机械制造工艺与精密加工技术分析

陆洲

(常州铁道高等职业技术学校 江苏常州 213011)

在市场经济飞速发展进程中，现代社会对产品制造工艺提出了更加严格的要求，产品制造方不仅需要确保产品质量达标，而且需要赋予产品外在美观性。机械制造工艺与精密加工技术是现代产品制造需求催生的产物，在多年的发展应用过程中取得了喜人的成果，也获得了电子制造行业、冶金行业的青睐。因此，分析现代机械制造工艺与精密加工技术具有非常突出的现实意义。

1 机械制造工艺与精密加工技术概述

1.1 机械制造工艺

机械制造工艺是由现代焊接工艺、微机械工艺组成的工艺体系。其中，现代焊接工艺是一种以加压方式接合金属，或以加热方式接合热塑性塑料的工艺，包括电阻焊、气体保护焊、搅拌摩擦焊、螺柱焊等几种类型；微机械工艺是借助传感器装置收集温度、压力、速度指标，根据指标进行机械制造的工艺。微机械工艺包括复合微细加工技术、微机械蚀刻技术、硅表面微机械制造技术、X 光蚀刻精密电铸模造成形技术几种技术等。

1.2 精密加工技术

精密加工技术特指加工粗糙度在Ra0.1 μm 以下的加工工艺，包括精密切削技术、超精密研磨技术、模具成型技术、纳米技术等。其中精密切削技术在基于传统精密加工技术的创新，可以减少工具、机床等客观因素约束，优选小变形、高强度车床，并在生产制造阶段吸收多余振动能量实现微驱动。

超精密研磨技术是利用超硬磨料砂轮、细粒度微粉对黑色硬脆材料进行加工获得高加工精度、低表面粗糙度值产品的技术。

模具成型技术是基于电解加工制造高精准度模具的技术，主要是在零件基本成型后借助计算机信息技术进行少许加工的近净成形，可满足精锻零件加工需求。

纳米技术是纳米级0～100 nm 的材料加工控制技术，涵盖了微型机电系统、纳米级微传感器控制技术、纳米级精度制造技术等。

2 机械制造工艺与精密加工技术的特点

2.1 全过程关联

现代机械制造工艺与精密加工技术的应用贯穿了整个制造过程，包括机械产品研发、设计、加工、制造、销售等多个环节。整个制造过程的每一个环节之间具有内在关联性，相应技术之间也具有较大联系，任意一环节出现故障均会影响下一个环节甚至整个技术流程[1]。

2.2 应用范畴广阔

在世界经济全球化发展的背景下，机械制造加工行业面临的竞争压力进一步增加，也驱动着机械制造工艺与精密加工技术应用范畴的进一步扩展。现代机械制造工艺与精密加工技术不单单在本国机械行业应用，而且可以在其他国家和地区、其他行业应用。

2.3 技术种类多样

现代机械制造工艺与精密加工技术具有种类多样的特点，不仅涉及了气体保护焊接、埋弧焊、电阻焊等现代机械制造工艺，而且涉及了精密切削、精密研磨、纳米技术等精密加工技术。在学科交叉发展过程中，现代机械制造工艺与精密加工类型有望进一步增加。

3 机械制造工艺与精密加工技术的应用

3.1 机械制造工艺的应用

3.1.1 现代焊接工艺

（1）气体保护焊接。气体保护焊接是借助焊枪喷嘴喷出保护气体，促使焊接部位、熔池与大气隔离的全部焊接手段，是熔化极焊接技术体系的一种。在气体保护焊接全程，可以观察电弧、熔池加热熔化现象，确保焊接过程熔渣及时处理。

从应用类别来看，气体保护焊接主要包括熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊两种。在熔化极气体保护焊中，主要用氩气-氦气惰性气体或二氧化碳活性气体；在钨极气体保护焊中，多用氩气与氦气惰性气体或氩气-氢气混合气体，钨极为粉末冶金法铸造的圆柱形棒，焊丝为冷拉制造，并且与被焊接母材相同、近似的材料。

