郭東明

(大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

1 前言

隨著裝備制造、航空航天、武器、能源、交通等領(lǐng)域高端裝備制造技術(shù)要求的不斷提高，涌現(xiàn)了一大批性能要求越來越高的零件/構(gòu)件/部件(以下簡稱零件)，將這種具有高性能要求的零件統(tǒng)稱為高性能零件。高性能零件一般都工作在高速、高精、高可靠性或使役環(huán)境極其復雜的條件下，以導流、潔整、透波、傳熱、使役精度保持性等物理性能為主要制造指標，結(jié)構(gòu)和材料特殊，往往呈精密復雜曲面、超高精度，以及材料超硬、超脆、超黏等難加工特征，其性能受幾何、材料等多因素耦合作用。

普通零件的性能與幾何尺寸精度一般表現(xiàn)為線性相關(guān)，即利用傳統(tǒng)的制造方法按精確設(shè)計的零件幾何尺寸及公差要求制造出的零件，就可以滿足零件的性能要求。對于高性能零件，傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)往往已難以滿足其精密制造要求:一種情況是直接加工出滿足幾何精度要求的零件時，其性能指標往往達不到要求;另一種情況是由于零件高性能要求導致材料或結(jié)構(gòu)特殊，或是精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法往往無能為力或很難加工出符合要求的零件。這種高性能零件的加工制造需求向傳統(tǒng)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要按零件性能要求進行加工制造的新方法［1～3］，以解決高性能零件的精密制造問題。

2 高性能零件的分類及特征

這類高性能零件一般都是高端裝備和高端產(chǎn)品的關(guān)鍵或重要零件，根據(jù)其特征可以分為:

第Ⅰ類高性能零件是強性能約束類的精密復雜曲面零件，主要是指性能要求特別高、以性能為第一制造指標的精密零件，如高性能天線罩、火箭共底構(gòu)件、飛行器氣彈質(zhì)縮比風洞模型、精密陀螺半球諧振子和高速轉(zhuǎn)子組件等。

第Ⅱ類高性能零件是復雜結(jié)構(gòu)約束類的精密復雜曲面零件，主要是指復雜薄壁的低剛度精密零件，如整體渦輪和葉盤、大型火箭儲箱和火箭發(fā)動機噴管等。

第Ⅲ類高性能零件是難加工材料約束類的精密零件，主要是指通過特殊的難加工材料和高幾何精度來保證高性能的零件，如C/E復合材料構(gòu)件、功能陶瓷等脆性材料零件、高溫合金材料零件等。

第Ⅳ類高性能零件是超高精度約束類的超精密零件，主要是指性能與幾何精度線性相關(guān)的超高精度零件，如核主泵密封偶件、高性能光學鏡片、超精密基準齒輪、單晶硅片等。

高性能零件由于其性能、材料和幾何等參數(shù)間的復雜耦合關(guān)系，其精密加工的過程，往往是對零件精密加工前表面上逐點精確定量的相對去除加工，以實現(xiàn)零件性能的提高，因而其加工過程一般都是同時滿足高性能和高幾何精度要求的測量與加工一體化的精密加工。

3 強性能約束類精密復雜曲面零件的精密加工

強性能約束類精密復雜曲面零件是指性能要求特別高的一類零件，如高性能天線罩、火箭共底構(gòu)件、飛行器氣彈質(zhì)縮比風洞模型、精密陀螺半球諧振子、高壓密封配合件和高速轉(zhuǎn)子組件(精密動平衡加工)等，其特點如下所示。

1)電、光等物理性能指標為第一制造要求。

2)僅按設(shè)計幾何精度要求加工的零件，其性能指標往往不達標。

3)尺寸大、形狀復雜、可加工性差，零件的最終尺寸一般事先無法確定。

4)零件精加工的幾何去除量分布是根據(jù)逐個零件實測的性能偏差反求得到，呈典型的數(shù)字化和個性化特征。

5)零件的去除量分布是相對被加工曲面本身或某一參考基面上的分布，因此其精密加工過程呈現(xiàn)參考基面測量、最終面形的再設(shè)計與數(shù)字化去除加工一體化的特征。

在該類高性能零件的精密加工中，影響零件性能的因素非常復雜，包括零件的材料特性參數(shù)偏差、加工偏差和設(shè)計的原理性偏差等，只有掌握幾何、物理等因素對零件性能的影響規(guī)律及其控制策略，才能有效地通過加工提高制件的性能和合格率。圖1給出了第Ⅰ類高性能零件加工的基本原理，其核心思路是基于按照原始設(shè)計幾何參數(shù)要求加工后零件性能偏差ΔΦ1超差(即大于性能允差δΦ)的實際情況，通過精密加工形成以一定規(guī)律分布的幾何偏差Δh，以及由此產(chǎn)生一個特定的性能偏差ΔΦ2，以抵消精加工前零件存在的性能偏差ΔΦ1。

