• 4.1 概述 • 表面技术通过以下两个途径来提高材料抵 御环境作用的能力和赋予Hale Waihona Puke Baidu料表面某种功 能特性。

　　• （1）施加各种覆盖层； • （2）用机械、物理、化学等方法，改变材 料表面的形貌、化学成分、相组织、微观 结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种 表面改性技术。

　　• 后来，由于各种先进技术的不断应用，产生了 多种有别于传统机械加工的新加工方法。这些新 加工方法从广义上定义为特种加工(NTM，NonTraditional Machining)，也被称为非传统加工技 术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能 量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实

　　• （4）等离子扩散处理：又称离子轰击热 处理，是指在压力低于0.1MPa的特定气 氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生 的辉光放电进行热处理的工艺。 • （5）离子注入表面改性：将所需的 气体或固体蒸气在真空系统中离化，引 出离子束后，用数千电子伏至数百电子 伏加速直接注入材料，达一定深度，从 而改变表面的成分和结构，达到改善性 能之目的。

　　• 化学抛光是通过硝酸和磷酸等氧化剂，在 一定的条件下，使被加工的金属表面氧化， 使表面平整化和光泽化。化学抛光设备简 单，可以加工各种形状的工件，效率较高， 加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2µm，但腐 蚀液对人体和设备有损伤，污染环境，需 妥善处理。主要用来对不锈钢、铜、铝及 其合金的光亮修饰加工。

　　• 超声波抛光是利用工具端面做超声振动， 通过磨料悬浮液对硬脆材料进行光整加工， 加工精度 0.01~0.02µm，表面粗糙度 Ra0.1µm。超声抛光 设备简单，操作、维 修方便，工具可用较软的材料制作，而且 不需作复杂的运动，主要用来加工硬脆材 料，如不导电的非金属材料，当加工导电 的硬质金属材料时，生产率较低。

　　• 工件材料必须具有均匀性和性能的一致性， 不允许存在内部或外部的微观缺陷。

　　• 精密测量是精密加工和超精密加工的必要 条件，有时要采用在线检测、在位检测以 及在线、精密与超精密加工方法

　　也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床 和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、 铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计 算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反 光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 例如用精密车削加工的液压马达转子柱塞孔圆 柱度为0.5~1µm，尺寸精度1~2µm；红外反光 镜的表面粗糙度 Ra0.01~0.02µm，还具有较 好的光学性质。从成本上 看，用精密切削加工 的光学反射镜，与过去用镀铬经磨削加工的产 品相比，成本大约是后者的一半或几分之一。

　　1、基于新原理的加工方法 2、开发精密的机械机构 3、开发高精度的测试系统 4、开发适用于精密加工并能获得 高精度、高表面质量的新型材料

　　• 2.1 加工对象与环境 • 精密加工和超精密加工都是以精密元件为加工对 象，加工时必须具有超稳定的加工环境。体环境 要求为： • （1）恒温：保证加工区极高的热稳定性。 • （2）防震：保证加工系统具有较高的动态稳定性。 • （3）超净：必须有与加工相对应的超净工作环境。

　　用油石砂条组成的珩磨头，在一定 压力下沿工件表面往复运动，加工 后的表面粗糙度可达Ra0.4 ~0.1 µm，最好可到Ra0.025µm，主要 用来 加工铸铁及钢，不宜用来加工 硬度小、韧性好的有色金属。

　　通过介于工件和工具间的磨料及加工液， 工件及研具作相互机械摩擦，使工件达 到所要求的尺寸与精度的加工方法。精 密研磨与抛光对于金属和非金属工件都 可以达到其他加工方法所不能达到的精 度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度 Ra≤0.025µm加工变质层很小，表面质 量高，精密研磨的设备简单，主要用于 平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求 的配偶件的加工，也可用于量规、量块、 喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。

　　• 与传统的机械加工相比，特种加工的不 同点是： • (1) 不是主要依靠机械能，而是主 要用其他能量(如电、化学、光、声、热等) 去除金属材料。 • (2) 加工过程中工具和工件之间不 存在显著的机械切削力，故加工的难易与 工件硬度无关。

　　我国的特种加工技术起步较早。20世 纪50年代中期我国工厂已设计研制出电 火花穿孔机床，60年代末上海电表厂张 维良工程师在阳极—机械切割的基础上发 明了我国独创的快走丝线切割机床，上 海复旦大学研制出电火花线切割数控系 统。但是由于我国原有的工业基础薄弱， 特种加工设备和整体技术水平与国际先 进水平有不少差距，每年还需从国外进 口300台以上高档电加工机床。

　　• 与传统的机械加工相比，特种加工的不 同点是： • (3) 各种加工方法可以任意复合、扬 长避短，形成新的工艺方法，更突出其优 越性，便于扩大应用范围。如目前的电解 电 火 花 加 工 (ECDM) 、 电 解 电 弧 加 工 (ECAM) 就是两种特种加工复合而形成的 新加工方法。

　　正因为特种加工工艺具有上述特点，所 以就总体而言，特种加工可以加工任何硬 度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材 料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚 度的零件。 目前，国际上对特种加工技术的研究主 要表现在以下几个方面：

　　目前，精密加工是指加工精度为 1~0.1µm，表面粗糙度为 Ra0.1~0.01µm的加工技术，但这 个界限是随着加工技术的进步不断 变化的，今天的精密加工可能就是 明天的一般加工。

　　精密加工所要解决的问 题，一是加工精度，包 括形位公差、尺寸精度 及表面状况，有时有无 表面缺陷也是这一问题 的核心；

　　但许多因素对精密切削的效果有影 响，所以要达到预期的效果很不容 易。同时，金刚石刀具切削较硬的 材料时磨损较快，如切削黑色金属 时磨损速度比切削铜快104倍，而 且加工出的工件的表面粗糙度和 几 何形状精度均不理想。