（2）埋弧焊。埋弧焊是将电弧作为热源的焊接技术。在埋弧焊技术应用过程中，需要将可熔化焊接附着在电弧上，避免燃烧电弧外露。而在电弧燃烧热向焊丝端部、电弧周边母材传递过程中，母材可熔化形成熔池，焊剂则以熔渣的形式呈现。在熔渣、焊剂整体的保护下，熔池与外界空气隔离。埋弧焊本质上是一种将强烈焊接弧光埋藏的一种焊接方法，可控工艺参数较多，焊接电流、焊丝直径、焊接速度、电弧电压、焊丝倾角、伸出长度、装配间隙、坡口大小、焊剂粒度、焊剂层厚度等均对焊接效果具有较大影响，需要操作者综合考虑各项焊接参数，进行合理调控。如在热影响区过小产生熔合不足、夹渣缺陷时，应增加焊接电流与电弧电压。

埋弧焊回路涉及了焊接电源、连接电缆、导电嘴、焊丝、电弧、熔池、工件等几个部分，在电弧热作用下，焊丝端部会持续熔化，为后续焊丝送进提供空间，确保焊接过程焊丝送进速度、焊丝熔化速度维持动态平衡。其中焊丝送进主要借助电动机驱动的送丝滚轮，焊接速度在50～80 cm/min之间。

（3）电阻焊。电阻焊主要是借助电极压力，经电阻热加热熔化金属，进而断开电路促使金属在压力下结晶的方法。在机械制造过程中，电阻焊可用于多类别钢板制件加工，焊接方式为点焊。除点焊外，电阻焊还包括缝焊、凸焊、对焊等。其中对焊又包括电阻对焊、闪光对焊两种。从本质上来说，电阻焊是在两个电极之间压入被焊材料，借助流经被焊材料接触面、邻近区域的电阻热加热材料致使其熔化成接头的焊接方法。

在电阻焊应用过程中，接触电阻、被焊材料与电极间电阻、电极材料及端面形状、电极压力、焊件表面状况、温度分布等均会影响电阻焊加工效果。因此，在应用电阻焊技术时，需要严格控制电阻，并根据需求合理设定预压、通电、维持、休止环节的参数，确保焊接压力处于稳定水平[2]。

3.1.2 微机械工艺

（1）复合微细加工技术。工业产品的微型化是现代机械制造工艺应用的主要方向之一，复合微细加工技术是工业产品微型化实现的重要技术支撑，包括微细铣削加工、微细电火花加工技术两种。

相较于常规机械制造工艺来说，微细铣削加工零件尺寸处于较小水平，所用切削力也处于较小的水平。微细铣削加工主轴最大转速为150 000 rpm，轴承形式为空气涡轮，微径铣刀为平头。根据工件材料加工直径要求差别，可以选择不同的微细铣削加工工具。如对于加工直径φ2.5 μm的孔，可以选择微钻头；而对于加工直径φ25 μm的轴，则可以选择钻石刀具。

微细电火花加工技术是一种应用于复杂形状、硬质合金加工的技术，可以满足微细轴、微三维结构加工需求。具体操作时，需要准备绝缘的工作液，经工具电极、工件间脉冲火花放电获得的瞬时局部高温，完成金属的汽蚀、熔化处理。在技术应用过程中，工具电极、工件之间无接触，两者作用力处于较低的水平。此时，仅需精细控制某个脉冲放电能量，配合精密微量进给，就可以达到微细轴、微细窄缝、微细空间曲面、微细平面的加工要求。