圖1 第Ⅰ類高性能零件加工的基本原理Fig．1 The basic principle of machining the first type of high performance parts

由此看出，實現(xiàn)強性能約束類高性能零件的精密加工的兩個首要條件是:

1)以零件幾何約束、物理約束和性能約束的相容性分析為基礎(chǔ)，建立各約束間相互作用的非線性耦合關(guān)系模型，以及獲得加工余量分布的反求算法。它是能否由性能偏差ΔΦ1準確反求出幾何修正量分布Δh環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)和前提;反求過程中，使ΔΦ2≈－ΔΦ1，從而使零件經(jīng)過精密加工后的性能指標滿足使役性能要求，即:|ΔΦ1+ΔΦ2|≤δΦ。

2)實現(xiàn)幾何修正量分布Δh精確去除的數(shù)字化逐點可控去除加工方法及其專用的測量加工一體化工藝裝備。由于該精加工的去除量分布是相對某一參考基面(如被加工曲面本身)而言的相對量，與傳統(tǒng)加工中相對工件坐標系的去除量是完全不同的概念，因此加工參考基面的在位測量獲得和按Δh分布的逐點可控去除加工是實現(xiàn)此類高性能零件精密加工的核心。

強性能約束類高性能零件精密加工中的約束耦合作用分析，更為關(guān)注與加工相關(guān)的幾何物理參數(shù)變化對零件性能的影響，從而在分析那些未達到設(shè)計指標的性能參數(shù)的實際影響因素基礎(chǔ)上，采取有針對性的解決措施，使得所加工的零件在滿足幾何精度要求的前提下性能指標也達到設(shè)計要求。這些關(guān)鍵性能指標一般要遵循某種物理規(guī)律并滿足特定指標要求，例如從電磁性、傳熱性、密封性、彈塑性等方面進行性能擬實建模與仿真，就可實現(xiàn)對各參數(shù)的敏度分析。假定與加工相關(guān)的性能函數(shù)為Φ ( u，v，λ1，…，λa，ζ1，…，ζb)，其中為與加工相關(guān)的幾何參數(shù)，在加工參數(shù)反算模型中一般為目標變量;為物理參數(shù)或目標變量之外的其他參數(shù)。若零件加工基準面為參數(shù)曲面R(u，v)，這時，采用最小二乘準則可建立第Ⅰ類零件的加工余量反算模型:

式(1)中模型約束為幾何約束，即被加工面尺寸精度和公差要求;分別為被加工面上第k個檢測點Pk的性能參數(shù)測量值和尺寸偏差上下閾值。

第Ⅰ類高性能零件的加工過程如圖2所示，實現(xiàn)該類零件加工的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納如下。

1)測量獲取零件實際性能偏差和幾何物理參數(shù)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)耦合關(guān)系模型反求出修正性能偏差的擬加工去除余量分布Δh(x，y，z)。

2)在位測量并建立零件的加工基準面，包括由測量的離散點數(shù)據(jù)對加工基準面f1(x，y，z)的重構(gòu)(常常也是被加工表面)。

3)構(gòu)造及再設(shè)計出滿足性能要求的零件最終要求的目標曲面，即將加工基準面與擬加工去除余量分布合成:

f(x，y，z)=f1(x，y，z)+ Δh(x，y，z)4)根據(jù)目標曲面f(x，y，z)和去除量分布Δh(x，y，z)進行加工工藝規(guī)劃，并生成數(shù)控加工程序，進行零件的逐點數(shù)字化可控加工。

一般來說，強性能約束類高性能零件加工中的反算模型涉及各約束間的耦合關(guān)系都非常復雜，反求計算屬于計算量龐大的數(shù)值尋優(yōu)過程，因此計算效率也是必須考慮的一個重要環(huán)節(jié)，研究采用高效穩(wěn)定的模型求解算法十分必要。當前的單純形法、序列線性或二次規(guī)劃方法、蒙特卡羅方法等都為高效求解算法提供了很好的選擇和參考。

圖2 第Ⅰ類高性能零件加工的基本過程Fig．2 The basic process of machining the first type of high performance parts

