机床工具领域的（de）尖端技（jì）术
迎来纳米时代的磨削、研磨加工
随着IT关联产品、汽车、家电等工业制品的不断发展，高性能（néng）磨削、研磨加工的重要性日益增大。对于生产技术人员来说（shuō），高精（jīng）度化、高效率化和自动化是永远的主题。磨削、研磨技术的研究开发成果推（tuī）动着工业（yè）产品的更新，正脚踏实地向前发展。
（1）磨削（xuē）、研磨技术的重要性日益增（zēng）大
如今几乎已普及到所有家庭的个人电脑（PC）所配备的硬磁盘（HDD）过去是在超精（jīng）密机床上（shàng）用单晶金刚石刀具切削加工。近年来，磁盘面记录密度的（de）年增长率达到100％，实现了每1平方英（yīng）寸达1G的记录密度。这一技术是（shì）在经磨削加工后（hòu）的铝合金基盘上镀上无电解NIP薄膜，再通过研磨加工使其表（biǎo）面平滑而得以实现的。而高性能（néng）加工技术的（de）进步（bù），也（yě）使得基盘材料从（cóng）铝合金更换为刚性（xìng）比（bǐ）更高的硅酸（suān）铝玻璃、晶化玻璃等，因此，磨削、研磨加工的重要性也更大了。
（2）高精度化
直线电机刚开始开发时，因其能实现高速加工而备受瞩目。但近年来（lái），使用直线电机的目的已逐渐转向高（gāo）精度化。也就是说，在直线电机的诸（zhū）多优良（liáng）特性中，很高的定位（wèi）精度和圆弧插补精度尤其令人（rén）刮目相看。其原因是非接触式的驱动系统没有传统伺服电机旋转（zhuǎn）减速用的齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引起的误差，以及直线电机（jī）必然采用闭路控制。
今后，高精度化加工技术的发展将日益加速。在精密加工中，最重要的加工之一是高精密平面的加（jiā）工。尤其（qí）是在精密测量仪器、光学仪器、硅片等超精密加工领域，要求（qiú）加工出无限平滑的表面。为此，机（jī）床制造商（shāng）开发出了超精密平（píng）面磨床，在（zài）采用（yòng）独立的可变静压滑板技术实现高刚性加工的同时，又实现（xiàn）了即使存在偏载（zǎi）荷（hé），油膜厚（hòu）度也不会发生变化（工作台不发生倾斜），磨削平面（miàn）度达（dá）到lμm/m2。此外，加工（gōng）表面通过抛光可以实现0.03μm/m2的平面度。为（wéi）了实现高精度加（jiā）工，就必须克服热变形。具体来说，需要尽可能减少来自驱（qū）动电机和（hé）轴承、导向面等的加工发热。此外，为了不（bú）使加工中的工件发生热变形，还需要控制在加工（gōng）点产生的（de）热量和（hé）来自工件表面的汽（qì）化热。为（wéi）此，该超精（jīng）密平面（miàn）磨床配（pèi）置（zhì）了既恒温又恒湿的隔离罩，作为完（wán）整的系统加以商品化（huà）。
（3）高效率化
加大砂轮进给（gěi）量、降低工件进给速度的间歇进给磨削技术与（yǔ）使（shǐ）用（yòng）电沉积磨轮的高圆周速度磨削技术相结合而（ér）形成的HEDG（High Efficient Deep-Cut Grinding）磨削技术在欧洲已经（jīng）实用化了（le），但在日本还几乎无人采用。另一方面，减小砂（shā）轮进给量、提高工件进给速度的快走刀磨削（高速往复式磨削）在金属模具加工等行业正逐（zhú）渐（jiàn）成为成型磨削的主流。这（zhè）种磨削加工方法通过（guò）曲柄（bǐng）、液压伺服装置或直（zhí）线电机增加单位时间的工作台往返次数（对行程较短的工件（jiàn）也可以采用砂轮连续进给），从而可以大幅度提高加（jiā）工效率（lǜ），也适用于金属模具穿孔等短行（háng）程磨削。该方法的缺点是工作台反转时的高加/减速运动容易引起振动，需要设法加以抑制。为此，可以（yǐ）采用减轻工作台重量、加重底盘、进行加/减速控制以及进行平衡等方法。快走刀磨床已被许多平面（miàn）磨床生产厂家看好，认为可以进行商（shāng）品化开发，今后将成为金属成（chéng）型磨床的主流。
（4）小型化和环保（节能（néng））化
