2.3 精密和超精密加工技术
2.3.1 精密和超精密加工方法及其分类
零件加工的精密程度是随着科学技术的进步而不断向前推进的。精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，因此，其划分是相对的。目前所说的精密加工是指加工精度达到1～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.01μm的加工工艺。而超精加工则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。伴随现代工业的发展，精密和超精密加工在机械、电子、轻工、国防等领域占据着越来越重要的地位。无数事实表明：精密、超精密加工是现代制造技术的发展前沿，是一个国家实力和能力的象征。
根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法可分为以下几大类。
1.机械超精密加工技术
包括金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等一些传统加工方法（表2-5）。
表2-5 传统（机械）精密和超精密加工方法及加工精度
2.非机械超精密加工技术
包括精密电火花加工、精密电解加工、精密超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等一些非传统加工方法；也称为特种精密加工方法。
3.复合超精密加工方法
包括传统加工方法的复合、特种加工方法的复合，以及传统加工方法和特种加工方法的复合（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。
2.3.2 金刚石刀具超精密切削加工
金刚石刀具超精密切削始于20世纪60年代，最初用来加工各种镜面零件，如射电望远镜的球面天线等。目前，采用金刚石刀具超精密切削非铁金属材料和一些非金属材料，取得了良好的效果，因此应用越来越广泛。在非铁金属材料加工方面主要有铝、铜、锡、铂、银、金及其合金等。在非金属材料方面主要有聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和一些结晶体，如锗、硅、硫化锌等。
1.金刚石刀具超精密切削的应用
表2-6所示为用金刚石刀具超精密切削的零件实例。
表2-6 金刚石刀具超精密切削的零件实例
2.超精密车削用金刚石刀具
天然单晶金刚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优异的性能，能够满足超精密切削对刀具材料的要求。金刚石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交为一点的尖锐刀尖，因为这样的刀尖容易崩刃和磨损，而且还会在加工表面上留下加工痕迹，使表面粗糙度增大。金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃，对加工表面起修光作用。可以把刀刃设计成圆弧形或带直线修光刃的折线形，以减少切削残留面积对表面粗糙度的影响。图2-6所示为一种通用带直线修光刃的金刚石精车刀的几何角度。
图2-6 通用金刚石精车刀的几何角度
由于金刚石硬度极高、加工困难，且要求有极锋锐的刃口，因此制造金刚石刀具的技术难度很大，特别是金刚石的研磨加工。国外大多采用将金刚石刀具送回原制造厂重磨的方法，也有将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在刀杆上的不重磨金刚石刀具。
3.金刚石刀具超精密切削切削参数的选择
（1）切削速度
切削速度的大小会影响到积屑瘤的形成和高度，进而影响加工工件的表面粗糙度，故应适当选择超精密切削时的切削速度。如果使用切削液，则积屑瘤不易生成，因此在所选的切削速度范围内对表面粗糙度的影响很小。
（2）进给量
进给量直接影响加工表面粗糙度，因此超精密切削时采用很小的进给量，同时刀具多带有修光刃，但进给量的数值也不宜小于刀具刃口的钝圆半径。
（3）背吃刀量
背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层残留变形大，但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生切屑，切削力反而增加，使表面残余应力增加。
金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表2-7。
表2-7 金刚石刀具超精密车削时的切削用量
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细粒度磨粒和微粉对工件进行磨削，以得到高加工精度和低表面粗糙度的一种工艺方法。对于铜、铝及其合金等软金属，采用金刚石刀具超精密车削加工是十分有效的；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工是当前最主要的精密加工手段。
精密和超精密磨削加工分为固结磨料加工和游离磨料加工两大类（图2-7）。固结磨料加工是指采用烧结、粘接、涂覆等办法，将磨粒或微粉与结合剂均匀地结合，并固结成一定形状和强度的磨具，如砂轮、砂带等，形成精密和超精密磨削；游离磨料加工是指磨料在加工时呈游离状态，如研磨、抛光等。