以性能要求特別高的天線罩加工制造為例，其電性能要求是制造的主要性能考核指標，它取決于天線罩的材料介電常數(shù)及其均勻性、幾何參數(shù)及偏差等多種誤差的綜合影響。因制造工藝的限制，介電常數(shù)和幾何參數(shù)誤差不可避免，尤其是前者對高電性能要求的影響特別突出，僅按幾何參數(shù)滿足設(shè)計要求制造的天線罩，大都會存在電性能超差的問題，且天線罩的電性能誤差以及根據(jù)電性能誤差反算出的天線罩加工余量分布都不相同，因此對每一個天線罩進行的精密加工也都呈個性化特征。筆者等與有關(guān)單位聯(lián)合，通過對硬脆材料復雜曲面高性能天線罩持續(xù)多年的研究，建立了天線罩幾何、物理和性能約束間的非線性耦合關(guān)系模型，突破了由性能偏差ΔΦ1求得幾何修正量分布Δh的精確反求理論難題，研究出該類零件幾何參數(shù)和電厚度測量方法和儀器、可以實現(xiàn)幾何修正量分布的數(shù)字化逐點可控去除加工方法及其專用的測量加工一體化工藝裝備;此外還研究出針對天線罩工作可靠性的強度篩選技術(shù)和裝備、黏接工藝技術(shù)和裝備，解決了相應型號類零件的高性能精密加工難題。

大型火箭共底構(gòu)件是火箭箭體的重要部件，由鋁合金蒙皮的上下底和中間蜂窩復合材料三件緊密貼合構(gòu)成準橢圓回轉(zhuǎn)面構(gòu)件，直徑達3 m以上(見圖3)。其制造是一個以大型不規(guī)則曲面為基準的配對型面接觸特性保證的加工過程，涉及基準面測量、數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)、采樣對象定位優(yōu)化、夾層復合材料加工變形機理、加工余量分布反算、刀位軌跡規(guī)劃和工藝規(guī)劃等流程，工藝實現(xiàn)難度大。筆者等與有關(guān)企業(yè)聯(lián)合，研制成功的蜂窩夾層—上、下底數(shù)字化加工技術(shù)與測量加工一體化工藝裝備，改變了我國以往全部由手工打磨研合修配、可靠性不高的現(xiàn)狀。

圖3 大型蜂窩共底構(gòu)件Fig．3 Large-scale honeycomb structure

飛機風洞實驗顫振模型的制造難點在于保證幾何相似的條件下，如何實現(xiàn)彈性和質(zhì)量分布也能夠精確相似的高性能制造。研究出高性能全復材顫振模型的制造技術(shù)及根據(jù)性能偏差反求修正量的方法和逐點可控修正加工工藝，解決了該類模型制造中性能偏差大、精度難以保證的難題，并研制出了滿足性能(幾何、彈性和質(zhì)量相似)要求的全復材全機跨音速顫振模型，成功進行了風洞實驗。

4 復雜結(jié)構(gòu)約束類高性能零件的精密加工

復雜結(jié)構(gòu)約束類高性能零件的高性能要求，需要通過特別復雜、超低剛度的大型復雜結(jié)構(gòu)和高的幾何精度保證，如整體葉輪、整體渦輪、大型火箭發(fā)動機噴管和火箭儲箱等。零件一般具有尺寸大、薄壁、易變形、去除量大、加工難度大等特點，有些零件的加工可達性差，只能采用低剛度的細長刀具進行加工。例如，火箭發(fā)動機噴管為保證傳熱性能，要求噴管冷卻槽剩余壁厚均勻，由于應力釋放和薄壁切削變形，在銑槽加工過程中噴管內(nèi)廓形持續(xù)變化，因此加工的難點在于銑削每個槽時都要測量噴管外廓形和壁厚。

此類高性能零件的精密加工是國際公認的復雜制造工藝難題之一，有時很難用經(jīng)典理論進行受力分析，易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動等問題。該類零件加工的關(guān)鍵在于實現(xiàn)零件的可達加工，并消除或補償加工系統(tǒng)弱剛度所致加工變形的影響，從而保證加工精度和提高加工效率。相應的關(guān)鍵技術(shù)包括:a．加工路徑規(guī)劃;b．加工動態(tài)銑削力預測;c．加工變形控制與補償。

在超低剛度零件切削加工中，制訂行之有效的路徑規(guī)劃策略和方法非常重要［4～6］。在路徑規(guī)劃中需要考慮的主要因素有:a．刀具可達性;b．加工效率與精度;c．刀具姿態(tài)。復雜曲面和型腔的加工是各向異性的，制約因素很多，其加工路徑規(guī)劃要考慮進給、抬刀、殘留高度、干涉、機床動力學特性和驅(qū)動能力等方面多層次的因素。例如，刀具的局部可達空間限制可能導致刀具姿態(tài)發(fā)生突然改變，必須對刀具姿態(tài)進行優(yōu)化并盡量采取前瞻策略。在加工精度和效率方面，針對待加工面的幾何形狀特點和不同的加工工藝，研究相適應的加工路徑拓撲幾何形狀有重要意義。例如，對于大面高速加工來說，具有最少抬刀的螺旋加工軌跡優(yōu)勢明顯，能夠發(fā)揮高速加工的特點并能提高加工效率;對于磨拋工藝，則具有多方向通過磨拋點的Peano軌跡(見圖4)最為適合。取得這種突破的關(guān)鍵在于豐富加工軌跡形式。然而，對于網(wǎng)格曲面、組合曲面和裁剪曲面，在規(guī)劃路徑上還多以截面線型路徑為主。

