機床工具領域的尖端技術
迎來納米時代的磨削、研（yán）磨加工
隨著IT關聯產品、汽車（chē）、家（jiā）電等工業製品的不斷發展，高性能磨削、研磨（mó）加工的重要性日益增大。對於生產技術（shù）人員來說，高精度化（huà）、高效率化和自動化是永（yǒng）遠的（de）主題。磨削、研磨技（jì）術的研究開（kāi）發成果推動著工業產品（pǐn）的更新，正腳踏（tà）實地向前發展（zhǎn）。
（1）磨削、研磨（mó）技術的重要性日益增大
如今幾乎已普及到所（suǒ）有家庭（tíng）的個人電腦（PC）所配備的硬磁盤（HDD）過去是在超精密機床上用單晶金剛石（shí）刀具切削加（jiā）工。近年來，磁盤麵（miàn）記錄密度的年增長率達到100％，實現（xiàn）了（le）每1平方英寸達1G的記錄密度（dù）。這一技術是在經磨削加工後的鋁合（hé）金基盤上鍍上無電解NIP薄（báo）膜，再通過研磨加工使其表麵（miàn）平滑而得以實現的。而高性能加工技術的進步，也使得基盤材料從鋁合金更（gèng）換為剛性（xìng）比更高的矽酸鋁玻璃、晶化玻璃等，因此，磨削、研磨加工的重要性也更大了。
（2）高（gāo）精度化
直線電機剛開始開（kāi）發時，因（yīn）其能實現高速加工而備受矚目（mù）。但近年來（lái），使用直線電機的目的（de）已逐漸（jiàn）轉向高精度化。也就是說，在直線電機的（de）諸多優良特性中，很高的定位精度和圓弧插補精度尤（yóu）其令人刮目相看。其原因（yīn）是非接觸式的驅動係統沒（méi）有傳統伺服電（diàn）機旋轉減速用的齒輪副、滾珠絲杠、耦合件等各種（zhǒng）機械因素引起的誤差，以及直線（xiàn）電機（jī）必然采用閉路控製。
今後，高精度化加工技術的發展（zhǎn）將日益（yì）加速。在精密加工中，最重要的加工之一是高精（jīng）密（mì）平麵的加（jiā）工。尤其是在精密測量儀器、光學儀器（qì）、矽片（piàn）等（děng）超精（jīng）密加工領域（yù），要求加工出無限平滑的表麵。為此，機床製（zhì）造商開發出了超精（jīng）密平（píng）麵（miàn）磨床，在采（cǎi）用獨立的可變靜壓滑板技術實（shí）現高剛性加工（gōng）的同時，又實現了即使存在偏載荷，油膜厚度（dù）也不會發生變化（工作台不發生傾斜），磨削平麵度達（dá）到（dào）lμm/m2。此外，加（jiā）工表麵通（tōng）過拋光可以實現0.03μm/m2的平麵（miàn）度。為了實現高精度（dù）加工，就必（bì）須克服熱變形。具體來說，需要盡可能減少來自驅動電機和軸承、導向麵（miàn）等的加工發熱。此外，為了不使加工中（zhōng）的工件發（fā）生熱變形，還需要控製在加工點產生的熱量和來自工件表麵（miàn）的汽化熱。為（wéi）此，該超精密平麵磨床配置了既恒溫又恒（héng）濕的隔離罩，作（zuò）為完整的係統加以商品化。
（3）高效率化
加大砂輪進給（gěi）量、降（jiàng）低工件進（jìn）給速度的間歇進給磨削技術（shù）與使用電沉積磨輪的高圓周速度磨削技術相結合而形成的HEDG（High Efficient Deep-Cut Grinding）磨削技術在歐（ōu）洲已經實用化了（le），但在日本還幾乎無人采用。另一方麵，減小砂輪進給（gěi）量、提高工件進給速度的快走（zǒu）刀磨（mó）削（xuē）（高（gāo）速往複式磨削）在金屬模具（jù）加工等行業正逐（zhú）漸成為（wéi）成型磨削的主流。