機械制造工藝與精密加工技術分析

陸洲

(常州鐵道高等職業技術學校 江蘇常州 213011)

在市場經濟飛速發展進程中，現代社會對產品制造工藝提出了更加嚴格的要求，產品制造方不僅需要確保產品質量達標，而且需要賦予產品外在美觀性。機械制造工藝與精密加工技術是現代產品制造需求催生的產物，在多年的發展應用過程中取得了喜人的成果，也獲得了電子制造行業、冶金行業的青睞。因此，分析現代機械制造工藝與精密加工技術具有非常突出的現實意義。

1 機械制造工藝與精密加工技術概述

1.1 機械制造工藝

機械制造工藝是由現代焊接工藝、微機械工藝組成的工藝體系。其中，現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、氣體保護焊、攪拌摩擦焊、螺柱焊等幾種類型；微機械工藝是借助傳感器裝置收集溫度、壓力、速度指標，根據指標進行機械制造的工藝。微機械工藝包括復合微細加工技術、微機械蝕刻技術、硅表面微機械制造技術、X 光蝕刻精密電鑄模造成形技術幾種技術等。

1.2 精密加工技術

精密加工技術特指加工粗糙度在Ra0.1 μm 以下的加工工藝，包括精密切削技術、超精密研磨技術、模具成型技術、納米技術等。其中精密切削技術在基于傳統精密加工技術的創新，可以減少工具、機床等客觀因素約束，優選小變形、高強度車床，并在生產制造階段吸收多余振動能量實現微驅動。

超精密研磨技術是利用超硬磨料砂輪、細粒度微粉對黑色硬脆材料進行加工獲得高加工精度、低表面粗糙度值產品的技術。

模具成型技術是基于電解加工制造高精準度模具的技術，主要是在零件基本成型后借助計算機信息技術進行少許加工的近凈成形，可滿足精鍛零件加工需求。

納米技術是納米級0～100 nm 的材料加工控制技術，涵蓋了微型機電系統、納米級微傳感器控制技術、納米級精度制造技術等。

2 機械制造工藝與精密加工技術的特點

2.1 全過程關聯

現代機械制造工藝與精密加工技術的應用貫穿了整個制造過程，包括機械產品研發、設計、加工、制造、銷售等多個環節。整個制造過程的每一個環節之間具有內在關聯性，相應技術之間也具有較大聯系，任意一環節出現故障均會影響下一個環節甚至整個技術流程[1]。

2.2 應用范疇廣闊

在世界經濟全球化發展的背景下，機械制造加工行業面臨的競爭壓力進一步增加，也驅動著機械制造工藝與精密加工技術應用范疇的進一步擴展?，F代機械制造工藝與精密加工技術不單單在本國機械行業應用，而且可以在其他國家和地區、其他行業應用。

2.3 技術種類多樣

現代機械制造工藝與精密加工技術具有種類多樣的特點，不僅涉及了氣體保護焊接、埋弧焊、電阻焊等現代機械制造工藝，而且涉及了精密切削、精密研磨、納米技術等精密加工技術。在學科交叉發展過程中，現代機械制造工藝與精密加工類型有望進一步增加。

3 機械制造工藝與精密加工技術的應用

3.1 機械制造工藝的應用

3.1.1 現代焊接工藝

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

從應用類別來看，氣體保護焊接主要包括熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊兩種。在熔化極氣體保護焊中，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。在埋弧焊技術應用過程中，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。在熔渣、焊劑整體的保護下，熔池與外界空氣隔離。埋弧焊本質上是一種將強烈焊接弧光埋藏的一種焊接方法，可控工藝參數較多，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、焊劑層厚度等均對焊接效果具有較大影響，需要操作者綜合考慮各項焊接參數，進行合理調控。如在熱影響區過小產生熔合不足、夾渣缺陷時，應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、導電嘴、焊絲、電弧、熔池、工件等幾個部分，在電弧熱作用下，焊絲端部會持續熔化，為后續焊絲送進提供空間，確保焊接過程焊絲送進速度、焊絲熔化速度維持動態平衡。其中焊絲送進主要借助電動機驅動的送絲滾輪，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，經電阻熱加熱熔化金屬，進而斷開電路促使金屬在壓力下結晶的方法。在機械制造過程中，電阻焊可用于多類別鋼板制件加工，焊接方式為點焊。除點焊外，電阻焊還包括縫焊、凸焊、對焊等。其中對焊又包括電阻對焊、閃光對焊兩種。從本質上來說，電阻焊是在兩個電極之間壓入被焊材料，借助流經被焊材料接觸面、鄰近區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、溫度分布等均會影響電阻焊加工效果。因此，在應用電阻焊技術時，需要嚴格控制電阻，并根據需求合理設定預壓、通電、維持、休止環節的參數，確保焊接壓力處于穩定水平[2]。

