機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)分析

陸洲

(常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇常州 213011)

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展進(jìn)程中，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品制造工藝提出了更加嚴(yán)格的要求，產(chǎn)品制造方不僅需要確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，而且需要賦予產(chǎn)品外在美觀性。機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品制造需求催生的產(chǎn)物，在多年的發(fā)展應(yīng)用過程中取得了喜人的成果，也獲得了電子制造行業(yè)、冶金行業(yè)的青睞。因此，分析現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)概述

1.1 機(jī)械制造工藝

機(jī)械制造工藝是由現(xiàn)代焊接工藝、微機(jī)械工藝組成的工藝體系。其中，現(xiàn)代焊接工藝是一種以加壓方式接合金屬，或以加熱方式接合熱塑性塑料的工藝，包括電阻焊、氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊、螺柱焊等幾種類型；微機(jī)械工藝是借助傳感器裝置收集溫度、壓力、速度指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行機(jī)械制造的工藝。微機(jī)械工藝包括復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)、微機(jī)械蝕刻技術(shù)、硅表面微機(jī)械制造技術(shù)、X 光蝕刻精密電鑄模造成形技術(shù)幾種技術(shù)等。

1.2 精密加工技術(shù)

精密加工技術(shù)特指加工粗糙度在Ra0.1 μm 以下的加工工藝，包括精密切削技術(shù)、超精密研磨技術(shù)、模具成型技術(shù)、納米技術(shù)等。其中精密切削技術(shù)在基于傳統(tǒng)精密加工技術(shù)的創(chuàng)新，可以減少工具、機(jī)床等客觀因素約束，優(yōu)選小變形、高強(qiáng)度車床，并在生產(chǎn)制造階段吸收多余振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)。

超精密研磨技術(shù)是利用超硬磨料砂輪、細(xì)粒度微粉對(duì)黑色硬脆材料進(jìn)行加工獲得高加工精度、低表面粗糙度值產(chǎn)品的技術(shù)。

模具成型技術(shù)是基于電解加工制造高精準(zhǔn)度模具的技術(shù)，主要是在零件基本成型后借助計(jì)算機(jī)信息技術(shù)進(jìn)行少許加工的近凈成形，可滿足精鍛零件加工需求。

納米技術(shù)是納米級(jí)0～100 nm 的材料加工控制技術(shù)，涵蓋了微型機(jī)電系統(tǒng)、納米級(jí)微傳感器控制技術(shù)、納米級(jí)精度制造技術(shù)等。

2 機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 全過程關(guān)聯(lián)

現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的應(yīng)用貫穿了整個(gè)制造過程，包括機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、加工、制造、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)制造過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)之間具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，相應(yīng)技術(shù)之間也具有較大聯(lián)系，任意一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障均會(huì)影響下一個(gè)環(huán)節(jié)甚至整個(gè)技術(shù)流程[1]。

2.2 應(yīng)用范疇廣闊

在世界經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的背景下，機(jī)械制造加工行業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力進(jìn)一步增加，也驅(qū)動(dòng)著機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)應(yīng)用范疇的進(jìn)一步擴(kuò)展?，F(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)不單單在本國機(jī)械行業(yè)應(yīng)用，而且可以在其他國家和地區(qū)、其他行業(yè)應(yīng)用。

2.3 技術(shù)種類多樣

現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)具有種類多樣的特點(diǎn)，不僅涉及了氣體保護(hù)焊接、埋弧焊、電阻焊等現(xiàn)代機(jī)械制造工藝，而且涉及了精密切削、精密研磨、納米技術(shù)等精密加工技術(shù)。在學(xué)科交叉發(fā)展過程中，現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工類型有望進(jìn)一步增加。

3 機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 機(jī)械制造工藝的應(yīng)用

3.1.1 現(xiàn)代焊接工藝

（1）氣體保護(hù)焊接。氣體保護(hù)焊接是借助焊槍噴嘴噴出保護(hù)氣體，促使焊接部位、熔池與大氣隔離的全部焊接手段，是熔化極焊接技術(shù)體系的一種。在氣體保護(hù)焊接全程，可以觀察電弧、熔池加熱熔化現(xiàn)象，確保焊接過程熔渣及時(shí)處理。