這種磨削加工方法（fǎ）通過曲（qǔ）柄、液壓伺（sì）服（fú）裝置或直線電機增加單位時間的（de）工（gōng）作台往返次數（對行程較短的工件也可（kě）以采用（yòng）砂（shā）輪連續（xù）進給），從而可（kě）以大幅度提高加工效率（lǜ），也適用於金（jīn）屬模具穿孔等短行程磨（mó）削。該方法的缺點是工作台反轉時的高加/減速運動（dòng）容易引（yǐn）起振動，需要設法加（jiā）以抑製。為此，可以采用減輕工作台重量、加重底（dǐ）盤、進行加/減速控製以及進行平衡等方法。快走（zǒu）刀磨床（chuáng）已被許多平麵磨床生產廠家看好，認為（wéi）可以進行（háng）商品化開發，今後將（jiāng）成為（wéi）金屬成型磨床（chuáng）的主流。
（4）小（xiǎo）型化和環保（節能）化
在以前的JIMTOF（日本國際機床展覽會）上，各（gè）廠家展出的小型機床很受矚目，主要原因在於：為了適應多品種、小批量生產，需要靈活改組生產線，因此迫切需要統一機床的寬（kuān）度。而且機床小型化可（kě）以帶來許多預期的利好，如（rú）縮短（duǎn）生產線長度、減少占用空間、容易變更（gèng）生產線、提高工廠內部的信息傳遞等。
某（mǒu）家公（gōng）司推出（chū）了“節省能源和（hé）空間”的概（gài）念機種。該磨床占地麵（miàn）積不到普通磨床（chuáng）的40％，尤（yóu）其是寬度尺寸縮小至1200mm以下。一般來說，占地麵積縮小不便（biàn）於（yú）維修保養（yǎng），但該（gāi）磨床將維（wéi）修保養部分集（jí）中到機器的前後，提高了維修（xiū）便利性。此外，該公司將磨削液供（gòng）給量削（xuē）減了50％（加工有的（de）工件甚至可削減99％），減小了對環境的影（yǐng）響。
為了實現磨床小型化，需要減小砂輪直徑。為了（le）不降低砂輪速度，需要采用超高速主軸技術。該磨床減小了砂輪交換頻度（dù），也減（jiǎn）薄了砂輪厚度，因此基（jī）本上用於輪廓加工。此外，為了節（jiē）省空間，軸驅動係統采（cǎi）用了（le）不需要齒輪箱的直線電機驅動，而且通（tōng）過程序更換（huàn）按鈕，一次操作即可自動（dòng）調整中心距。
（5）複合化
某廠家（jiā）采用立軸（zhóu）磨削技術和車床技術，開發出了融磨削與切削（xuē）於一體的小型複合磨床，通過一次裝夾工件，就可（kě）以高精度、高效率地完成從車（chē）削加工到圓（yuán）筒、內表麵（miàn）的（de）磨削精加工。由於立軸（zhóu）磨床比橫軸磨床（chuáng）寬度更窄，因此更容易編（biān）入生產線（xiàn）。人們期待該複合磨床能盡快投入商業化生產。其他各種複合機床（如激光加工與磨削加工的複合）也在開發之中（zhōng）。
隨著經（jīng）濟全（quán）球化的不斷發展，越來越多的機床開始出口到語（yǔ）言與（yǔ）文化（huà）完全不同（tóng）的國家和地區。作為耐用資產的機（jī）床，其維修保養和定期檢查不（bú）可或缺。因此，用視頻圖像來表示報警的位（wèi）置及內容的功能、利用互聯網對（duì）機床進行自動監測等也成（chéng）了重點技術之一。
微細加工的現狀與未來
在微電子和光電技術快速發展和產品小型化、複合化、集（jí）成化的背（bèi）景下，為了實現微細複雜形狀和微型構件的加（jiā）工，發（fā）端於超精密（mì）車床的（de）超精密加工機床正向自由度更（gèng）多的多軸控製超精密銑（xǐ）床和多軸控製超精密加工中心（xīn）發展。由於控製技術（shù）的進步，超精密加工機床及（jí）加工技術也獲得了很（hěn）大進展。