（2）X 光蚀刻精密电铸模造成型技术。X 光蚀刻精密电铸模造成型技术是一种借助X光射线进行三维微结构加工的技术，包括X光深度同步辐射光蚀刻、电铸成型、注塑成型几个环节，可以满足薄膜亚微米光刻深度加工要求[3]。在X 光蚀刻精密电铸模造成型技术应用时，首先，需要利用溅射方式，在硅衬底位置覆盖一层钨化钦薄膜，隔离光刻过程对材料的干扰。进而对钨化钦薄膜进行清洗处理，处理后再次镀金，获得预镀层。其次，借助旋涂手段，多次操作，获得正性抗蚀层。进而将掩模与抗蚀层叠合，在高压汞灯下曝光处理，获得不平整的轮廓。同时准备碱性显影液，开展显影水洗操作，显影水洗后进行小盒烘干，达到微结构深度与宽度之比大于7的要求。最后，利用电镀手法，对光刻后微结构进行处理，获得三维金属微结构。进而借助反应性离子蚀刻法（或湿式蚀刻法），去除预镀层金、钨化钦。

3.2 精密加工技术的应用

3.2.1 精密切削

精密切削技术是适应现代高科技需要发展的现代化技术，初期用于计算机磁盘、大功率激光核聚变装置用大直径非圆曲面镜、宇航用陀螺、红外光用立体镜等复杂形状件加工，随后逐渐在高科技尖端产品开发中广泛应用[4]。从加工工具来看，精密切削加工包括精密或超精密车削、精密或超精密铣削、精密或超精密镗测、微孔加工几种类型。除微孔加工工具为硬质合金钻头、高速钢钻头外，其他高速切削加工技术切削工具均为立方氮化硼刀具、天然单晶金刚石刀具、硬质合金刀具、人造聚晶金刚石刀具等。

以单点金刚石车床非球面模仁超精密加工技术为例，在技术应用过程中，具有良好振摆回转精度的空气轴承主轴可以为工件（或刀具）运动提供支持。在轴承中支承回转轴压力膜的均化作用下，空气轴承主轴精度可以超出轴承零件原本精度。同时在工件（或刀具）运动过程中，需要由V-V 型滑动直线导轨（或液体静压导轨、滚动导轨）引导，确保加工直线度。

需要注意的是，由于精密切削加工的加工精度、表面粗糙度要求较高，空气中湿度、温度、尘埃粒子均会干扰加工效果。因此，精密切削技术需要在温度恒定、湿度恒定、空气洁净且防振动的环境下应用。即在调整精密切削技术应用环境温度、湿度的同时，采取各种防振动措施，并对0.1 μm的尘埃进行净化过滤[5]。

3.2.2 精密研磨技术

精密研磨技术是当前黑色金属、半导体等脆硬材料精密加工主要用技术，主要通过均匀进给金刚石修整砂轮，控制修整工具进给速度在10～15 mm/min。

之间，实现对砂轮的精密修整。常用的精密研磨技术主要是基于非线性电解的超精密镜面研磨修整技术，可以促使金属结合剂超硬磨料砂轮表面氧化层连续修整作用、钝化膜抑制电解作用达到动态平衡，确保砂轮磨粒出刃高度恒定，容屑空间优良。

在基于非线性电解的超精密镜面研磨修整技术应用过程中，金属结合剂超硬磨料砂轮的转轴、电刷为阳极，铜电极为阴极，分别与电源正极、电源负极相连接，正极与负极之间的距离可以调节[6]。在正极、负极之间距离调整完毕后，可以经喷嘴喷出电解研磨液。在电解研磨液充满正极、负极之间时，通入高电压、高脉冲频率电源，借助研磨液电解作用溶解砂轮表面金属基体，并促使砂轮表面产生绝缘钝化膜，阻碍金属基体过度电解。整个加工过程中，工件连续转动，砂轮不间断切入，研磨切入量与实际工件尺寸减少量为同一数值。且金属基体电解、钝化膜产生可以形成动态平衡，砂轮表面结合金属基体持续被电解，新的磨料基体不断出露，为磨粒恒定突出提供支持。