圖4 曲面上的Peano型加工軌跡Fig．4 Peano tool paths on a curved surface

基于能量泛函的定域和自由邊界協(xié)調(diào)映射路徑規(guī)劃方法［7，8］可在復雜曲面上生成等距和螺旋線等多種軌跡，有助于豐富軌跡設(shè)計形式，解決組合/裁剪/網(wǎng)格模型加工通常只能采用截面線軌跡的不足，從而為第Ⅱ類高性能零件測量加工一體化集成軟件的模塊開發(fā)提供基礎(chǔ)。該方法的核心是實現(xiàn)復雜曲面在平面域的映射，使規(guī)劃可以在平面上進行。映射可采用保角、保積映射及其組合等多種形式。對于定域映射，可采用的一種具體表達為:

其中:

式(2)中，η+ζ=1;ψ和φ為曲面上一點及其在展開平面上的對應點和為系數(shù);h為映射函數(shù);El為考慮長度變化的能量函數(shù);Ec為考慮角度變化的能量函數(shù)。圖4所示即為采用該方法生成的軌跡。

目前，為提高效率采用的五軸加工是典型的強力切削加工，具有切削力大、切削過程時滯及機床動力學特性時變的特點［9］，很難根據(jù)傳統(tǒng)的切削要素優(yōu)化切削工藝。當前的銑削力預測方法主要針對三軸銑削，未變形切屑厚度的計算公式大都基于圓弧假定，對自由曲面和五軸加工的預測模型非常少。

基于刀具運動學分析的銑削力預測新方法［10］為五軸加工仿真和提高預測精度提供了一種有效的途徑和參考。五軸加工時刀刃掃掠面為:

式(3)中，ρ為沿刀軸方向高度;C(ρ)為刀刃方程;t0(t)為該時刻路徑點;t為時間變量;θA和θC分別為刀具繞A軸和C軸的擺角;分別為擺頭節(jié)點坐標系在原點初始狀態(tài)下沿A軸和C軸的單位方向矢量;Rot為繞A軸或C軸的單位旋轉(zhuǎn)矩陣;B為刀具自身的單位旋轉(zhuǎn)矩陣;φ為刀具的旋轉(zhuǎn)角度。

于是，如圖5所示，在給定刀軸位置處的未變形切屑厚度為:

切向dFt、徑向dFr和軸向dFa微元切削力為:

式(5)中，m=t，r，a;φi，j(θ)為第 i個切削刃上第 j個微元刀刃在刀具轉(zhuǎn)角θ時的角度;Km為切削力系數(shù)(N/mm2);dA為微元切削載荷。

式(6)中，db表示微元刀刃的厚度。槽切加工實驗表明，這種切削力預測方法的最大誤差較國際通用模型方法可減少40%以上。

圖5 未變形切屑厚度計算示意圖Fig．5 Schematic diagram of undeformed chip thickness calculation

第Ⅱ類高性能零件的加工往往呈現(xiàn)出極差的切削性能和復雜工況，在切削力和切削熱的共同作用下，薄壁銑削過程中極易因剛度過低而產(chǎn)生讓刀，且隨著零件表層性態(tài)突變和切削剛性的變化容易發(fā)生切削振動與顫振［11，12］。合理的零件裝夾策略、夾具定位元布局、對稱切削等策略和恒定的切削力對于加工變形控制、顫振抑制和減少刀具磨損具有顯著作用。在薄壁側(cè)銑加工變形補償時，一般采用鏡像對稱補償?shù)仁侄螌庸ぢ窂胶偷毒咦藨B(tài)進行預先調(diào)整?；陬A測的銑削力，在有限元環(huán)境下可以得到工件變形量。若在t時刻切削位置處，沿徑向切深方向的刀具軸截面上經(jīng)有限元計算得到加工變形后的工件截形數(shù)據(jù)為，則逼近該截形數(shù)據(jù)的直線可由下面模型求得

對直線C0，()C依據(jù)理想接觸線做鏡像對稱，可進而得到用于變形補償?shù)男碌段弧?/p>

加工表面殘余應力的大小及分布對零件加工精度和疲勞性能有一定的影響，除受毛坯殘余應力、切削軌跡規(guī)劃、銑削力/熱因素影響外，銑削過程中不同金相組織在轉(zhuǎn)化中因比容不同而導致的組織應力也不容忽視［13，14］。