從應(yīng)用類別來看，氣體保護(hù)焊接主要包括熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氣體保護(hù)焊兩種。在熔化極氣體保護(hù)焊中，主要用氬氣-氦氣惰性氣體或二氧化碳活性氣體；在鎢極氣體保護(hù)焊中，多用氬氣與氦氣惰性氣體或氬氣-氫氣混合氣體，鎢極為粉末冶金法鑄造的圓柱形棒，焊絲為冷拉制造，并且與被焊接母材相同、近似的材料。

（2）埋弧焊。埋弧焊是將電弧作為熱源的焊接技術(shù)。在埋弧焊技術(shù)應(yīng)用過程中，需要將可熔化焊接附著在電弧上，避免燃燒電弧外露。而在電弧燃燒熱向焊絲端部、電弧周邊母材傳遞過程中，母材可熔化形成熔池，焊劑則以熔渣的形式呈現(xiàn)。在熔渣、焊劑整體的保護(hù)下，熔池與外界空氣隔離。埋弧焊本質(zhì)上是一種將強(qiáng)烈焊接弧光埋藏的一種焊接方法，可控工藝參數(shù)較多，焊接電流、焊絲直徑、焊接速度、電弧電壓、焊絲傾角、伸出長度、裝配間隙、坡口大小、焊劑粒度、焊劑層厚度等均對(duì)焊接效果具有較大影響，需要操作者綜合考慮各項(xiàng)焊接參數(shù)，進(jìn)行合理調(diào)控。如在熱影響區(qū)過小產(chǎn)生熔合不足、夾渣缺陷時(shí)，應(yīng)增加焊接電流與電弧電壓。

埋弧焊回路涉及了焊接電源、連接電纜、導(dǎo)電嘴、焊絲、電弧、熔池、工件等幾個(gè)部分，在電弧熱作用下，焊絲端部會(huì)持續(xù)熔化，為后續(xù)焊絲送進(jìn)提供空間，確保焊接過程焊絲送進(jìn)速度、焊絲熔化速度維持動(dòng)態(tài)平衡。其中焊絲送進(jìn)主要借助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的送絲滾輪，焊接速度在50～80 cm/min之間。

（3）電阻焊。電阻焊主要是借助電極壓力，經(jīng)電阻熱加熱熔化金屬，進(jìn)而斷開電路促使金屬在壓力下結(jié)晶的方法。在機(jī)械制造過程中，電阻焊可用于多類別鋼板制件加工，焊接方式為點(diǎn)焊。除點(diǎn)焊外，電阻焊還包括縫焊、凸焊、對(duì)焊等。其中對(duì)焊又包括電阻對(duì)焊、閃光對(duì)焊兩種。從本質(zhì)上來說，電阻焊是在兩個(gè)電極之間壓入被焊材料，借助流經(jīng)被焊材料接觸面、鄰近區(qū)域的電阻熱加熱材料致使其熔化成接頭的焊接方法。

在電阻焊應(yīng)用過程中，接觸電阻、被焊材料與電極間電阻、電極材料及端面形狀、電極壓力、焊件表面狀況、溫度分布等均會(huì)影響電阻焊加工效果。因此，在應(yīng)用電阻焊技術(shù)時(shí)，需要嚴(yán)格控制電阻，并根據(jù)需求合理設(shè)定預(yù)壓、通電、維持、休止環(huán)節(jié)的參數(shù)，確保焊接壓力處于穩(wěn)定水平[2]。

3.1.2 微機(jī)械工藝

（1）復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)。工業(yè)產(chǎn)品的微型化是現(xiàn)代機(jī)械制造工藝應(yīng)用的主要方向之一，復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)是工業(yè)產(chǎn)品微型化實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)支撐，包括微細(xì)銑削加工、微細(xì)電火花加工技術(shù)兩種。

