數(shù)控超精密加工精度控制研究

程艷

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603）

數(shù)控超精密加工精度控制研究

程艷

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603）

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工已經(jīng)成為未來工業(yè)生產(chǎn)的主要模式。為此，如何提高數(shù)控加工的精度成為了社會的關(guān)注重點(diǎn)。基于上述背景，本文以數(shù)控超精密加工為核心對象，對比研究不同精度控制模式的優(yōu)劣，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望，旨在為后續(xù)的工藝優(yōu)化與超精密加工設(shè)備升級提供必要的理論指導(dǎo)。

超精密加工；影響要素；TOPSIS模型；應(yīng)用評價(jià)

超精密加工是工業(yè)實(shí)力的綜合體現(xiàn)，如何控制加工精度及其穩(wěn)定性是一個世界性難題?；谶@個問題，本文對現(xiàn)階段不同的加工控制方式進(jìn)行探究，旨在找到不同的影響因素與評價(jià)方法，為后續(xù)的應(yīng)用提供展望。

1 超精密加工概念及其研究進(jìn)展

精密加工是現(xiàn)代工業(yè)的核心追求，同時也是企業(yè)、地區(qū)，甚至是某國家科技能力的綜合體現(xiàn)。為此，針對自動化背景下的超精密加工成為了現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。在針對數(shù)控超精密加工精度控制方面的研究主要集中在軟硬件兩個方面，其中硬件研究更為深入。在硬件研究體系中，我們發(fā)現(xiàn)，超精密加工精度的控制影響因素多元化成為了其具體控制的障礙。為此，本文以數(shù)控超精密加工為主要研究對象，對其中的加工精度控制體系進(jìn)行研究，并探究其在未來的可能技術(shù)突破，旨在為后續(xù)的相關(guān)實(shí)踐與科研提供必要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

2 超精密加工要求及影響要素

精密加工是指被加工物件的外部尺寸與表面光滑程度能夠達(dá)到精準(zhǔn)的要求，隨著設(shè)備的不斷完善，業(yè)內(nèi)普遍將加工精度達(dá)到納米級的相關(guān)加工操作定義為超精密加工。從現(xiàn)有的技術(shù)來看，超精密加工體系的最小操作層級為1X10-1nm，即單原子直徑。此種加工精度能夠滿足包括小原子金屬材料在內(nèi)的一切材料的精細(xì)加工，并保障表面粗糙度（Ra）合規(guī)，具體包括如下三個方面：

第一，在超精密切削加工階段：超精密切削是特指采用金剛石等超硬材料作為刀具的切削加工技術(shù)，其加工表面粗糙度Ra可達(dá)到幾十納米。在此加工階段，機(jī)械控制精度與材料選擇之間的互動對加工結(jié)果具有顯著的影響［1］。

第二，在超精密磨削加工階段：超精密磨削是指以利用細(xì)粒度或超細(xì)粒度的固結(jié)磨料砂輪以及高性能磨床實(shí)現(xiàn)材料高效率去除、加工精度達(dá)到或高于0.1nm，加工表面粗糙度Ra＜0.025μm的加工方法［2］。磨具（砂輪）的指標(biāo)系數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)對于加工精度具有直接影響。

第三，在超精密拋光加工階段：超精密拋光是利用微細(xì)磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)液、電/磁場等輔助作用下，為獲得光滑或超光滑表面，減少或完全消除加工變質(zhì)層，從而獲得高表面質(zhì)量的加工方法。

3 超精密加工精度控制對比及其評價(jià)研究

達(dá)到更高的精度是工業(yè)進(jìn)程發(fā)展的必然結(jié)果，也是現(xiàn)階段的最高追求。而從現(xiàn)有的理論與實(shí)踐而言原子水平的超精細(xì)加工（0.1～0.2nm量級）是人們的極限，此種加工精度將不再是單一的設(shè)備穩(wěn)定性與精密度的關(guān)系，而是材料自身的屬性所決定的［3］。為此，針對超精密加工則向著穩(wěn)定性、工業(yè)指向性精密度等方向發(fā)展，并逐步形成了多元化、多手段的超精密加工體系。本文選取了若干種數(shù)控超精密加工途徑與方法對其具體的不同工業(yè)目的加工精密度進(jìn)行研究，具體結(jié)果如下表1所示?？梢钥闯?，不同的精度控制模式對于具體的加工精度以及表面粗糙程度具有顯著的影響，其中以精度范圍來進(jìn)行排序，磨削方式最佳，其精度可以達(dá)到12～30nm，且最佳精度可以達(dá)到原子級別；其他控制模式在精度上表現(xiàn)也相對較好；而在穩(wěn)定性方面結(jié)果表現(xiàn)則有著很大的出入，其中精度最高的磨削方式在表面粗糙程度上表現(xiàn)并不理想，僅為25～30［4］。