近年來，國際上在第Ⅱ類高性能零件加工方面取得了顯著的進展，并提出了高性能銑削的概念及其內(nèi)涵［15～17］，在整體渦輪葉輪及葉盤加工方面，也開始應用基于銑削力預測的工藝參數(shù)優(yōu)化［18，19］。筆者等通過研究及實際加工與對比，提出基于切削力精確計算模型和預測方法的工藝優(yōu)化策略和刀位軌跡優(yōu)化生成方法，不僅解決了以往軌跡設(shè)計形式單一、幾何操作復雜和間斷點多等問題，而且使五軸加工的切削力預測精度大幅度提高，并應用于大型壓縮機整體葉輪和大型火箭發(fā)動機噴管冷卻通道等的剩余壁厚加工中。在此基礎(chǔ)上研制出的噴管冷卻通道測量加工一體化專用五軸加工裝備，大幅度提高了該類零件的加工精度和效率。

5 難加工材料約束類高性能零件的精密加工

此類高性能零件的性能要求，是通過選用特殊的新型材料并伴以高的幾何精度要求來體現(xiàn)的，材料往往具有高強、高硬、超韌、超脆、超黏、耐熱、耐磨、耐蝕特征，大都屬于典型的難加工材料。如航空航天領(lǐng)域的碳纖維和金屬基復合材料構(gòu)件、鈦合金和高溫合金零件、核主泵密封偶件和陶瓷軸承等特種陶瓷類零件等。難加工材料類高性能零件加工技術(shù)的實質(zhì)就是研究采用新的加工方法和對零件加工幾何精度、表面完整性的主動控制技術(shù)，最終實現(xiàn)高效、低/無損傷的精密加工。發(fā)達國家對難加工材料的先進加工技術(shù)無不十分重視。因成分和性能各異，各種難加工材料的加工機理和方法也相差極大，只有把握其特殊性，才能研究并制定出相應的工藝方法以保證加工質(zhì)量和效率。高性能切/磨加工技術(shù)(包括加熱切削、低溫切削、真空切削、振動切削和超高速切削等)、特種加工技術(shù)(包括電加工、化學加工、高能束流加工等)及復合加工等非傳統(tǒng)加工技術(shù)是實現(xiàn)第Ⅲ類高性能零件精密加工的主要技術(shù)手段和關(guān)鍵。

鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料親和力強，熱導率低，在多軸聯(lián)動銑削時，切削界面處具有強烈的力熱耦合作用，切削過程具有大應變、高應變率、局部高溫等特點，材料的切削加工性很差［20～22］，加工表面層的殘余應力分布、表面紋理、冷作硬化狀態(tài)和亞表面層特性等對零件的抗疲勞性能、耐磨特性影響很大。在鈦合金等材料加工中必須要解決刀具磨損嚴重的瓶頸技術(shù)難題。雖然已有人研究低溫切削、超聲振動輔助切削、材料表面改性后切削等抑制刀具磨損的方法［23，24］，但目前尚未完全解決刀具磨損的機制等基礎(chǔ)理論問題，刀具磨損問題有待突破。在較高溫度下切削高溫合金時，刀具材料中某些元素(鎢、鈷、鈦、鈮等)將向工件及切屑中擴散，造成擴散磨損，因此在高溫合金、鈦合金切削中刀具材料與被加工材料的匹配也非常重要。

碳纖維/環(huán)氧樹脂(C/E)結(jié)構(gòu)復合材料因其獨特的輕質(zhì)、高強度、抗疲勞性能好等特性和優(yōu)點，在國防和航空航天等領(lǐng)域開始得到廣泛的應用。例如，飛機機翼、飛行器艙段、導彈發(fā)射裝置、運載器有效載荷支架等均大量應用C/E復合材料構(gòu)件。C/E復合材料加工制造中的開裂、隨機形變、撕裂、分層、毛刺缺陷等(見圖6)，以及加工中工具易磨損、壽命很低等問題突出，已經(jīng)成為影響復合材料構(gòu)件高使役性能的最大安全隱患。材料的層間非連續(xù)特性、難加工性、材料特性的分散性及隨機性翹曲形變，更加劇了數(shù)字化加工過程中構(gòu)件幾何精度與使役性能的不可控性。為此需要探索制造加工缺陷成因和抑制策略，從材料的加工切除力學行為、力熱耦合分析和毛刺缺陷產(chǎn)生機理研究入手，開展C/E復合材料高質(zhì)、高效加工(包括制孔、銑磨端表面等)新方法研究，并從工藝技術(shù)和裝備角度實現(xiàn)高性能復合材料構(gòu)件的數(shù)字化、高質(zhì)量、高效率加工，包括改變航空航天領(lǐng)域普遍使用手工制孔為高質(zhì)、高效的自動化制孔加工。

圖6 傳統(tǒng)硬質(zhì)合金鉆頭的鉆孔缺陷Fig．6 Drill hole defects aroused by using conventional carbide drills