3.1.2 微機械工藝

（1）復合微細加工技術。工業產品的微型化是現代機械制造工藝應用的主要方向之一，復合微細加工技術是工業產品微型化實現的重要技術支撐，包括微細銑削加工、微細電火花加工技術兩種。

相較于常規機械制造工藝來說，微細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。微細銑削加工主軸最大轉速為150 000 rpm，軸承形式為空氣渦輪，微徑銑刀為平頭。根據工件材料加工直徑要求差別，可以選擇不同的微細銑削加工工具。如對于加工直徑φ2.5 μm的孔，可以選擇微鉆頭；而對于加工直徑φ25 μm的軸，則可以選擇鉆石刀具。

微細電火花加工技術是一種應用于復雜形狀、硬質合金加工的技術，可以滿足微細軸、微三維結構加工需求。具體操作時，需要準備絕緣的工作液，經工具電極、工件間脈沖火花放電獲得的瞬時局部高溫，完成金屬的汽蝕、熔化處理。在技術應用過程中，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，僅需精細控制某個脈沖放電能量，配合精密微量進給，就可以達到微細軸、微細窄縫、微細空間曲面、微細平面的加工要求。

（2）X 光蝕刻精密電鑄模造成型技術。X 光蝕刻精密電鑄模造成型技術是一種借助X光射線進行三維微結構加工的技術，包括X光深度同步輻射光蝕刻、電鑄成型、注塑成型幾個環節，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應用時，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，隔離光刻過程對材料的干擾。進而對鎢化欽薄膜進行清洗處理，處理后再次鍍金，獲得預鍍層。其次，借助旋涂手段，多次操作，獲得正性抗蝕層。進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。同時準備堿性顯影液，開展顯影水洗操作，顯影水洗后進行小盒烘干，達到微結構深度與寬度之比大于7的要求。最后，利用電鍍手法，對光刻后微結構進行處理，獲得三維金屬微結構。進而借助反應性離子蝕刻法（或濕式蝕刻法），去除預鍍層金、鎢化欽。

3.2 精密加工技術的應用

3.2.1 精密切削

精密切削技術是適應現代高科技需要發展的現代化技術，初期用于計算機磁盤、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雜形狀件加工，隨后逐漸在高科技尖端產品開發中廣泛應用[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、微孔加工幾種類型。除微孔加工工具為硬質合金鉆頭、高速鋼鉆頭外，其他高速切削加工技術切削工具均為立方氮化硼刀具、天然單晶金剛石刀具、硬質合金刀具、人造聚晶金剛石刀具等。

以單點金剛石車床非球面模仁超精密加工技術為例，在技術應用過程中，具有良好振擺回轉精度的空氣軸承主軸可以為工件（或刀具）運動提供支持。在軸承中支承回轉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。同時在工件（或刀具）運動過程中，需要由V-V 型滑動直線導軌（或液體靜壓導軌、滾動導軌）引導，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、塵埃粒子均會干擾加工效果。因此，精密切削技術需要在溫度恒定、濕度恒定、空氣潔凈且防振動的環境下應用。即在調整精密切削技術應用環境溫度、濕度的同時，采取各種防振動措施，并對0.1 μm的塵埃進行凈化過濾[5]。

3.2.2 精密研磨技術

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

之間，實現對砂輪的精密修整。常用的精密研磨技術主要是基于非線性電解的超精密鏡面研磨修整技術，可以促使金屬結合劑超硬磨料砂輪表面氧化層連續修整作用、鈍化膜抑制電解作用達到動態平衡，確保砂輪磨粒出刃高度恒定，容屑空間優良。