表1 不同加工模式對精密度的影響

根據(jù)上述的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)在精度控制體系中，加工精度、加工穩(wěn)定性（Ra）是其主要的評價(jià)指標(biāo)；此外，加工尺寸與連續(xù)性也是其后續(xù)生產(chǎn)的客觀保障。為此，本文引入TOPSIS模型對不同加工方式進(jìn)行評價(jià)。該模型來源于非單一權(quán)重的多平行指標(biāo)評價(jià)系統(tǒng)，可以為具體的工藝選擇提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，其公式可以表現(xiàn)為如下形式：

在公式1中，Y代表最終TOPSIS模型輸出結(jié)果，范圍為0～1，結(jié)果越大則遵從度越高；Vj為第j個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，為正數(shù)權(quán)重系數(shù)均值，為權(quán)重系數(shù)倒數(shù)均值；m代表指標(biāo)總量，在本文的分析中m=4。該體系內(nèi)的不同指標(biāo)權(quán)重通過調(diào)查問卷與理論參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，分別為加工精度（0.35）、加工穩(wěn)定性（0.35）、加工尺寸（0.15）與連續(xù)性（0.15），代入上述客觀指標(biāo)獲得綜合評價(jià)示意圖（如圖1）：

圖1 不同數(shù)控超精密加工精度控制方式評價(jià)結(jié)果示意圖

由圖1我們可以看出非球面磨削控制質(zhì)量最高，為3.85；其他控制手段得分分別為磨削（3.38）＞五軸曲面磨削（2.22）＞車削（1.72）＞切削（1.18）。

4 結(jié)論

本文對數(shù)控超精密加工精度控制體系進(jìn)行研究，按照不同工段與方式的加工精度分布及其具體的影響節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類總結(jié)，并根據(jù)其各自的加工精度特征，結(jié)合TOPSIS模型對其進(jìn)行評價(jià)。發(fā)現(xiàn)，非球面磨削控制質(zhì)量最高，在工程實(shí)踐中具有推廣價(jià)值，也是后續(xù)相關(guān)實(shí)踐與科研的優(yōu)化的主要方向。最后，希望通過本文的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)體系研究及其具體的技術(shù)突破奠定理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

［1］左曉舟，姜峰，張燕，惠剛陽，劉欣.高精密標(biāo)準(zhǔn)鏡頭定心裝調(diào)技術(shù)研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2014（06）：1035-1039.

［2］焦翔，朱健強(qiáng)，樊全堂，李養(yǎng)帥.大口徑光學(xué)元件精密加工溫差分析及控制方法［J］.中國激光，2014（11）：291-298.

［3］王曉軍，陳壯，任衍濤.刀尖安裝誤差對非回轉(zhuǎn)對稱曲面加工精度影響的研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2014（06）：9-13.

［4］劉琳琳.機(jī)械零件精度加工中的計(jì)算機(jī)仿真模擬分析［J］.化學(xué)工程與裝備，2015（08）：170-172.

Research Progress And Future Prospect Of NC Ultra Precision Machining Precision Control

CHENG Yan
（Anhui Vocational College of Water Resources and Hydropower，Hefei Anhui 231603）

With the continuous development of related technology，NC machining has become the main mode of industrial production in the future.Therefore，how to improve the accuracy of the numerical control processing has become the focus of the society.Based on the above background，this paper takes the numerical control ultra precision machining as the core object，and compares the advantages and disadvantages of different precision control mode，and the future development of it is aimed at providing the necessary theoretical guidance for the follow-up process optimization and ultra precision machining equipment.

Ultra precision machining；impact factor；TOPSIS model；application evaluation

TG659

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.071

1672-7304（2015）04-0148-02

安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項(xiàng)目“數(shù)控技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”（2013zy127）。

（責(zé)任編輯：黃 密）

程艷（1979-），女，安徽淮南人，講師，研究方向：機(jī)械工程。