在碳纖維復合材料艙段構(gòu)件端表面的磨削加工工藝中，材料允許的受熱溫度一般要求小于210～240℃。由于磨削工藝多采用干磨削方式，磨削過程產(chǎn)生的高溫對碳纖維復合材料構(gòu)件的內(nèi)在質(zhì)量影響很大。傳統(tǒng)的砂輪表面因磨粒隨機分布和較小的容屑槽，極易被碳纖維屑和樹脂屑堵塞，并惡化磨削溫度，反過來又進一步加速砂輪的堵塞和影響加工質(zhì)量。此外，根據(jù)被加工零件型面的幾何特性和加工余量的分布特點，研究與之相適應的砂輪廓形、材料、幾何參數(shù)、尺寸和結(jié)構(gòu)，制訂合理的工藝參數(shù)十分必要。同時，復合材料零件一般只能采用干式加工方式，防止工具過度堵塞十分必要，高精度磨削工具制造、測試和磨損問題以及對磨削機理的研究也有待進一步深入。

高性能復合材料構(gòu)件在西方發(fā)達國家的航空航天領(lǐng)域已經(jīng)大量使用，其加工制造工藝技術(shù)方面已經(jīng)較為成熟，但對這些工藝技術(shù)作為“Know-how”進行保密。我國對于這類零件的加工制造，還大量沿用傳統(tǒng)的加工工藝，以大量使用的制孔加工為例，國內(nèi)一直以手持工具加工為主。眾多學者在這方面進行了大量的研究，筆者等結(jié)合航空和航天企業(yè)對大型C/E復合材料加工工藝技術(shù)的需求，通過對加工機理的深入研究，開發(fā)出C/E復合材料低損傷高效加工的系列新工藝，建立了金剛石磨料多刃制孔刀具設(shè)計原則，研制出系列的新型加工工具(見圖7和圖8)和8種專用數(shù)控加工裝備［25～27］，并已在航空航天領(lǐng)域數(shù)家企業(yè)的產(chǎn)品研制和批量生產(chǎn)中得到成功應用。制孔質(zhì)量(見圖9)和效率都較原來的麻花鉆手工制孔大幅度提高，新型制孔工具的壽命也成倍提升。用微磨料群數(shù)字化可控排布的砂輪磨削碳纖維復合材料時的磨削溫度較傳統(tǒng)砂輪明顯降低(見圖10，砂輪轉(zhuǎn)速n=7200 r/min，磨削深度ap=0．02 mm，工件給進速度vw=600 mm/min，碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料磨粒:CBN，140/170目)，刀具磨損顯著減小，表面粗糙度也進一步改善。研制的多種大型復合材料構(gòu)件數(shù)控加工專用裝備，不僅解決了重要產(chǎn)品關(guān)鍵零件的高質(zhì)、高效和自動化加工難題，也使零件的加工質(zhì)量和效率大幅度提高，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

圖7 磨粒可控排布砂輪及其形貌Fig．7 Controllable abrasive arrangement of grinding wheel and its surface topography

圖8 系列金剛石磨料多刃工具Fig．8 Diamond abrasive tools with multiple cutting edges

圖9 一體化多刃工具鉆孔照片F(xiàn)ig．9 Holes drilled by an integrated multiple-cutting-edge tool

6 超高精度約束類高性能零件的精密加工

圖10 不同方法的磨削溫度比較Fig．10 Comparison of grinding temperatures generated by using different methods

超高精度約束類高性能零件，是指性能與幾何精度線性相關(guān)，其高性能主要通過零件的超高精度來保證的零件。此類零件往往還具有第Ⅲ類高性能零件的難加工材料特征。如單晶硅片、高能激光反射鏡、高性能KDP光學鏡片、碲鋅鎘光學窗口、核主泵密封偶件等。這類零件不僅是超硬、硬脆、軟脆等難加工材料，需要用金剛石磨粒技術(shù)或化學、高能等非傳統(tǒng)的加工原理進行加工，而且往往具有超高的精度要求。這類零件的超高精度主要表現(xiàn)在:超高幾何精度(亞微米和納米級面型精度)、超光滑(納米和亞納米級表面粗糙度)、高完整性(少/無損傷、低/無應力和高潔凈度)表面。

微電子、光電子技術(shù)發(fā)展對半導體和光電晶體基片加工精度、表面粗糙度和表面/亞表面損傷等要求已接近目前加工技術(shù)極限。例如，大規(guī)模集成電路用的大直徑硅片(300 mm)的表面總厚度變化TTV ≤ 0．1 μm，表面局部平整度 SFQD≤0．07 μm，表面粗糙度Ra≤0．1 nm，還要求無表面/亞表面損傷和殘余應力。具有優(yōu)質(zhì)非線性的磷酸二氫鉀(KDP)光學晶體是激光核聚變系統(tǒng)中不可替代的關(guān)鍵的光學倍頻轉(zhuǎn)換器和光電開關(guān)器件的材料，其加工要求極高，特別是激光損傷閾值要求達到15 J/cm2以上，目前的加工技術(shù)還難以實現(xiàn)。核主泵超硬陶瓷密封偶件在超高精度要求的基礎(chǔ)上，還要加工出動密封要求的最大深度僅10 μm左右的復雜曲面構(gòu)形。微電子制造光刻機的EUV光刻物鏡精度0．1 ～0．2 nm。

