一、简述
❶ 用于精细加工的加工中心，尺寸公差需在1/100mm—1μm。
❷ 精细加工在[1]主轴旋转数、[2]主轴的热对策、[3]机械构造的热对策、[4]组装精度、[5]定位精度和[6]应对长期变化方面，有别于一般加工。
❸ 碌碌产业株式会社是日本加工中心领域的佼佼者。其生产的高端机器“Android II”的主轴旋转数高达6万转/分，振动精度也保持在了1μm以下。
❹ 通过灵活运用超声波辅助用套件，能够实现“利用加工中心对陶瓷和玻璃进行精细加工”的目标。
二、精细加工中的机床创新
切削工具和机床是精细加工的基础。这一节，我将以机床为重点，围绕机床的典型代表——加工中心展开内容。加工中心是一种装有切削工具，使之高速运转来加工工件的机床（图1）。换句话说，它是一种装有ATC（自动工具更换设备）和CNC（数控）设备的铣床。加工中心常用于一般加工，但在精细加工中也非常重要。
图1 日本碌碌ROKU-ROKU Vision系列
三、精细加工用加工中心的不同之处
市面上常见的加工中心多是用于普通加工作业的，尺寸公差一般在3/100mm—1/100mm之间。而用于精细加工的加工中心，要求的尺寸公差在1/100mm—1μm。
用于一般加工和精细加工的加工中心在构造上主要有以下6点不同之处：
[1]主轴旋转数
用于一般加工的加工中心的主轴旋转数为1万-2万转/分，而精细加工所使用的加工中心要求达到4万转/分钟以上。因为要想使用小直径工具，必须确保周速、提高工具周围的切削刃与被切削材料的相对速度。近年来，越来越多的工具通过高速旋转来完成工作，比如CBN（立方氮化硼）和PCD（多晶烧结金刚石）等，这也对主轴旋转数提出了更高要求。
[2]主轴的热对策
所有机床都会受到热量影响，高速旋转的主轴部分受到的影响最大。用于一般加工的加工中心如果连续加工作业数小时，就会在Z轴方向上延伸5μm-10μm。因此，使用一般加工用加工中心进行精细加工时必须定期修正工具，也因此无法长时间进行精细加工。
当使用尺寸公差为微米（μm）级别的、用于精细加工的加工中心时，需要通过安装主轴冷却装置来防止主轴受热延伸，这种装置中循环流动着大量的冷却油。此外，还设计有应对受热位移的构造。
[3]机械构造的热对策
铁的温度每上升1℃，每米尺寸就会产生1/100mm的变化。因此，如果按照正常设计，加工中心的主轴部分和各种驱动部分会膨胀，这将对加工精度产生不利影响。因此，除了防止自身产生热量，制造商同时也在构思一种“即使产生热量也能阻止其影响加工精度”的机械构造。在这种机械构造的基础上，制造商还从多个方面采取措施来防止热量带来的影响，如安装隔断机械本体与外部空气的高机密性的阻隔设备等。
[4]组装精度
用于一般加工的加工中心的零件接触面多为研磨加工面。与切削加工相比，研磨加工的表面粗糙度、几何公差都更精确，但无法达到较高的平面度。高平面度需要依赖手工作业进行刮磨。因此，用于精细加工的加工中心的零件接触面大多需要借助手动刮磨来提高平面度。
此外，需要组装的零件越少，组装所产生的累积误差越少。因此，有时即使分割生产零件更划算，工厂也会想办法采用整体生产的方式，以减少组装所产生的累计误差。
[5]定位精度（重复定位精度）
有些机床，即使能够在控制装备上以1μm为单位进行定位，也很难保证实际工作中，机械能够按照设定来运作。用于一般加工的加工中心在定位上会产生几微米的误差。使机床的定位精度保持在1μm的水平是一项艰巨的任务。同等规格下，维持这种定位精度的精细加工用机床要比一般加工用机床贵2倍。日本也仅有几家生产企业能够在商业基础上制造出这种高精密机床。
为了实现高定位精度（重复定位精度），必须确保高组装精度。同时，数控方面要采用闭环控制。这种控制方式利用精密标尺来检测位置并反馈给控制设备。
[6]应对长期变化