在以前的JIMTOF（日本国际机床展（zhǎn）览会）上，各厂家展出的小型机床很受（shòu）瞩目（mù），主要原因在于：为了适应多品种、小批量生产，需要灵活改组（zǔ）生产线（xiàn），因此迫切需要（yào）统一机床的宽度。而且机床小（xiǎo）型化可以带来许多预期的利好，如缩短生产线长度（dù）、减少占用空间、容易变更生产线、提高工厂内部的信息传递等。
某家公司推出了“节省能（néng）源（yuán）和空间”的概念机种。该磨床占地面积（jī）不到普通磨床的40％，尤其是宽度尺寸缩小至1200mm以下。一般（bān）来说，占地面积缩小不便于维修保养，但该磨床将维修保养部分集中到机器的前后，提高了维修便利性（xìng）。此外，该公司将磨削液（yè）供给量削减了50％（加工有的工件甚至可削减99％），减小了对环境的影响。
为了实现磨床小型（xíng）化，需要减小砂轮直径。为了不降低砂轮速（sù）度，需要采用超高速主轴技术。该磨床（chuáng）减小了砂轮交换频度，也减薄了砂轮厚度，因此基本上用于轮廓加工。此外（wài），为了（le）节省空间，轴（zhóu）驱动（dòng）系统采用了（le）不（bú）需要齿轮箱的直线电机驱动，而且通过程序更（gèng）换按钮，一次操作即可自动（dòng）调整中心距。
（5）复合化
某厂（chǎng）家采用立轴磨削技术和车床技术，开发出了融（róng）磨（mó）削与切削于一体的小型复合磨床，通过一次装夹工件，就可以高精度（dù）、高效率地完成（chéng）从车削加工到圆筒、内表面的磨削精加工。由于（yú）立（lì）轴磨床比横轴磨床宽度更窄，因此更容易编（biān）入生产线。人们期待该复合磨床（chuáng）能尽快投入商业化生产。其他各种复合机床（如激光（guāng）加工与磨削加工（gōng）的复合）也在开发（fā）之中。
随着经济全球化的不（bú）断发展，越来越多的机（jī）床（chuáng）开始（shǐ）出口到语言与文化（huà）完（wán）全不同的国家和地区。作为耐用资产的机床，其维修保养和定期检（jiǎn）查不可（kě）或缺。因此，用视频图像来表示报警的位置及内容的功能、利用互联网（wǎng）对机床进行自动监测等也成了重点技术之一。
微细加工的现状与未来
在微电子和光电技术快速发展和产（chǎn）品（pǐn）小型化、复合化、集成化的背景下，为了实现微细复杂（zá）形状（zhuàng）和微型构（gòu）件的加工，发端于超精密车（chē）床的超精密加工机床正向（xiàng）自由度更多的多轴控制超精密铣床和多轴控制超精密加工中心发（fā）展。由于控制技术（shù）的进步，超精密加工机床及加工技术也获得了很大进（jìn）展。
（1）何谓（wèi）超精密切削加工
超精（jīng）密切削加工是将正（zhèng）确制作的刀具形状精确复映到工件（jiàn）上（shàng）的加工方法，其（qí）特点是用刀具的刀尖切削工件，制成所需形状，即根据（jù）机床的“母（mǔ）性”原理在（zài）运动中实现复制。
制作微细形状的（de）过程被称为微细加工（或微（wēi）细机械加工）。众所周知，微细（xì）加工可以使用半导体制造技术，也可以使用微（wēi）电子机械系统（MEMS）。但（dàn）是，采用光学和粒子束加工技术（shù）并不擅（shàn）长（zhǎng）加工斜面和曲面形（xíng）状，对被加工材料也有一定限制。就（jiù）此而言，金刚石切削虽然（rán）属（shǔ）于传统机械加工，却能够应用于（yú）几乎所有材料，因此（cǐ）所起的作用很（hěn）大。
源于超精密车床的超精密加工机床正向具有更多自由度的（de）多轴控制超精（jīng）密铣床和超精密加（jiā）工中（zhōng）心转变，主（zhǔ）要用于加工需求量很大的CD传感器透（tòu）镜及其金属模具、隐形镜片、菲涅耳透镜（jìng）等具有复杂形状（zhuàng）的微型构（gòu）件。由于微电子和（hé）光电技术的快速发展以及对产品小型化、复合化（huà）、集成化的要求，人们对这些产品的加工效率十分关（guān）注。
（2）何谓多轴控制加工