超高精度約束類高性能零件的超精密加工工藝與裝備作為國家制造業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)，絕大部分被發(fā)達國家壟斷。該類零件加工的核心問題可歸納為以下三點。

1)如何獲得高的幾何成形精度。要獲得超高幾何精度的零件，先要通過高的幾何成形精度和超精密加工工藝使零件獲得盡可能高的幾何精度和表面質(zhì)量;高的幾何成形精度依靠具有高運動精度的超精密加工機床來實現(xiàn);超精密加工工藝是與工件的材料屬性和幾何特征相匹配的精密高效加工方法，較為廣泛采用的是金剛石磨粒的微納加工方法。

2)如何獲得納米和亞納米級超光滑、高完整性表面。往往要求零件最終必須利用低/無應力的超精密光整加工方法進行加工。因此針對不同材料的高精度約束類高性能零件，需要研究和采用不同加工原理的超精密光整加工方法。

3)如何在高幾何成形精度基礎(chǔ)上通過微納米級的誤差修正加工獲得超高的幾何精度。僅依靠超精密機床的運動精度保障獲得零件的幾何精度是有限的，往往無法滿足其超高幾何精度要求，還必須通過對零件的實際幾何尺寸和形狀誤差進行測量并進行精密修正加工來實現(xiàn);需要利用逐點可控數(shù)字化精密去除加工的方法，根據(jù)反求出的加工駐留函數(shù)分布對加工過程進行控制，實現(xiàn)零件幾何尺寸和形狀誤差的消減以及表面質(zhì)量的不降低或提升。

由上述問題可以看出，超高幾何精度類零件加工的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點。

1)超高質(zhì)量表面的微納切削加工機理，特別是脆性材料的塑性(延性域)去除機制等，它是獲得高精度、高質(zhì)量表面的基礎(chǔ)。

2)基于非傳統(tǒng)方法的微納去除加工，或多種能量耦合的微納去除復合加工新原理、新技術(shù)，建立小/無應力去除加工獲得高精度、高質(zhì)量表面的新加工工藝，如化學/電化學加工、化學機械加工、高能束流加工等，是獲得超光滑、高完整性表面的關(guān)鍵。

3)納米級逐點可控去除的加工原理、方法、工藝技術(shù)體系及誤差消減加工成形方法，包括逐點可控去除加工的去除規(guī)律、根據(jù)工件實測的幾何誤差分布和擬采用加工方法的去除規(guī)律、求解加工過程控制的駐留函數(shù)等。

超精密磨粒加工(切削、磨削、研磨和拋光)技術(shù)是進行高精度、高質(zhì)量表面加工的最基本手段之一，加工精度已趨向于納米和亞納米級。此時的去除主要由磨粒刃尖局部切削完成，材料去除過程趨近于切斷原子間作用鍵的過程，加工中的材料變化規(guī)律與傳統(tǒng)切削狀態(tài)有本質(zhì)區(qū)別。因此，基于連續(xù)介質(zhì)力學理論的傳統(tǒng)的切削原理已不適合描述加工過程的各種介觀現(xiàn)象，如何從微觀角度研究微納米切削和磨粒加工時的材料微去除機理、超光滑表面形成機制已成為超精密磨粒加工技術(shù)進一步發(fā)展亟待解決的基礎(chǔ)理論問題。

在基于非傳統(tǒng)方法的微納去除加工和基于多種能量耦合的微納去除復合加工研究方面，通過引入物理、化學、電化學等非機械能，并利用加工區(qū)域局部的多能量耦合效應，降低機械作用對加工表面完整性的影響，發(fā)展出了多種新的高效率、低/無應力的高質(zhì)量表面加工技術(shù)。目前化學機械拋光(CMP)、無磨料化學機械拋光(AF－CMP)、電化學拋光(ECP)、電機械化學拋光(ECMP)、電泳拋光和游離磨料拋光等多種加工方法在超精密加工中得到深入研究和應用。尤其是CMP技術(shù)近年來發(fā)展迅速，已成為單晶硅等功能晶體類基片平整化加工和為消除表面缺陷層拋光加工的主要技術(shù)手段。