相較于常規(guī)機(jī)械制造工藝來說，微細(xì)銑削加工零件尺寸處于較小水平，所用切削力也處于較小的水平。微細(xì)銑削加工主軸最大轉(zhuǎn)速為150 000 rpm，軸承形式為空氣渦輪，微徑銑刀為平頭。根據(jù)工件材料加工直徑要求差別，可以選擇不同的微細(xì)銑削加工工具。如對(duì)于加工直徑φ2.5 μm的孔，可以選擇微鉆頭；而對(duì)于加工直徑φ25 μm的軸，則可以選擇鉆石刀具。

微細(xì)電火花加工技術(shù)是一種應(yīng)用于復(fù)雜形狀、硬質(zhì)合金加工的技術(shù)，可以滿足微細(xì)軸、微三維結(jié)構(gòu)加工需求。具體操作時(shí)，需要準(zhǔn)備絕緣的工作液，經(jīng)工具電極、工件間脈沖火花放電獲得的瞬時(shí)局部高溫，完成金屬的汽蝕、熔化處理。在技術(shù)應(yīng)用過程中，工具電極、工件之間無接觸，兩者作用力處于較低的水平。此時(shí)，僅需精細(xì)控制某個(gè)脈沖放電能量，配合精密微量進(jìn)給，就可以達(dá)到微細(xì)軸、微細(xì)窄縫、微細(xì)空間曲面、微細(xì)平面的加工要求。

（2）X 光蝕刻精密電鑄模造成型技術(shù)。X 光蝕刻精密電鑄模造成型技術(shù)是一種借助X光射線進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)加工的技術(shù)，包括X光深度同步輻射光蝕刻、電鑄成型、注塑成型幾個(gè)環(huán)節(jié)，可以滿足薄膜亞微米光刻深度加工要求[3]。在X 光蝕刻精密電鑄模造成型技術(shù)應(yīng)用時(shí)，首先，需要利用濺射方式，在硅襯底位置覆蓋一層鎢化欽薄膜，隔離光刻過程對(duì)材料的干擾。進(jìn)而對(duì)鎢化欽薄膜進(jìn)行清洗處理，處理后再次鍍金，獲得預(yù)鍍層。其次，借助旋涂手段，多次操作，獲得正性抗蝕層。進(jìn)而將掩模與抗蝕層疊合，在高壓汞燈下曝光處理，獲得不平整的輪廓。同時(shí)準(zhǔn)備堿性顯影液，開展顯影水洗操作，顯影水洗后進(jìn)行小盒烘干，達(dá)到微結(jié)構(gòu)深度與寬度之比大于7的要求。最后，利用電鍍手法，對(duì)光刻后微結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，獲得三維金屬微結(jié)構(gòu)。進(jìn)而借助反應(yīng)性離子蝕刻法（或濕式蝕刻法），去除預(yù)鍍層金、鎢化欽。

3.2 精密加工技術(shù)的應(yīng)用

3.2.1 精密切削

精密切削技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要發(fā)展的現(xiàn)代化技術(shù)，初期用于計(jì)算機(jī)磁盤、大功率激光核聚變裝置用大直徑非圓曲面鏡、宇航用陀螺、紅外光用立體鏡等復(fù)雜形狀件加工，隨后逐漸在高科技尖端產(chǎn)品開發(fā)中廣泛應(yīng)用[4]。從加工工具來看，精密切削加工包括精密或超精密車削、精密或超精密銑削、精密或超精密鏜測(cè)、微孔加工幾種類型。除微孔加工工具為硬質(zhì)合金鉆頭、高速鋼鉆頭外，其他高速切削加工技術(shù)切削工具均為立方氮化硼刀具、天然單晶金剛石刀具、硬質(zhì)合金刀具、人造聚晶金剛石刀具等。

以單點(diǎn)金剛石車床非球面模仁超精密加工技術(shù)為例，在技術(shù)應(yīng)用過程中，具有良好振擺回轉(zhuǎn)精度的空氣軸承主軸可以為工件（或刀具）運(yùn)動(dòng)提供支持。在軸承中支承回轉(zhuǎn)軸壓力膜的均化作用下，空氣軸承主軸精度可以超出軸承零件原本精度。同時(shí)在工件（或刀具）運(yùn)動(dòng)過程中，需要由V-V 型滑動(dòng)直線導(dǎo)軌（或液體靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌）引導(dǎo)，確保加工直線度。