通过控制机床的直线运（yùn）动轴、旋转轴等轴系，巧妙地调节刀具（包括（kuò）旋转刀具和非旋转刀具）与（yǔ）工件的位（wèi）置与姿势，就可以加工出各种各（gè）样的工件形（xíng）状（zhuàng）。与普通机床一样，超精密机床大多也由构（gòu）成直交坐标系的X、Y、Z三个（gè）直动轴（zhóu）和在（zài）其周围的A、B、C三个旋转轴构成，为了（le）使（shǐ）刀具在工（gōng）件加工点附近可处于任（rèn）意（yì）位置和姿势，就需要对6个轴全部实（shí）施控制。此时刀具不能（néng）作自由旋转运动，所以需要使用非旋转刀（dāo）具。而使用旋转刀（dāo）具时，无需对其旋转轴的位置进行控制，因此采用（yòng）5轴（zhóu）控制就足够了。这种（zhǒng）4轴以上的控制称（chēng）为多轴控制。一般的加（jiā）工很少同时进行5轴或6轴控制，但为了不进行重新设定就一次完成对复杂形状的加（jiā）工，或工件加工部位以外（wài）的部（bù）分与刀具发生干涉时，多轴控制加工就必不可少。
（3）多轴控制超精（jīng）密机床的现状
多轴控制超精密铣床或超精密加工中心的（de）结构可以（yǐ）根据将刀具和工（gōng）件沿进给轴以（yǐ）纳米精度进行定位的（de）结构来加以区分；也可以通过是采（cǎi）用集成在（zài）电机上的丝杠来传递驱动（丝杠又可分为滚珠丝杠和静压丝杠），还是（shì）采用直接驱动方式的直线电机来区分。为了实现低摩擦、高直线度地移动工作台，被驱动工作台的导向方式也可分为滚动导轨和静压（油、空气）导轨。对于（yú）旋转部分和轴（zhóu）承也同样如此。
现在有几种强调操作方便性和加工性能的（de）超精密五轴控制加工机床（chuáng）已经上市销售，其定位精度一般都达（dá）到了（le）1nm。
为（wéi）了超精密加工带有自由曲面等的三维复杂微细（xì）形状，需要有作（zuò）为旋转刀具的微小直径金刚石球头（tóu）立铣刀，但这种刀具在市场上并无（wú）销（xiāo）售，所以在（zài）数十年（nián）前，使（shǐ）用的是将微小直径单晶金刚石刀头切去片（piàn）侧，从旋（xuán）转轴中心略微偏移（偏（piān）置）的刀具（称为近似球头立（lì）铣刀（dāo））。但是．如果通过多轴控制可以实现（xiàn）刀具的倾斜加工以避免（miǎn）零速度切削，那么也就不需要采用偏置了。现在，已不需要使用近似球头立铣刀，而是使用常规球（qiú）头（tóu）立铣（xǐ）刀通过多轴控制对带有复杂曲面的微小（xiǎo）工件进行超精（jīng）密加工。曲（qǔ）面加工所需的NC数据（jù）可利用三维（wéi）CAD系统或（huò）对模型进行扫（sǎo）描测量来（lái）获（huò）得（dé）。
（4）对未来超精密加工的要（yào）求
加工机床的精度正从纳米级向超纳米（mǐ）级过渡。今后对超（chāo）精密加工的要求包括（kuò）日益微型化的刀具及（jí）其安装换刀（dāo）技术的开发、便于操作的微（wēi）细加工用三（sān）维CAM与误差补（bǔ）偿技术，以及硬脆材（cái）料加工技术。
第二代激光加工技术
激光加工作为一种新型加工技术（shù）被（bèi）广泛应用于制造业已经有1/4世纪。激光加工技术是作为传（chuán）统热（rè）加工的替代技术发展起来的，随后又开发出了独立的（de）激光加工技术。激光加工机床与加工技术就像车子的两个轮子。现在评述一下仍在不断（duàn）获得显着进（jìn）步的激光（guāng）加工机床和加工技术的发展动向及今后的展望。
（1）激光振荡器与加工（gōng）技术的变迁
激光诞生于1960年。随后，在60年代至（zhì）70年代前半期，集中出（chū）现了许多应用于产业的激光发明。激光应用技术的探索几乎是与激光的诞生同时开始的。将激光应用于加工的（de）初步研究主要于70年代（dài）在研究（jiū）机构和大学（xué）开展。以80年为分（fèn）水岭，出现（xiàn）了日本（běn）国产的激光加（jiā）工机，标（biāo）志（zhì）着产业界的激光时代已经到来。
激光加工技术将光的波长由原来（lái）的红外光领域进一步扩（kuò）大至紫外光领域，并（bìng）成功地将脉冲震荡时（shí）间缩（suō）为极短，进一步扩大了新的应用可能性（xìng）。激光加工因应用（yòng）可能性的不断（duàn）扩大与可持续发展性，在很短时期内便作为一（yī）种主要加工（gōng）技术在产业界扎下了根（gēn）。最近，以德（dé）国（guó）为中心，开发出了新（xīn）的激光振荡器，并于2003年前后投入市场。此前的激光热（rè）加工在其发展（zhǎn）过程中伴随着高功率（lǜ）化（huà）也有不少技术改进，但（dàn）随着（zhe）波长和脉冲缩短所引发的（de）新的加工技术的（de）崛起，可以说激光加工技术现在已进入了第二代。
