机械设计制造工艺及精密加工技术

李书明

（莱芜钢铁集团泰东实业有限公司，济南 271104）

智能技术与机械设计制造工艺的融合，给我国有关领域的发展带来了契机[1]。机械设计技术大体包括技术选择、结构设计和方法设计等流程。随着仿真技术和系统工程的逐步发展，机械设计流程更加合理，机械设计效率更高[2]。精密加工技术被普遍应用于研磨及模具成形工作，在工件的精密加工环节被广泛应用，直接影响着加工工件的精度。精密加工技术应用到机械制造中，能够提高机械制造的精准性，对相关设备的制造质量提升起着关键作用[3]。

1 机械设计制造工艺及精密加工技术的特点

机械设计制造工艺及精密加工技术具备关联性、竞争性和国际性3大特点。关联性是指机械制造工艺与精密加工技术在应用过程中的紧密联系，贯通机械生产制造的各个环节。任何环节出问题都会对机械制造的整体效果产生影响，因此需实现两者的有机结合，促进相关技术的不断进步[4]。在经济快速发展的背景下，竞争性对机械制造的数量及种类提出了更高标准。

2 机械设计制造工艺及精密加工技术的应用实践

目前，机械设计制造工艺呈现出智能化、系统化和模块化的特点。智能化依托有关设计理论，利用三维图形软件、虚拟现实技术以及智能设计类软件，通过多媒体等方式开展产品的设计开发工作，进而传达产品构思和展开产品结构描述。系统化这一理念将设计整体拆分成多个设计要素，设计要素间各自独立又彼此联结，具备完善的层次性特征。在各主要设计要素拼装组合后，能有效完成设计系统的预定任务[5]。模块化特征的思想是将某种设计功能的实现视作单一模块，并依照既定结构组合模块，以实现产品设计方案[6]。在这一基础上，依托领域相关知识及经验进行计算机语言转换，建立相应数据库，并依照具体的需求情况进行设计比对，以实现对设计工作的经验指导。

作为机械制造的核心，精密加工技术的水平直接影响机械制造行业的整体发展，因此被广泛应用于各细节加工环节，是企业进行生产加工的关键技术之一。当下机械制造领域的精密加工技术共有3大主要分类。

2.1 精密与超精密加工技术

超精密研磨加工技术主要应用于精密器件的加工，尤其是广泛应用于集成电路超精密基板硅片等精密器件的加工。这是因为传统集成电路抛光及研磨技术均不符合基板硅片的处理要求，集成电路需原子级的抛光研磨技术辅助处理。当今时代，集成电路技术飞速发展，使得集成电路超精密弹性发射研磨技术及其他相关技术获得了大幅改进，助推了超精密研磨工作的有效开展，为提升基板硅片的加工精度提供了更多的技术支持。

例如，应用精密切削技术加工材料的过程中，工作人员需从3个阶段展开工作。首先，应提前检查机体精密度，保证机体刚度不因温度变化而发生改变。其次，确保机床加工过程中抗震效果持续提升。最后，应尽可能提高机床主轴的运行效率，有效控制精密定位，以选择最适当的操作技术手段。精密加工过程中主要以硬质合金、CBN、涂层硬质合金以及人造聚晶金刚石作为刀具材料，其中粉末冶金制成的硬质合金刀具粉末直径约在几微米，限制了刃口半径的最小尺寸。CBN刀具主要应用于黑色金属加工，但距离超精密切削水平尚有一定距离。人造聚晶金刚石的锋锐程度有限，仅能用于非金属和有色金属的精加工。在超精密切削加工中，天然及人造单晶金刚石是刀具的主要材料。这一材料能磨出极为锋利的刀刃，刃口半径可达到纳米级，能实现超光滑的镜面切割。这一材料制成的刀具对铜、铝等有色金属实施切割工作，能得到0.1 μm数量级及表面粗糙度达到0.01 μm数量级的超高精度加工面，如图1所示。

图1 金刚石车刀结构及刀具角度

2.2 微细加工技术

随着相关行业的迅速发展，经济建设工作的开展对机械制造领域提出了更高标准，对机械体系中元器件精细化程度的有关要求越来越高，使得元器件体积和精密程度要求不断提升，因此元器件的精密化发展成为主流趋势。微细加工技术充分降低了能源消耗，保障了元器件的运行速率。因为机械微细加工受限于尺寸、刀具和制度，所以它对更微小尺寸的加工工作无能为力。这时特种微细加工工具的作用得到凸显。特种微细加工工具有射束小、能量密度高的特点，能够实现分子级和原子级的加工切除工作。

例如，电火花微细加工技术十分适应微米级结构尺寸的加工工作。这一技术一般以棒状电极电火花或线状电极电火花加工各微小复杂结构及微细轴类零件。电火花微细加工技术的材料加工尺寸一般在10 μm之内，也可加工聚晶金刚石和CBN等超硬材料。电火花微细加工技术要应用于微细加工需满足3个条件：一是要建立能让电极以稳定微步距进给的高精度伺服系统；二是需具备能够产生超微电流且稳定性极高的脉冲电源；三是需具备高微精度电极的生产制造工艺。当代电火花微细加工领域以CNC电火花微细加工技术为主要发展趋势。有关科研团队应积极开展加工过程最优化技术及适应控制的有关研究，并进一步着手开发行星式电火花微细加工技术。电火花微细加工机床，如图2所示。

图2 电火花微细加工机床

2.3 纳米加工技术

纳米加工技术涉及的粒子尺寸应至少有一维在1～100 nm， 同时加工材料要具备纳米功能。纳米技术能够集中展现纳米工程诸学科具备的优势及特征。在电子信息技术与纳米工程学高度融合发展的背景下，纳米加工技术得到了飞速发展。纳米加工技术的显著特点是稀溶液可以在常温常压下完成软化学加工过程。稀溶液、常温和常压的加工环境是纳米加工技术的突出优点，一方面节约了能源，另一方面有助于环境保护。因此，纳米技术是精密加工领域未来重要的发展方向之一。

3 结语

机械设计制造工艺及精密加工技术对我国工业的平稳有序发展具有重要影响。随着人们对加工产品的性能要求越来越复杂，有关企业应积极引入新技术和新设备，在具体加工过程中实现机械设计制造工艺及精密加工技术的有效创新，为我国机械加工行业的发展注入动力。