金属一经加工就会积聚内应力。经过长年使用，这种内应力会导致精度产生偏差。这一现象被称为“长期变化”，多采用铸造生产的车床部位尤其容易发生长期变化。为了预防，以往欧洲企业生产高级机种时，会将车床沉浸在湖水中两年左右，待其除去内部应力后再用于组装。
现在，没有工厂再采用“将车床沉浸在湖水中数年”的生产方式。一般高精度机器的车床或铸造零件会采用通常不会使用的高昂的真空热处理等，以彻底去除内应力。瑞士生产的高端机器从一开始就没有使用过铸造零件，其机床的车床采用花岗岩来预防长期变化，非常有特色。
只看目录，很难理解
不仅是加工中心，有些机床在构造上的差异是无法单凭商品目录上记载的规格去了解的。例如，[4]组装精度及[6]长期变化就无法体现在商品目录中。尤其是[6]长期变化，在测试切削中也体现不出来。在选择用于精细加工的机床时，除了机床生产商的实际业绩及测试切削结果以外，还需要从多方进行了解，如向实际使用机器的用户了解其口碑等。
同时兼顾主轴旋转数与热精度·热位移
在加工中心领域，碌碌产业株式会社（总部位于日本东京）作为精细加工的专业生产企业，主力工厂位于日本静冈县烧津市，其产品被多家承接精细加工的加工企业所采用。我之前提过，用于一般加工的加工中心的主轴旋转数为1万-2万转/分，而用于精细加工的加工中心的主轴旋转数要达到4万转/分以上。然而，碌碌产业的高端机器“Android II”达到了6万转/分。更令人惊讶的是，在这种高速旋转下，其主轴的振动精度在整个转速范围内也能保持在1μm以下。
高速旋转时，主轴与主轴马达会产生大量的热，很容易沿机械的X轴、Y轴向Z轴方向发生热位移。而该机器在X轴、Y轴方向上采用了双重冷却，有效避免了热量传达到铸造零件的风险（图2）。另，碌碌产业还在排热、断热、构造上下功夫，将主轴发热所造成的热位移控制到不足1μm。
图2:日本碌碌ROKU-ROKU “Android II”的主轴构造
采用双夹套方式来抑制热位移，冷却油的温度控制幅度为±0.1℃。（图片来源：碌碌产业株式会社）
当然，Z轴方向上无论采取什么降温措施，也无法将热位移减小为零。因此，碌碌产业采用的主轴构造不是抑制延伸的绝对量，而是在快速延伸后维持其稳定。
延伸后的位移不足1μm。为了适应精细加工，碌碌产业的高端机器不仅实现了6万转/分的高速旋转，同时成功地将与高速旋转相斥的振动精度·热位移控制在
1μm以下。这意味着碌碌产业解决了一个极高难度的技术性课题。
四、实现纳米级别定位的“手工刮研”
高精密机床的线性刻度的分辨率通常为50nm（纳米），超精密机床的线性刻度分辨率小于10nm，而“Android II”的分辨率为0.25nm。因此，“Android II”的出厂定位精度达到了0.5μm（微米）。这种超高精度的实现，得益于手工刮研过的零件，它的平面标准在机械加工以上，并且能够抑制精细加工中的“振动”问题。
通过机械加工进行平面研磨时，无法消除表面的纹理。如果想打造绝对平面，就必须依赖手工刮研。碌碌产业就在面与面连接所形成的各个地方进行了刮研作业（图3）。
图3：刮研作业的情形（图片来源：碌碌产业株式会社）
利用手动刮研来辅助定位精度达到纳米级别的精细加工用加工中心，这种做法非常有趣。日本的精细加工技术，就是由这些身怀卓越技能的工匠支撑起来的。
五、通过超声波对陶瓷进行螺孔加工
说起精细加工中所使用的材料，过去常见的有金属材料，如钢、铝合金、不锈钢和其他特殊钢等。此外，还有树脂材料。然而近年来，使用陶瓷及玻璃等脆性材料来应对耐久性、耐热性、耐腐蚀性、绝缘性和可视性要求的情形越来越多。
脆性材料具有较高硬度，并且具备上述优异特性。但另一方面，它也很容易坏，很难利用加工中心和普通的切削工具进行加工。也就是说，脆性材料无法像金属材料和树脂材料那样非常自由地进行加工，使用会受到限制。