图2-7 精密和超精密磨削加工方法分类
1.精密磨削加工
精密磨削加工可分为普通磨料砂轮磨削和超硬磨料砂轮磨削两大类。
（1）普通磨料砂轮精密磨削
普通磨料砂轮精密磨削是指加工精度达到1～0.1μm、表面粗糙度Ra达到0.2～0.025μm的磨削方法，又称为低粗糙度磨削。多用于机床主轴、轴承、液压滑阀、滚动导轨、量规等的精密加工。其主要影响因素如下。
① 砂轮选择。砂轮选择主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂、织织和硬度等。应选择细粒度的砂轮，经过精细修整后，有很好的微刃性和等高性，不仅有微切削作用，而且与工件加工表面的滑擦、抛光作用比较明显；砂轮的使用寿命长，磨削质量好，但磨粒间的容屑空间较小，容易堵塞。对此提出了微粒度磨料的“粗化”措施，即先将微粒度磨料与结合剂混合烧结成细粒度磨粒，再将这些细粒度磨粒与结合剂混合而烧结成砂轮。从而解决了容屑空间小的矛盾，再经过微细修整，则可得到既有很好的微刃性和等高性，又有足够容屑空间的砂轮。
② 砂轮修整。修整时，一般可分为初修、精修和光修。初修时修整用量可大些，逐次减小；精修用量应小些；光修为无修整深度修整，主要是为了去除砂轮表面个别突出的微刃，使砂轮表面更加平整。普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量可参考表2-8。
表2-8 普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量
③ 磨床选择。精密磨削通常应在精密磨床上进行，需满足以下要求：机床几何精度和刚度高；由于普通砂轮精密磨削时砂轮的修整速度要求低至10～15mm/min，机床工作台必须能低速进给、平稳、无爬行和冲击；从机床结构上和安装上采取一些减振和隔振措施，以提高其抗振性。
④ 磨削用量。主要包括砂轮速度、工件速度、纵向进给量、磨削深度、走刀次数和无火花磨削次数等的选择，可参考表2-9。
表2-9 普通砂轮精密磨削时的参考磨削用量
（2）超硬磨料砂轮精密磨削
超硬磨料砂轮磨削硬脆材料是一种有效的超硬磨料精密加工方法。其特点和应用范围如下。
① 可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢，以及铜、铝等非铁金属及其合金等。
② 磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长、易于控制尺寸及实现加工自动化。
③ 磨削力小，磨削温度低，无烧伤、裂纹和组织变化，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的1/5～1/4。
④ 由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和磨削比，因此磨削效率高。
⑤ 超硬磨料砂轮修整难度大。
⑥ 虽然金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮价格比较昂贵，但由于其使用寿命长、加工效率高、工时少，因此综合成本不高。
金刚石砂轮磨具有较强的磨削能力和较高的磨削效率，适合于加工非金属硬脆材料、硬质合金、非铁金属及其合金，但金刚石容易与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故不适于加工钢铁类金属材料。立方氮化硼虽硬度不及金刚石，但比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，又不易与铁族元素产生化学反应和亲和作用，适于加工硬而韧、高温硬度高、热传导率低的钢铁材料，例如耐热合金钢、钛合金、模具钢等，有较高的耐磨性。
2.超精密磨削加工
超精密磨削的加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度Ra低于0.025μm，是一种亚微米级、纳米级的砂轮磨削方法。超精密磨削加工也分为固结磨料加工和游离磨料加工两大类。
超精密磨削主要用于磨削钢铁及其合金，例如耐热钢、钛合金、不锈钢等合金钢，特别是经过淬火处理的淬硬钢，也可用于磨削铜、铝及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属硬脆难加工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工方法。
超精密磨削的发展远比超精密切削要缓慢。当前，发展得比较快、应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮超精密磨削。
（1）金刚石微粉砂轮
金刚石微粉砂轮一般采用粒度为F240～F1000的金刚石微粉作为磨料，采用树脂、陶瓷、金属（铜、纤维铸铁等）为结合剂烧结而成，也可采用电铸法和气相沉积法制作。结合剂不同，砂轮刚度也不同。金属结合剂砂轮刚度大，对保证形状精度有利，但修整困难，不易加工出低表面粗糙度，对磨床的精度和刚度要求十分苛刻。树脂结合剂砂轮的柔性好，易于磨出低粗糙度的表面。因此，提出了树脂-金属复合结合剂金刚石微粉砂轮，砂轮的表层为树脂结合剂结构，而里层为金属结合剂结构，从而得到整体支撑刚度好、表层有柔性的金刚石砂轮，能够磨削出精度高且表面粗糙度低的加工表面。