需要注意的是，由于精密切削加工的加工精度、表面粗糙度要求較高，空氣中濕度、溫度、塵埃粒子均會(huì)干擾加工效果。因此，精密切削技術(shù)需要在溫度恒定、濕度恒定、空氣潔凈且防振動(dòng)的環(huán)境下應(yīng)用。即在調(diào)整精密切削技術(shù)應(yīng)用環(huán)境溫度、濕度的同時(shí)，采取各種防振動(dòng)措施，并對(duì)0.1 μm的塵埃進(jìn)行凈化過濾[5]。

3.2.2 精密研磨技術(shù)

精密研磨技術(shù)是當(dāng)前黑色金屬、半導(dǎo)體等脆硬材料精密加工主要用技術(shù)，主要通過均勻進(jìn)給金剛石修整砂輪，控制修整工具進(jìn)給速度在10～15 mm/min。

之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的精密修整。常用的精密研磨技術(shù)主要是基于非線性電解的超精密鏡面研磨修整技術(shù)，可以促使金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表面氧化層連續(xù)修整作用、鈍化膜抑制電解作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，確保砂輪磨粒出刃高度恒定，容屑空間優(yōu)良。

在基于非線性電解的超精密鏡面研磨修整技術(shù)應(yīng)用過程中，金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的轉(zhuǎn)軸、電刷為陽極，銅電極為陰極，分別與電源正極、電源負(fù)極相連接，正極與負(fù)極之間的距離可以調(diào)節(jié)[6]。在正極、負(fù)極之間距離調(diào)整完畢后，可以經(jīng)噴嘴噴出電解研磨液。在電解研磨液充滿正極、負(fù)極之間時(shí)，通入高電壓、高脈沖頻率電源，借助研磨液電解作用溶解砂輪表面金屬基體，并促使砂輪表面產(chǎn)生絕緣鈍化膜，阻礙金屬基體過度電解。整個(gè)加工過程中，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪不間斷切入，研磨切入量與實(shí)際工件尺寸減少量為同一數(shù)值。且金屬基體電解、鈍化膜產(chǎn)生可以形成動(dòng)態(tài)平衡，砂輪表面結(jié)合金屬基體持續(xù)被電解，新的磨料基體不斷出露，為磨粒恒定突出提供支持。

3.2.3 模具成型技術(shù)

精密模具成型技術(shù)是一種間接成型技術(shù)，需要先制作母模，再根據(jù)母模制造生產(chǎn)模具的技術(shù)，包括陶瓷型鑄造、金屬粉末激光燒結(jié)成型制模、熔模鑄造、砂型鑄造幾種。

陶瓷型鑄造是一種先利用傳統(tǒng)模具成型方法制造母模并完成表面處理，再進(jìn)行涂抹陶瓷漿液、固化模殼、高溫?zé)Y(jié)、預(yù)熱模殼、燒鑄、拋光修整操作的技術(shù)。在陶瓷型鑄造技術(shù)應(yīng)用過程中，需要嚴(yán)格控制收縮率與預(yù)熱溫度，規(guī)避模具外殼開裂、變形等問題出現(xiàn)。

金屬粉末激光燒結(jié)成型制模技術(shù)是先在模具表面覆蓋金屬粉末燒結(jié)，獲得低強(qiáng)度母模后對(duì)母模進(jìn)行處理的模具。整個(gè)技術(shù)包括三維CAD模型構(gòu)建、覆膜金屬粉末、激光燒結(jié)成型、加熱脫脂、高溫?zé)Y(jié)、滲入低熔點(diǎn)金屬、后處理、成品幾個(gè)環(huán)節(jié)。在覆膜金屬粉末與激光燒結(jié)成型環(huán)節(jié)，金屬顆粒可以熔化成具有黏結(jié)作用的液體，將金屬粉末穩(wěn)固黏結(jié)。因初步黏結(jié)的母模強(qiáng)度較低，后續(xù)需要將其表面浮粉去除后，在氫氣保護(hù)氣的作用下脫脂，脫脂溫度在450 ℃～600 ℃左右，可以去除全部黏結(jié)劑。在脫脂后，立即提高溫度燒結(jié)孔隙，并滲入銅等低熔點(diǎn)金屬，獲得高強(qiáng)度模具[7]。