在这种情况下，超声波辅助处理方法引起了人们的关注，这是一种使用超声波进行切削加工的技术。一直以来，人们研究过各种各样的使用超声波进行切削的加工方法。其原理，是在超声波振动的基础上，在超声波领域内使切削工具的切削刃按照切削方向高速振动（图4），从而使切削刃能够重复高速且极富冲击性地切入/撤离工件的循环。超声波辅助加工方法是指利用这种循环一点一点地进行切削处理的方法。
图4:超声波辅助加工的原理（来源：一关工业技术学院机械工程学原研究室、Plus Engineerin
超声波辅助加工具备以下特征：
[1]能够降低切削阻力；
[2]能够减少摩擦从而抑制发热；等。
可以获得以下效果：
· 提高表面粗糙度；
· 提高加工精度；
· 延长工具寿命；
· 使难切削材料加工变得更容易。
将用于超声波辅助的主轴套件安装到市面上销售的加工中心上，就可以使用加工中心对陶瓷和玻璃进行精细加工了（图5）。
图5:装有超声波辅助用套件的加工中心（图片来源：Plus Engineering株式会社）
用于螺孔加工的金刚石研磨颗粒电镀工具
氧化锆陶瓷的螺纹孔加工实例
石英玻璃的螺纹孔加工实例（M2 x深12）
图6:陶瓷和玻璃的螺孔加工实例（图片来源：Plus Engineering株式会社）
近年来，移动设备和各种设备上所使用的电子零件进一步朝着小型化·精细化方向发展。而其在生产过程中，确定用于吸附电子零件进行处理的喷嘴的位置越来越难，必须使用可见度较高的玻璃来制作吸附喷嘴，然后隔着喷嘴、利用图像处理等技术进行定位。此时，正需要一种能够在典型的脆性材料——玻璃上精密地穿凿细孔的技术。
能够解决这一难题的，就是超声波辅助加工技术。图7为Plus Engineering株式会社（总部位于日本东京）对石英玻璃进行加工的实例。这是吸附喷嘴的样品，其中心处打了一个直径为0.3mm±0.01mm、深度为5mm的细孔。此外，Plus Engineering还成功完成了M1.6的小直径螺纹加工和直径0.3mm、0.5mm的精细交叉孔加工，没有产生任何毛刺和碎屑。
<样品图纸>
图7:对玻璃进行精细加工的实例（图片来源：Plus Engineering株式会社）
以往，利用加工中心对陶瓷和玻璃进行精细加工几乎是不可能的。而现在，通过灵活使用超声波辅助用套件能够实现这个目标。随着物联网（IoT）的发展，电子零件越来越小型化·精细化，其正以可视性较高的玻璃喷嘴等我们难以想象的方式，使难切削材料的加工需求越来越高。
六、提问
提问：我们就讲到这里。你碰到过精细加工方面的哪些技术难题？你是怎么处理的？
欢迎留言与大家分享。
日本碌碌ROKU-ROKU
项目经理 邓生
公众号：精密技术与设备
日本碌碌ROKU-ROKU Android II（60000转）
特色
结构：龙门立式
主轴：油雾润滑式 / 陶瓷滚珠轴承高转速主轴；主轴热分离系统（H.I.S） Z轴平衡气缸
传动：全轴水平对向安装直线电机 ；0.25纳米光栅尺+全闭环反馈
精度：公差/±0.003mm 光洁度/10纳米（气浮式）
规格
型号:Android-Ⅱ
行程:450*350*200mm
刀库:20支 (选件40支/ 60支/100支) HSK-E25
主轴转速：3000-60000/min（轴承式）3.5kw ；1000-60000/min（气浮式）5.6kw
应用领域
1、镜面高精度铜公（精度0.005mm以内铜电极）；
2、超微细孔加工（芯片测试夹治具/探针卡/IC SOCKET）；
3、光学镜头模具加工（光学模具）；
4、医疗微回路导流沟（微流控芯片模具）；
5、高光洁镜面加工；
6、硅胶防水保护膜模具；
7、微型VCM马达模具（音圈马达模具）；
8、刀粒钨钢模具（粉末冶金高精度模具）；
9、车灯模具（导光条模具）；
重量:5,800Kg返回搜狐，查看更多
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