（2）第二代激光加（jiā）工（gōng）技术（shù）
传统的加工用激光主要使用CO2激光、YAG激光基波以及准分子激光等。这些激光都在（zài）实现高功率（lǜ）化，装置的性能也在（zài）不断提高。近10年来，二极管激光已实现了阵列化、存储栈化和高功率化，使直接使用激光进行加工成为可（kě）能，而高功率化又使高速加（jiā）工成为可能。与此相比，第二代新（xīn）型激光加（jiā）工使用由YAG基（jī）波、钛蓝宝（bǎo）石等形成的超短脉冲激光（guāng）、由YAG高次谐波形成的短波长激光、KrF准分子激光等，使利用紫外光（guāng）进行加工成为可能（多用于微细孔加工、开槽加工和表面改性等）。加工对象和材料也扩大到各种金（jīn）属和硅、聚合物、玻（bō）璃、陶瓷等非金属材料，以及铝（lǚ）、钛（tài）、镁等有色金属薄膜。激光加工已（yǐ）从大件加工（gōng）扩展到微细加工，其应用范围还在（zài）继续扩大。
（3）激光加工的发展动向
在欧美，对材料加工进行理论性研究、开发新的加工概念以及各种基础性探索方（fāng）兴（xìng）未艾。飞秒级超短脉冲激光等的应用虽然蕴藏着无限的（de）可能性，但从（cóng）短期来看，快速实现（xiàn）高功率化仍然可望而不可及。可以预期，激光（guāng）与材料表层的相互（hù）作（zuò）用将是（shì）今后激光加（jiā）工的应用重点。从这个意义上来讲（jiǎng），将激光应用于表面处理和表面改性是最（zuì）值得期待的领域之一。
另一方面，在生产现场应用激（jī）光加工技术的实用化研究也在如火如荼地开展，其中既有提高激光加工（gōng）效率以获得高生产效益的研究、激光高精度控制技术的开发、激光发生装置的高性能化、准确控制激光（guāng）的光学技术，也有（yǒu）包（bāo）括软件和机器人（rén）等硬件在内的加工控制技术等，这些研（yán）究正致力于开（kāi）发能（néng）将激光加工理论确（què）实变为生产手段的共性基础技术。
激光厚板加工技术也（yě）在快速发展。应用（yòng）于机床等的工业用激光（guāng）技（jì）术的开（kāi）发（fā）也十分活跃。以德国为中心，开发出了用于汽车工业的（de）“远距离激光”、“扫描射线”等新的激光焊（hàn）接方法。
（4）激光加（jiā）工的未来
在加工技术日新月异（yì）的发展中，要开发新技（jì）术，就必须对各种加工现象、对加（jiā）工性能（néng）有影响的各（gè）种因素的相互关系、加（jiā）工现场激光与材料的相互作用等有透彻的了解，为此需要从多方面进行跨学科的探索。
因为（wéi）激光的加工手段是光（guāng）能，因此（cǐ）需要进行“光管理”，从光的发（fā）生到传送、聚光等，都必须正确掌握和管理光的特性。随着模拟技术和监控技（jì）术的进一步（bù）智能化，有可能（néng）实现更加准（zhǔn）确的计算机预测（cè）。
出于经济性（xìng）和加工效率的考虑，现有的各种激光发生装置将会在（zài）用途上有所限定，一些低效率的（de）装置将会被逐渐淘（táo）汰。虽（suī）然现在流行的各种激光加工技术五花八门，但在加工用途上，应该说波长选择的时代即将来临。在不久的将来，“飞秒加工”等目前尚处于萌芽性的研（yán）究将逐步变为实用化研究，甚至有一部分将广泛（fàn）应用于生产实际。
激光加工技术（shù）的发展（zhǎn）需要“光发生技术”、“光控制技（jì）术”和“光利用技术”的强有力支持，激光加工是这些技术相互作用的拓展，并在很大程度（dù）上（shàng）与这些技术相互依存和相互影响。激光技术潜在可能（néng）性之（zhī）广阔（kuò）将通（tōng）过新的激光不断涌现而得以进一步显现。加工技术虽然朴实无华，但贵在持续，新（xīn）的发（fā）展寓于其持续性上。蕴藏着极大可能性的激光加工技术对于生产技术的发展至（zhì）关重要（yào）。