熔模鑄造是一種先將耐火材料均勻涂抹在蠟?zāi)１砻?，再進(jìn)行高溫溶解干燥蠟?zāi)?、焙燒型殼、澆注操作的技術(shù)。在熔模鑄造技術(shù)應(yīng)用過程中，可以直接利用原型制作消失?；蚬柘鹉z模、金屬樹脂復(fù)合模，再制作樹脂消失模并精細(xì)鑄造的技術(shù)。

砂型鑄造是一種SIS 成型技術(shù)（選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù)）支撐的技術(shù)，可以直接澆注成型砂基。在選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù)應(yīng)用前，需要構(gòu)建CAD 模型，并利用分層軟件將其切割成若干層。獲得各加工層信息后，經(jīng)計(jì)算機(jī)調(diào)整激光束，促使粉末持續(xù)燒結(jié)固化，最終獲得三維實(shí)體。需要注意的是，在燒結(jié)成型掃描前，應(yīng)調(diào)低成型缸厚度，調(diào)高粉缸高度，由鋪粉輥?zhàn)髠?cè)向成型缸移動(dòng)。同時(shí)經(jīng)激光掃描首層橫截面、輪廓，促使激光掃描粉末在高溫下熔化黏結(jié)。隨后鋪粉進(jìn)行次層激光掃描。全部燒結(jié)完成后，用氣槍清除零件表面殘余白色粉末，進(jìn)行熱激光固化、滲蠟等處理，獲得高精度零件。

3.2.4 納米技術(shù)

納米精密加工技術(shù)無法脫離精密測(cè)量技術(shù)。當(dāng)前精密測(cè)量技術(shù)主要包括在線、離線、在位三種方式，精密測(cè)量精度需超出加工精度一個(gè)數(shù)量級(jí)。常用的精密加工測(cè)量法為非接觸干涉法、高靈敏度電動(dòng)測(cè)微技術(shù)等，分別借助激光干涉儀、重復(fù)反射干涉儀、隧道掃描顯微鏡、光波干涉顯微鏡操作[8-9]。其中隧道掃描顯微鏡是以待加工件表面、原子線度的極細(xì)探針為電極，將兩個(gè)電極距離縮短到1 nm 以內(nèi)，通過外加電場(chǎng)，可以促使電子在兩電極之間流動(dòng)。進(jìn)而根據(jù)掃描隧道顯微鏡下可移動(dòng)原則，可以獲得加工件表面微小變化信息，根據(jù)信息可以勾勒待加工件三維表面形貌圖，促使精密加工等級(jí)達(dá)到原子級(jí)。

除了隧道掃描顯微鏡等納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)外，基于化學(xué)合成的納米加工技術(shù)、聚焦離子束技術(shù)也較為常見。即根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程自基層向頂層組裝微觀體系物質(zhì)單元，獲得納米器件；聚焦離子束技術(shù)則是借助電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、加速系統(tǒng)，將離子束聚焦到亞微米、納米量級(jí)，滿足納米結(jié)構(gòu)的無掩模加工、微細(xì)圖形檢測(cè)需求。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)不僅僅大面積應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，而且在電子、冶金領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，總體呈現(xiàn)出全過程關(guān)聯(lián)、技術(shù)種類多樣、應(yīng)用范疇廣闊的特點(diǎn)。因此，從業(yè)人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)代市場(chǎng)多變要求，合理利用氣體保護(hù)焊接、埋弧焊、電阻焊等現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密切削、精密研磨、納米技術(shù)等精密加工技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為我國機(jī)械制造技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平提供支持。