3.2.3 模具成型技术

精密模具成型技术是一种间接成型技术，需要先制作母模，再根据母模制造生产模具的技术，包括陶瓷型铸造、金属粉末激光烧结成型制模、熔模铸造、砂型铸造几种。

陶瓷型铸造是一种先利用传统模具成型方法制造母模并完成表面处理，再进行涂抹陶瓷浆液、固化模壳、高温烧结、预热模壳、烧铸、抛光修整操作的技术。在陶瓷型铸造技术应用过程中，需要严格控制收缩率与预热温度，规避模具外壳开裂、变形等问题出现。

金属粉末激光烧结成型制模技术是先在模具表面覆盖金属粉末烧结，获得低强度母模后对母模进行处理的模具。整个技术包括三维CAD模型构建、覆膜金属粉末、激光烧结成型、加热脱脂、高温烧结、渗入低熔点金属、后处理、成品几个环节。在覆膜金属粉末与激光烧结成型环节，金属颗粒可以熔化成具有黏结作用的液体，将金属粉末稳固黏结。因初步黏结的母模强度较低，后续需要将其表面浮粉去除后，在氢气保护气的作用下脱脂，脱脂温度在450 ℃～600 ℃左右，可以去除全部黏结剂。在脱脂后，立即提高温度烧结孔隙，并渗入铜等低熔点金属，获得高强度模具[7]。

熔模铸造是一种先将耐火材料均匀涂抹在蜡模表面，再进行高温溶解干燥蜡模壳、焙烧型壳、浇注操作的技术。在熔模铸造技术应用过程中，可以直接利用原型制作消失模或硅橡胶模、金属树脂复合模，再制作树脂消失模并精细铸造的技术。

砂型铸造是一种SIS 成型技术（选择性激光烧结快速成型技术）支撑的技术，可以直接浇注成型砂基。在选择性激光烧结快速成型技术应用前，需要构建CAD 模型，并利用分层软件将其切割成若干层。获得各加工层信息后，经计算机调整激光束，促使粉末持续烧结固化，最终获得三维实体。需要注意的是，在烧结成型扫描前，应调低成型缸厚度，调高粉缸高度，由铺粉辊左侧向成型缸移动。同时经激光扫描首层横截面、轮廓，促使激光扫描粉末在高温下熔化黏结。随后铺粉进行次层激光扫描。全部烧结完成后，用气枪清除零件表面残余白色粉末，进行热激光固化、渗蜡等处理，获得高精度零件。

3.2.4 纳米技术

纳米精密加工技术无法脱离精密测量技术。当前精密测量技术主要包括在线、离线、在位三种方式，精密测量精度需超出加工精度一个数量级。常用的精密加工测量法为非接触干涉法、高灵敏度电动测微技术等，分别借助激光干涉仪、重复反射干涉仪、隧道扫描显微镜、光波干涉显微镜操作[8-9]。其中隧道扫描显微镜是以待加工件表面、原子线度的极细探针为电极，将两个电极距离缩短到1 nm 以内，通过外加电场，可以促使电子在两电极之间流动。进而根据扫描隧道显微镜下可移动原则，可以获得加工件表面微小变化信息，根据信息可以勾勒待加工件三维表面形貌图，促使精密加工等级达到原子级。

除了隧道扫描显微镜等纳米级精密测量技术外，基于化学合成的纳米加工技术、聚焦离子束技术也较为常见。即根据化学反应过程自基层向顶层组装微观体系物质单元，获得纳米器件；聚焦离子束技术则是借助电场、磁场作用下的偏转系统、加速系统，将离子束聚焦到亚微米、纳米量级，满足纳米结构的无掩模加工、微细图形检测需求。

4 结语

综上所述，现代机械制造工艺与精密加工技术不仅仅大面积应用于机械制造领域，而且在电子、冶金领域具有广泛的应用，总体呈现出全过程关联、技术种类多样、应用范畴广阔的特点。因此，从业人员应根据现代市场多变要求，合理利用气体保护焊接、埋弧焊、电阻焊等现代机械制造工艺与精密切削、精密研磨、纳米技术等精密加工技术，充分发挥现代机械制造工艺与精密加工技术优势，为我国机械制造技术水平达到世界先进水平提供支持。