逐點可控數(shù)字化精密去除加工是通過對零件實測的幾何尺寸和形狀誤差，采取微納米級的誤差修正加工獲得超高的幾何精度，并同時獲得低/無應力的高質(zhì)量表面。對于EUV光刻物鏡等超高精度光學鏡片、核主泵陶瓷密封偶件等高精度約束類高性能零件的加工，它是目前唯一的精度再提高加工方法。典型的加工方法有:小束徑高能束流加工(激光束、離子束、電液束等)、小磨頭拋光、磁流體拋光、可控電化學機械復合加工等。但對于軟脆晶體類零件的加工，這些方法由于存在磨粒嵌入和表面污染，還無法滿足表面質(zhì)量的要求。

筆者等以12英寸(1英寸=2．54 cm)硅晶片為主要對象，建立了一個以大尺寸功能基片超精密加工研究為主，條件達國際一流的實驗室，并利用自己研制的單顆金剛石磨粒磨削實驗裝置，實現(xiàn)了劃痕微納米深度(超長劃痕長深比＞105，深度0～1 μm連續(xù)變化)、表面微觀形貌及亞表面損傷變化的精確觀測，結(jié)合分子動力學仿真等理論研究，揭示了單晶硅脆性—延性磨削轉(zhuǎn)變機理，確定了低損傷磨削的臨界條件，開發(fā)出低損傷超精密磨削硅片的新工藝、化學機械平整化和拋光工藝(CMP)、新型砂輪和相應的裝備技術(shù)［28～31］。磨削出12英寸硅片表面粗糙度Ra＜0．5 nm，損傷深度＜10 nm，表面質(zhì)量已接近CMP拋光水平;超薄化磨削硅片最小不破碎厚度達20 μm［32］。突破表面質(zhì)量和面形控制、恒力進給等超精密磨削關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)首次設(shè)計并與企業(yè)聯(lián)合承擔“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝”國家科技重大專項課題，研制出了12英寸硅片超精密磨床樣機［33］。

在軟脆晶體材料加工方面，對可控約束劑層刻蝕加工、可控水解機械復合加工等無磨料的新原理加工方法進行了探索研究，開發(fā)出固結(jié)磨料研磨和無磨料化學機械拋光新工藝，可以有效解決碲鋅鎘和KDP等軟脆晶體磨拋加工易產(chǎn)生微裂紋、劃痕和磨粒嵌入等表面損傷難題，加工出的碲鋅鎘和KDP基片表面粗糙度 Ra ＜2．2 nm［34，35］。

7 結(jié)語

我國目前在航空航天、動力、能源等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芰慵莫毩⒅圃炷芰捌浜诵募夹g(shù)提出了迫切需求，在國家需求牽引下，我國已在高性能復雜曲面加工方面積累了一批研究成果，但在總體上仍需在高性能零件加工理論及技術(shù)實現(xiàn)方法上取得突破。高性能零件性能與幾何參數(shù)一體化精密加工技術(shù)著眼于零件加工制造中的關(guān)鍵性能指標保證問題，從強性能約束、復雜結(jié)構(gòu)約束、難加工材料約束和超高精度約束四個方面，建立零件性能參數(shù)與幾何物理參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，提出基于高性能要求、集性能與幾何要求于一體的新加工原理和方法，實現(xiàn)基于高性能零件加工參數(shù)的定制，從而把對加工中約束耦合作用的定性認識轉(zhuǎn)化為對加工行為的定量控制，以解決高性能零件精密加工成品率低及性能再提高的難題。

高性能零件的性能與幾何參數(shù)一體化精密加工避免了已有的試湊法和校對式加工方式的不足，是一種應用新加工方法與新技術(shù)來實現(xiàn)逐點可控數(shù)字化加工的主動加工方式，這種主動控制不僅體現(xiàn)在加工去除量的可控性上，而且體現(xiàn)在給予性能提升、性能與精度一體化的加工過程可控上，以滿足高性能零件的加工需求。這種主動加工模式的一個顯著特點是在少量實驗的基礎(chǔ)上借助于建立在約束耦合作用分析基礎(chǔ)上的擬實計算模型和方法，揭示加工制造過程的本質(zhì)，快速獲取所需要的加工余量或加工參數(shù)數(shù)據(jù)，提高對產(chǎn)品加工制造過程的預測和優(yōu)化控制能力，實現(xiàn)高性能零件的可制造性和性能可預測性分析。高性能零件的數(shù)字化可控加工多需要測量、建模、去除量反求計算、逐點數(shù)字化可控去除加工、評價一體化系統(tǒng)技術(shù)和專用加工裝備作為支撐，因此對構(gòu)成系統(tǒng)的相關(guān)單元技術(shù)均提出了較高的要求。隨著數(shù)字化測量技術(shù)和現(xiàn)代裝備制造技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，以及對加工中約束耦合作用機理認識的不斷深入，高性能零件數(shù)字化可控加工技術(shù)將會得到不斷的發(fā)展，應用也會越來越廣泛。

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