kuò)大到各種金屬硅、聚合物、玻璃、陶瓷等非金屬材料，以及鋁、鈦、鎂等有色金屬薄膜。激光加工已從大件加工擴(kuò)展到微細(xì)加工，其應(yīng)用范圍還繼續(xù)擴(kuò)大。