超精密加工的主要影响因素

如前所述，超精密加工技术已成为融合当代最新科技成果，涉及面极其广泛的系统工程。因此，影响超精密加工的因素是相当多的，这不仅包括加工方法本身的影响，而且还包括整个制造系统及其相关技术的影响。归纳起来，一般认为影响超精密加工的主要因素有如下几个方面。

1）加工方法的原理及超微量加工机理

一般加工时，“工作母机”的精度总是要高于被加工零件的精度要求，这一规律被称为“母性”原则。此时，机床的几何误差与传动链误差会以刀具相对于工件的相对运动“遗传”给工件，而且在加工过程中还存在着诸如热变形、力变形、振动、磨损等因素的影响，致使被加工零件的精度总是低于机床的精度，这就是所谓的精度“退化”现象。而对于超精密加工，由于对被加工零件的精度要求极高，这使得具有误差遗传和精度退化特征的“母性”原则加工极难胜任超精密加工的要求，此时必须考虑使用精度低于被加工零件精度要求的机床，借助于工艺手段和特殊工具来满足加工要求，这就是所谓的“创造性”加工原则。在实施“创造性”加工时，一方面要利用先进的工艺方法，如前面讲到的ELID磨削法，它可以在普通磨床上加工出Ra为0.03μm的镜面；另一方面就是要利用误差的补偿和均化技术等。“创造性”加工方法是符合机械加工精度不断提高的历史事实的，它一直是超精密加工的主要手段。正因为如此，在实施超精密加工时，不但应考虑加工方法本身的原理性误差，还应考虑“创造性”加工所带来的问题。

超精密加工必须能均匀地去除（或附着）不大于加工精度和表面粗糙度要求的极薄的加工层，即超微量加工。由于加工层极薄，这使得超微量加工的加工机理与普通加工相差甚大。它已经深入到了物质的微观领域，此时不得不考虑材料物质内部的不均匀性和不连续性而引起的切削阻力的急剧变化，以及由此而带来的一系列问题。因此，必须重视超微量加工机理的研究。

2）加工设备及其基础元件

即使采用“创造性”原则进行超精密加工时，加工设备及其基础元件的质量仍然是获得高质量加工的关键，世界各国都对此投入了极大的人力和物力。如日本新研制的一台盒式超精密立式车床，其整体结构采用了盒式结构，加工区域形成了封闭空间，自成系统而不受外界干扰，同时该机采用热对称结构及低热变形复合材料以抑制热变形的影响，并且在冷却、恒温等方面均进行了改进，该机获得了优良的加工性能。一般说来，为满足超精密加工要求，其加工设备应满足如下要求：

（1）高精度和高刚性。加工设备本身具有极高精度和刚度的主轴系统、进给系统及微量进给装置等，是实现超精密加工的基础。目前，超精密加工机床的主轴系统一般采用回转精度高、刚性好、阻尼大、抗震动性能好的空气或液体静压轴承支承的主轴系统。

（2）高稳定性和高可靠性。这主要是指机床抵抗热变形、磨损、振动等的性能。

（3）高自动化程度。提高自动化程度，减少人为因素的影响，是提高超精密加工水平的重要条件。

3）测量技术(www.xing528.com)

加工与测量技术是相辅相成的、不可分离的整体。如果没有与加工精度相适应的测量技术，就不能判断加工精度是否达到要求，也就无法为加工精度的进一步提高指明方向。超精密加工要求测量精度比加工精度至少高一个数量级。目前，超精密加工精度已可稳定达到亚微米（0.1μm）级甚至百分之一微米级。这就要求测量精度能达到纳米级水平。目前，在超精密加工中除广泛应用基于光学原理的测量技术和高灵敏度的电气测量技术外，还在探索使用新出现的高新技术进行显微测量。下面简单介绍目前比较先进的扫描隧道显微测量技术。

图10-12　扫描隧道显微镜原理图

1—探针　2—被测件

图10-12是扫描隧道显微镜原理图。在探针与被测件之间有微小电压，当其间隙仅为1.2nm时产生隧道效应，流过这一间隙的电流值对间隙的大小十分敏感。利用这一效应，通过精密调整由压电陶瓷侍服驱动的探针的z向位置，可使流过这一间隙的电流保持常量。水平方向的运动由x和y向的压电陶瓷来实现，这样即可完成三维尺寸和表面粗糙度的精确测量。目前，应用这种方法已可获得0.01nm垂直方向的分辨力和0.5nm的水平方向的分辨力。

4）加工环境条件

在超精密加工中，加工环境条件对加工质量的影响极大，其极其微小的变化都可能导致加工达不到目的。因此，超精密加工必须在超稳定的加工环境下进行。超稳定的加工环境条件，主要指恒温、恒湿、防振和无尘等方面。机床的防振和抗震性能的好坏，对超精密加工的影响是至关重要的，下面简单介绍超精密加工机床通常防振措施。

加工工艺系统的振动主要来自机内振源和机外振源的干扰。为消除机内振源的干扰，通常是对机床的高速回转部件（如主轴、砂轮、电动机转子）等进行精确的动平衡，并将振源与机座之间用防振垫隔开；将液压系统的油箱、马达、液压泵等供油系统与机床分开，通往机床的油液用软管输送，以减少脉动的影响；对于机床的传动系统，则应提高齿轮的制造精度和装配质量，以切实减少啮合振动，若采用带传动，则应选择薄厚均匀、无接头、软质的平带；选择抗震性能好的材料来制造机床也已经成为提高机床抗震性的一个重要方面，如采用花岗石来制造床身，它既是气动导轨的一部分，又是重载机座。由于花岗石的自振频率通常为3Hz，与机床的工作频率相差甚远，因此可以有效地抗震。对于机外振源的干扰，通常是采取隔振的方法来减少或消除，目前广泛采用的隔振方法是增设隔振平台（或称隔振地基）。

事实上，除上述主要因素外，影响超精密加工的因素还有很多，如加工工具、工件的定位与夹紧方式、操作者的技艺水平等。值得注意的是，上述各影响因素并不是独立地起作用的，而是相互影响、相互制约的。