在基于非線性電解的超精密鏡面研磨修整技術應用過程中，金屬結合劑超硬磨料砂輪的轉軸、電刷為陽極，銅電極為陰極，分別與電源正極、電源負極相連接，正極與負極之間的距離可以調節[6]。在正極、負極之間距離調整完畢后，可以經噴嘴噴出電解研磨液。在電解研磨液充滿正極、負極之間時，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，并促使砂輪表面產生絕緣鈍化膜，阻礙金屬基體過度電解。整個加工過程中，工件連續轉動，砂輪不間斷切入，研磨切入量與實際工件尺寸減少量為同一數值。且金屬基體電解、鈍化膜產生可以形成動態平衡，砂輪表面結合金屬基體持續被電解，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

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

陶瓷型鑄造是一種先利用傳統模具成型方法制造母模并完成表面處理，再進行涂抹陶瓷漿液、固化模殼、高溫燒結、預熱模殼、燒鑄、拋光修整操作的技術。在陶瓷型鑄造技術應用過程中，需要嚴格控制收縮率與預熱溫度，規避模具外殼開裂、變形等問題出現。

金屬粉末激光燒結成型制模技術是先在模具表面覆蓋金屬粉末燒結，獲得低強度母模后對母模進行處理的模具。整個技術包括三維CAD模型構建、覆膜金屬粉末、激光燒結成型、加熱脫脂、高溫燒結、滲入低熔點金屬、后處理、成品幾個環節。在覆膜金屬粉末與激光燒結成型環節，金屬顆?？梢匀刍删哂叙そY作用的液體，將金屬粉末穩固黏結。因初步黏結的母模強度較低，后續需要將其表面浮粉去除后，在氫氣保護氣的作用下脫脂，脫脂溫度在450 ℃～600 ℃左右，可以去除全部黏結劑。在脫脂后，立即提高溫度燒結孔隙，并滲入銅等低熔點金屬，獲得高強度模具[7]。

熔模鑄造是一種先將耐火材料均勻涂抹在蠟模表面，再進行高溫溶解干燥蠟模殼、焙燒型殼、澆注操作的技術。在熔模鑄造技術應用過程中，可以直接利用原型制作消失?；蚬柘鹉z模、金屬樹脂復合模，再制作樹脂消失模并精細鑄造的技術。

砂型鑄造是一種SIS 成型技術（選擇性激光燒結快速成型技術）支撐的技術，可以直接澆注成型砂基。在選擇性激光燒結快速成型技術應用前，需要構建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，經計算機調整激光束，促使粉末持續燒結固化，最終獲得三維實體。需要注意的是，在燒結成型掃描前，應調低成型缸厚度，調高粉缸高度，由鋪粉輥左側向成型缸移動。同時經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。隨后鋪粉進行次層激光掃描。全部燒結完成后，用氣槍清除零件表面殘余白色粉末，進行熱激光固化、滲蠟等處理，獲得高精度零件。

3.2.4 納米技術

納米精密加工技術無法脫離精密測量技術。當前精密測量技術主要包括在線、離線、在位三種方式，精密測量精度需超出加工精度一個數量級。常用的精密加工測量法為非接觸干涉法、高靈敏度電動測微技術等，分別借助激光干涉儀、重復反射干涉儀、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、原子線度的極細探針為電極，將兩個電極距離縮短到1 nm 以內，通過外加電場，可以促使電子在兩電極之間流動。進而根據掃描隧道顯微鏡下可移動原則，可以獲得加工件表面微小變化信息，根據信息可以勾勒待加工件三維表面形貌圖，促使精密加工等級達到原子級。

除了隧道掃描顯微鏡等納米級精密測量技術外，基于化學合成的納米加工技術、聚焦離子束技術也較為常見。即根據化學反應過程自基層向頂層組裝微觀體系物質單元，獲得納米器件；聚焦離子束技術則是借助電場、磁場作用下的偏轉系統、加速系統，將離子束聚焦到亞微米、納米量級，滿足納米結構的無掩模加工、微細圖形檢測需求。

4 結語

綜上所述，現代機械制造工藝與精密加工技術不僅僅大面積應用于機械制造領域，而且在電子、冶金領域具有廣泛的應用，總體呈現出全過程關聯、技術種類多樣、應用范疇廣闊的特點。因此，從業人員應根據現代市場多變要求，合理利用氣體保護焊接、埋弧焊、電阻焊等現代機械制造工藝與精密切削、精密研磨、納米技術等精密加工技術，充分發揮現代機械制造工藝與精密加工技術優勢，為我國機械制造技術水平達到世界先進水平提供支持。