金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点。
① 它是一种固结磨料的微量去除加工方法，与研磨、抛光等精密加工方法相比较，加工效率高。
② 磨料是微粉级的，粒度很细，在超精密磨床上磨削可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的超精密加工方法。
③ 磨料粒度很细，容屑空间很小，砂轮容易堵塞，需要进行在线修整，才能保证磨削的正常进行和加工质量。
④ 需要在超精密磨床上进行，设备价格昂贵，磨削成本高。
（2）超精密磨床
超精密磨床在结构上具有以下特点：在主轴系统中，其支承已由动压向动静压和静压发展，由液体静压向空气静压发展。图2-8为典型液体静压轴承主轴结构原理图。另外，主轴系统已向主轴单元和主轴功能部件发展。导轨大多采用平面型空气静压导轨（图2-9），有的采用精密研磨配制的镶钢滑动导轨，以求达到很高的精度和运动的平稳性。整个机床采用热对称结构、密封结构、淋浴结构，以保证热稳定性。磨床主要零件材料多采用稳定性好的天然石材和人造石材，例如床身、立柱、工作台、主轴等采用天然或人造花岗岩、陶瓷等材料制造。这些结构特点保证了机床的高精度、高刚度和高稳定性。为了提高加工的形状精度，还需要使用微量进给装置。根据精密进给装置的要求，比较成熟的有双T形弹簧变微进给装置（图2-10）和电致伸缩式微量进给机构。
图2-8 典型液体静压轴承主轴结构原理图
1—径向轴承；2—止推轴承；3—真空吸盘
图2-9 平面型空气静压导轨（日立精工）
1—静压导轨；2—移动工作台；3—底座
图2-10 双T形弹簧变形微进给装置原理
1，2—T形弹簧；3—驱动螺钉；4—微位移刀夹
目前国内、外各种超精密磨床的加工精度和表面粗糙度能够达到的水平为：
① 尺寸精度：0.24～0.50μm；
② 圆度：0.25～1μm；
③ 圆柱度：0.25/2500～1/50000；
④ 表面粗糙度Ra：0.006～0.01μm。
（3）超精密磨削工艺
超精密磨削的工艺参数应根据具体情况做工艺试验来确定，也可参考以下数值来选取：
① 砂轮线速度：18～60m/s；
② 工件线速度：4～10m/min；
③ 工作台纵向进给速度：50～100mm/min；
④ 磨削深度：0.5～1μm；
⑤ 磨削横向进给次数：2～4；
⑥ 无火花磨削次数：3～5；
⑦ 磨削余量：2～5μm。
3.精密砂带磨削
砂带磨削具有弹性、冷态、高效、精密、经济等特点，可加工各种金属、非铁金属和非金属材料。随着砂带基底材料的发展、磨粒与基底粘接强度的提高，以及精密砂带磨削、抛光等工艺的出现，砂带磨削的应用范围大为扩展，已逐渐成为精密加工和超精密加工的重要手段。
精密和超精密砂带磨削多采用开式砂带磨削方式（图2-11）。该磨削方式采用成卷砂带，由电动机经减速机构、通过卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与被加工表面接触，通过工件回转，砂带头架或工作台作纵向或横向进给，对工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，已磨削过的砂粒不断退出，磨削工作状态一致，磨削质量高且稳定，磨削效果好，但生产率较低。
图2-11 开式砂带磨削方式
采用精密砂带磨削时，需要考虑以下几类因素。
（1）磨削用量
主要有砂带速度、工件速度、纵向进给量、磨削深度和接触压力的选择。
① 砂带速度。开式砂带磨的砂带速度很低，砂带移动是为了不断有新砂粒进入切削区，控制磨削表面质量和砂带的使用寿命，而磨削的主运动是靠工件的转动或移动来实现的。
② 工件速度。由于砂带速度非常低，切削形成主要靠工件的转动或移动，按磨削要求，工件速度可取10～12m/s。
③ 纵向进给量和磨削深度。纵向进给量可参考砂轮磨削来选取，而磨削深度应比砂轮磨削时要小些。
粗磨时，纵向进给量为0.17～3.00mm/r，磨削深度为0.05～0.10mm。
精磨时，纵向进给量为0.40～2.00mm/r，磨削深度为0.01～0.05mm。
④ 接触压力。这是砂带磨削所特有的加工参数，直接影响磨削效率和砂带使用寿命。可根据工件材料、磨粒材料和粒度、磨削余量和表面粗糙度要求来选择，一般选取50～300N，但其大小有时很难控制。
（2）砂带和接触轮的选择
应根据被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求来选择。其中包括磨料种类、粒度、基底材料、接触轮外缘材料、形状及其硬度等。砂带选择和接触轮选择之间有一定的配合关系要求。
（3）砂带磨削的冷却和润滑
砂带磨削可分为干磨和湿磨两种。湿磨时，磨削液的选择应考虑加工表面粗糙度，被加工材料、砂带黏结剂的种类和基底材料等。例如有些黏结剂为有机物，易受化学溶剂的影响，有些基底材料不防水。干磨时，当粒度大于F150时，可采用干磨剂，有效防止砂带堵塞，提高加工表面质量。
4.精密和超精密研磨
（1）油石研磨
油石研磨的加工运动与普通研磨方法相同，可以加工平面、外圆等。油石研磨采用各种不同结构的油石，常用的有：①氨基甲酸酯油石，是利用低发泡氨基甲酸（乙）酯和磨料混合制成的油石，这种油石制作方便、成本低廉；②金刚石电铸油石，是利用电铸技术使金刚石颗粒的切刃位于同一切削平面上，使磨粒具有等高性，平整而又均匀，从而可以研磨出极低表面粗糙度的表面；③超硬磨料粉末冶金油石，将金刚石和立方氮化硼等微粉与铸铁粉混合起来，用粉末冶金方法烧结成块。烧结块为双层结构，只在表层1.5mm厚度含有磨粒。将双层结构的烧结块用环氧树脂胶粘接在铸铁板上，即成油石。这种油石研磨精度高、表面质量好、效率高。