（1）何謂超精密切削加工
超精密切削加工是將正確製作的刀具形狀精（jīng）確複映到工件上的加工方（fāng）法，其特點是用刀具的（de）刀尖切削工件，製成所需形狀，即根據機床的“母性”原理在（zài）運動中（zhōng）實現複製。
製作微細形狀的過（guò）程被（bèi）稱為微細加工（或微細機械加工）。眾所周知，微細加工可以使（shǐ）用半（bàn）導體製（zhì）造（zào）技術，也可以使用微電子機械係統（MEMS）。但是，采用光學和粒子束加工技術並不擅長加工斜麵和曲麵形狀，對被加工材（cái）料也有一定限製。就此而言，金剛石切削雖然屬於傳統機械加工（gōng），卻能夠（gòu）應（yīng）用（yòng）於幾乎所有材料，因此所起的作用很大。
源於（yú）超精密車床的（de）超精密加工機床正向具有更多自由度的多軸控製超精密銑床和超精密加（jiā）工中心轉變，主要用於加（jiā）工需求（qiú）量很大（dà）的CD傳感器透鏡及其金屬模具、隱形鏡片（piàn）、菲涅耳透（tòu）鏡等具有複雜形（xíng）狀的（de）微型構件。由於微電子和光電（diàn）技術的快速發（fā）展以及（jí）對（duì）產品小型化、複合（hé）化、集成化的要求，人們對這些產品（pǐn）的加工（gōng）效率十分關注。
（2）何謂多軸控製加工
通過控製機床的直線運動軸、旋轉軸等軸係，巧妙地調節刀具（包括（kuò）旋轉刀具和（hé）非旋轉刀具）與工件的位置（zhì）與（yǔ）姿勢（shì），就（jiù）可以加工出各種（zhǒng）各樣的工件形狀。與普通機床一樣，超精密機（jī）床大多也由構成直（zhí）交坐標係（xì）的X、Y、Z三個直動軸和在其周圍的A、B、C三個旋轉軸構（gòu）成，為了（le）使刀具在工件加工（gōng）點（diǎn）附近可處於（yú）任意位置和姿勢，就需要對6個軸全部實施控製。此時刀具不能作自由旋轉運動，所以需要使用非（fēi）旋轉刀具。而使用旋轉刀具時，無需（xū）對其旋轉軸的位置進行控製，因此采用5軸控製就足夠了。這種4軸以上的控製稱為多軸控（kòng）製。一般的加工很少同時進行5軸或6軸控製，但（dàn）為了不進行重新設（shè）定就一次完成對複雜形狀的加工（gōng），或工（gōng）件（jiàn）加工部位以外的部（bù）分與刀具發生幹涉時（shí），多軸控製加工就必不（bú）可少。
（3）多軸控製超精密機床的現狀
多軸控製超精密銑床或超精（jīng）密加工中心的結構可以根據將刀具和（hé）工（gōng）件沿進給軸以納米精度進行（háng）定位的（de）結構來加以區分；也可以通（tōng）過是采用集（jí）成在電機上的絲杠來傳遞驅動（絲（sī）杠又可分為滾珠絲杠和靜壓絲（sī）杠），還是采用直接驅動方式的直線（xiàn）電機來區分。為了實現低摩擦、高直（zhí）線度地移動工作台，被驅（qū）動工作台的導向方式也可分為滾動導軌和靜壓（油、空氣）導（dǎo）軌。對於旋轉部分和軸承也同樣如此。
現在（zài）有（yǒu）幾種強調操作方便性和加工性能的（de）超精密五軸控製（zhì）加工機床已經上市銷售，其定位精度一般都達到了1nm。