　　但磨削加工后，被加工的表面在磨 削力及磨削热的作用下金相组织要 发生变化，易产生加工硬化、淬火 硬化、热应力层、残余应力层和磨 削裂纹等缺陷。

　　是利用机械、化学、电化学的方法 对工件表面进行的一种微细加工， 主要用来降低工件表面粗糙度，常 用的方法有：手工或机械抛光、超 声波抛光、化学抛光、电化学抛光 及电化学机械复合加工等。

　　• 手工或机械抛光是用涂有磨膏的抛光器， 在一定的压力下，与工件表面做相对运动， 以实现对工件表面的光整加工。加工后工 件表面粗糙度Ra≤0.05µm，可用于平面、 柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。手工 抛光的加工效果与操作者的熟练程度有关。

　　用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行 的微量磨削加工，金属的去除量可在亚 微米级甚至更小，可以达到很高的尺寸 精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。 尺寸精度0.1~0.3µm，表面粗糙度 Ra0.2~0.05µm，效率高。应用范围广 泛，从软金属到淬火钢、不锈钢、高速 钢等难切削材料，及半导体、玻璃、陶 瓷等硬脆非金属材料，几乎所有的材料 都可利用磨削进行加工。

　　• 5.1 钢铁的氧化、磷化处理 • 5.2 铝和铝合金的阳极氧化或化学氧化

　　随着社会生产的需要和科学技术的进步，20 世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开 关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发 现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化 而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。

　　• （1）电镀：电镀主要用于提高制件的抗蚀性、 耐磨性、装饰，或者使制件具有一定的功能。 • （2）堆焊：是在金属零件表面或边缘，熔焊 上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不 合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生 产成本，或者用它制造双金属零部件的工艺技术。 •

　　• （3）涂装：它是用一定方法将涂料敷于工 件表面而形成涂膜的过程。 • （4）热喷涂：将金属、合金、金属陶 瓷及陶瓷材料加热到熔融或部分溶融，以 高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面， 形成牢固的镀覆层。

　　二是加工效率，有些加 工可以取得较好的加工 精度，却难以取得高的 加工效率。

　　传统的精密加工方法有布轮抛光、砂 带磨削、超精细切削、精细磨削、珩 磨、研磨、超精研抛技术、磁粒光整 等。

　　是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进 行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴， 有生产率高、表面质量好、使用范围广 等特点。国外在砂带材料及制作工艺上 取得了很大的成就，有了适应于不同场 合的砂带系列，生产出通用和专用的砂 带磨床，而且自动化程度不断提高(已有 全自动和自适应控制的砂带磨床)，但国 内砂带品种少，质量也有待提高，对机 床还处于改造阶段。

　　(1) 微细化。目前，国际上对微细电火花 加工、微细超声波加工、微细激光加工、 微细电化学加工等的研究正方兴未艾，特 种微细加工技术有望成为三维实体微细加 工的主流技术。

　　• (2) 特种加工的应用领域正在拓宽。例如， 非导电材料的电火花加工，电火花、激光、 电子束表面改性等。

　　(3) 广泛采用自动化技术。充分利用 计算机技术对特种加工设备的控制系统、 电源系统进行优化，建立综合参数自适 应控制装置、数据库等，进而建立特种 加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前 特种加工技术的主要发展趋势。用简单 工具电极加工复杂的三维曲面是电解加 工和电火花加工的发展方向。目前已实 现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截 面的叶片。随着设备自动化程度的提高， 实现特种加工柔性制造系统已成为各工 业国家追求的目标。

　　• 电化学抛光是利用电化学反应去除切削加 工所残留的微观不平度，以提高零件表面 光亮度的方法。它比机械抛光具有较高的 生产率和小的表面粗糙度：一般可达 Ra0.2µm，若原始表面为Ra0.4~0.2µm， 则 抛光后可提高到Ra0.1~0.08µm，加工后 工件具有较好的物理机械性能，使用寿命 长，但电化学抛光只能加工导电的材料。

　　• （5）电火花涂敷：通过电极材料与金属零件 表面的火花放电作用，把作为火花放电电极的 导电材料熔渗于工件表层，从而形成含电极材 料的合金化涂层，提高工件表层的性能。 • （6）陶瓷涂敷：是以氧化物、碳化物、金 属陶瓷和其他无机物为基体的高温涂层，用于 金属表面主要在室温和高温起耐蚀、耐磨等作 用。 • （7）真空蒸镀：将工件放入真空室，并用 一定方法加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至 工件表面凝聚成膜。

　　• （1）机床主轴应具有极高的回转精度及很 高的刚性和热稳定性； • （2）机床的进给系统应能提供超精确的匀 速直线运动，保证在超低速条件下进给均 匀，不发生爬行；

　　• （3）为了在超精密加工时实现微量进给， 超精密机床必须配备位移精度极高的微量 进给机构； • （4）超精密加工机床广泛采用了微机控制 系统、自适应控制系统，避免了手工操作 引起的随机误差。

　　• （1）喷丸强化：喷丸强化又称受控喷丸， 它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一 种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高温 度下撞击受喷工件表面而完成。

　　• （2）表面热处理：是指仅对工件表层进行 热处理，以改变其组织和性能的工艺。 • （3）化学热处理：是将金属或合金工件置 于一定温度的活性介质中保温，使一种或 几种元素渗入它的表层，以改变其化学成 分、组织和性能的热处理工艺。