（2）磁性研磨
如图2-12所示。工件放在两磁极之间，工件与极间放入磁性磨粒，在直流磁场的作用下，磁性磨粒沿磁力线方向整齐排列，如同刷子一样对被加工表面施加压力，并保持加工间隙，因此又称为磁性磨粒刷。研磨时，工件一面旋转，一面作轴向振动，使磁性磨料与被加工表面之间产生相对运动，在被加工表面上形成均匀网状纹路，提高了工件的精度和表面质量。
图2-12 磁性研磨示意图
磁性研磨具有以下特点和用途。
① 研磨压力的大小随磁场中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大，可以调节。
② 既可研磨磁性材料零件，又可研磨非磁性材料零件；可研磨金属材料，例如钢、铁、不锈钢、铜、铝等；也可研磨非金属材料，如陶瓷、硅片等。
③ 加工精度可达1μm，表面粗糙度Ra可达0.01μm，对于钛合金有较好的研磨效果。
④ 可加工工件的外圆、内孔等和去毛刺。由于加工间隙有1～4mm，磁性磨粒在未加磁场前是柔性的，因此还可以研磨成形表面。
5.精密和超精密抛光
（1）软质磨粒抛光
其特点是可以用较软的磨粒，甚至比工件材料还要软的磨粒（如氧化硅、氧化铬等）来抛光，在加工时不会产生机械损伤，大大减少了一般抛光中所产生的微裂纹、磨粒嵌入、洼坑、麻点、附着物、污染等缺陷，能获得极好的表面质量。典型的软质磨粒机械抛光方法是弹性发射加工（Elastic Emission Machining，EEM），其原理是利用水流加速微细磨粒，以尽可能小的入射角冲击工件表面，在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应，造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散，形成与工件表层其他原子结合力较弱的杂质点缺陷。当这些缺陷再次受到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原子被一并移去，同时工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。数控弹性发射加工装置的原理如图2-13所示。
图2-13 数控弹性发射加工装置的原理
1—十字弹簧；2—数控主轴箱；3—载荷支撑杆；4—聚氨酯球；5—工件；6—橡胶垫；7—数控工作台；8—工作台；9—悬浮液；10—容器；11—重心
（2）浮动抛光
浮动抛光是一种平面度极高的非接触超精密抛光方法，浮动抛光装置如图2-14所示。高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件高速回转时，在两者之间的抛光液呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。
图2-14 浮动抛光装置原理示意图
1—抛光液；2—抛光液槽；3—工件；4—工件夹具；5—抛光盘；6—金刚石刀具的切削面；7—沟槽；8—液膜
（3）动压浮离抛光
动压浮离抛光是另一种非接触抛光方法。平面非接触动压浮离抛光装置如图2-15所示。工作原理是：当沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，由浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，因此，可重复获得精密的工件表面。该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃的抛光，可同时进行多片加工。用这种方法加工3in直径硅片，可获得0.3μm的平面度和Ra为1nm的表面粗糙度。
图2-15 动压浮离抛光装置
1—抛光液容器；2—驱动齿轮；3—保持环；4—工件夹具；5—工件；6—抛光盘；7—载环盘
（4）非接触化学抛光
是一种普通的盘式化学抛光方法，通过供给抛光盘面化学抛光液，使其与被加工面作相对滑动，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。这种抛光方法以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅，所以又称为化学机械抛光。水面滑行抛光是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的新型非接触化学抛光方法。它借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光，其抛光装置如图2-16所示，将被加工的半导体基片吸附在作为工件夹具的直径为100mm的水晶光学平板的底面。水晶平板的边缘呈锥状，并通过带轮与抛光装置相连。基片高度可利用调节螺母进行调节，将腐蚀液注入抛光盘中心附近，当抛光盘以1200r/min的转速回转时，通过液体摩擦力，使水晶平板以1800r/min转速回转，同时动压力使水晶平板上浮，完成抛光盘对工件表面的非接触化学抛光。
图2-16 水面滑行化学抛光装置
1—GaAs工件；2—水晶平板；3—调节螺母；4—腐蚀液；5—抛光盘