為了超精（jīng）密加工帶有自由曲麵等的三維複雜微細形狀，需要（yào）有作為旋轉（zhuǎn）刀具的微小直徑金剛石球頭立銑刀，但這種刀具在市場上並無銷（xiāo）售，所以在數十年前，使用的是將微小直徑單晶金剛石刀（dāo）頭切去片側，從旋轉軸中心略微偏移（偏置）的刀具（稱（chēng）為近似球頭立銑（xǐ）刀）。但是．如果通過多軸控製可以實現刀具的傾斜加工以避（bì）免零速度切削，那麽（me）也就不需要采用偏置了。現在，已不需要使用近似球頭立銑刀（dāo），而是使（shǐ）用常（cháng）規球頭立銑刀（dāo）通（tōng）過多軸控製對帶有複（fù）雜曲麵的微小工件進行超精（jīng）密加工。曲麵加工所需的（de）NC數據可（kě）利（lì）用（yòng）三維CAD係統或對（duì）模型進行掃描（miáo）測量來獲（huò）得。
（4）對未來超精密加工的要求
加工機床（chuáng）的精度正從（cóng）納米級向超納米級過渡。今後對超精密加（jiā）工的要求包括日益微型化的刀具及（jí）其安裝換刀技（jì）術（shù）的開發、便於操作（zuò）的微細加工用三維CAM與誤差補償技術，以及硬脆材料加工技術。
第二代激光加工技術（shù）
激光加工作為一種新型加工技術被廣泛應用於製造業已經有1/4世紀。激光加工技術是作為傳統熱（rè）加工的替代技（jì）術發展起來的，隨後又開發出（chū）了獨（dú）立的激光加工技術。激光（guāng）加工機床與加工（gōng）技術就像（xiàng）車子的兩個輪（lún）子。現在評述一下仍在不（bú）斷獲得顯著進步（bù）的激光（guāng）加工機床和加工技術的發展動向（xiàng）及今後的展望（wàng）。
（1）激光（guāng）振蕩器（qì）與加（jiā）工（gōng）技術的變遷
激光誕（dàn）生於1960年。隨後，在（zài）60年代至70年代（dài）前半（bàn）期（qī），集中出現了許多應用（yòng）於產業的激光發明。激光應用（yòng）技術（shù）的探索幾乎是（shì）與激光的誕生同時開始的。將激光（guāng）應用於加工的初步研究主要於70年代在研究（jiū）機構和大學開展。以80年為分水嶺，出現了日本國產的激光加工機，標（biāo）誌著產業界的激光時代已經到來。
激光（guāng）加（jiā）工技術將光的波長由原來的紅（hóng）外光領域進一步擴大至紫外光（guāng）領域，並成功地將脈衝震蕩時（shí）間（jiān）縮為極（jí）短，進一步擴大了新的應（yīng）用可能性。激光加工因（yīn）應（yīng）用（yòng）可能（néng）性的不（bú）斷擴大與可持續發（fā）展性，在很短時（shí）期內便作為一種（zhǒng）主要加工（gōng）技術在（zài）產業界紮下（xià）了根。最近，以德國為中心，開發出了新（xīn）的激光（guāng）振（zhèn）蕩器，並於2003年前後投（tóu）入市場。此前的激（jī）光熱加工在其發展過程（chéng）中伴隨著高（gāo）功（gōng）率化也有不少技術改進，但隨（suí）著波長和（hé）脈衝縮短（duǎn）所引發（fā）的新的加工技術的崛起，可以說激光加工技術現在已進入了第二代。
（2）第二代激光加工技術
傳統（tǒng）的加工用激光主要使用CO2激光、YAG激光基波（bō）以及準分子激光等。這些激光都在實現高功率化，裝置的性能也在不斷提高。近10年來，二極管激光已實現了陣列化、存儲棧化和高功率化，使直接使用激光進行加工成為可能，而高（gāo）功率化又使高速加工成為可能（néng）。與此相比，第二代新型激光加工使用由YAG基波、鈦藍寶（bǎo）石等（děng）形成的超短脈（mò）衝激光、由YAG高次諧波形成的短波長激光、KrF準分子激光等（děng），使利用（yòng）紫外光進行加工成為可能（多用（yòng）於微細孔加（jiā）工、開槽加（jiā）工和表麵改性等）。加（jiā）工對象和材料也擴大（dà）到各種金屬和矽、聚合物、玻（bō）璃（lí）、陶瓷等非金屬材料，以及鋁、鈦、鎂等（děng）有色金屬薄膜。激光加工已從（cóng）大件加（jiā）工擴展到微細加工，其應用範圍還在繼續擴大（dà）。
（3）激光加工的發（fā）展動向
在（zài）歐（ōu）美，對材料加工進（jìn）行理（lǐ）論性研（yán）究、開（kāi）發新的加工概念以及各種基礎性探索方興未艾。飛秒級超短脈衝激光等的應用雖然蘊藏著無（wú）限的可能性，但從短期來看，快速（sù）實現高功率化仍然可望而（ér）不可及。可（kě）以（yǐ）預期，激光與材料表層的相互作用將是今後激光加工的應用重點。從這（zhè）個意義上來（lái）講，將（jiāng）激光應用於表麵處理（lǐ）和表麵改性是最值得（dé）期待的領（lǐng）域之一。
另一方麵，在（zài）生產現場應用激光加工技術的實用化研究也在（zài）如火如荼地（dì）開展（zhǎn），其中既有提高激光加（jiā）工效率（lǜ）以獲得高生產效益（yì）的研究、激光高（gāo）精度控製技術的開發、激光發生裝置的（de）高性能化、準確控製激光的光學技術，也有包括軟件和機（jī）器人等硬件在內的加（jiā）工控製技術等，這些研究正致（zhì）力於開發能（néng）將激光（guāng）加工理（lǐ）論確實變為生產（chǎn）手段（duàn）的共性基礎技術。
激光（guāng）厚板加工技術也在快速發展。應用於機床等（děng）的工業用激光技（jì）術的開發也十分活躍。以德國為中心，開發出了用於汽車工業的“遠距離激光”、“掃描射線”等新的激光焊接方法。
（4）激光加工的未來
在加工技術日新月異的（de）發展中（zhōng），要開發（fā）新技術，就必須對各種加工現象、對加工性能有影響的各種因素的相互關係、加（jiā）工（gōng）現場激光（guāng）與材料的相互作用（yòng）等有（yǒu）透徹（chè）的了解，為此需要從多（duō）方麵進行（háng）跨學科的探索。
因（yīn）為激光的加（jiā）工手段是光能，因此（cǐ）需要進行“光管理”，從光的發生到傳送、聚光等，都必須（xū）正（zhèng）確掌握和管（guǎn）理光的特性。隨著模擬技術和監控技術的進一步智能化，有可能實現更加準確的計算機預測。
出於經濟性和加工效率的考慮，現有的各種激光（guāng）發生裝置將會在用途上有所限定（dìng），一些低（dī）效率的裝置將會被逐漸淘汰（tài）。雖然現在流行的各種激光加工技術（shù）五花八（bā）門，但在加工用途上，應該（gāi）說波長選擇（zé）的時（shí）代即將來臨。在不久的將（jiāng）來，“飛秒加工”等（děng）目前尚處（chù）於萌芽性的研究將（jiāng）逐步（bù）變為實用化研（yán）究，甚至有一部分將廣泛應用於生產實際。
激（jī）光加工技術的發展需要“光發生技術”、“光控製技術”和“光利用技術”的強（qiáng）有力（lì）支（zhī）持，激（jī）光加工是這（zhè）些技術相互作用的拓展，並在很大（dà）程度上與這些技術相互依存和相互影響。激光技術潛在可能性之廣闊將通過新（xīn）的激光不（bú）斷湧現（xiàn）而得以進一步顯現。加工技（jì）術（shù）雖然（rán）樸實無華，但貴在持續，新的發展寓於其持續（xù）性上。蘊藏著極（jí）大可能性的激光加工技術對於生產技術的（de）發展至關重要。
