機床工具領域的尖端技術
迎來納（nà）米時代的磨削、研（yán）磨加工
隨著IT關聯產品、汽車、家電等工業製品的不斷發展，高性能磨削、研磨加工的重要性日益增大。對於（yú）生產技術人（rén）員來說，高精度化、高效率化和自動化是永遠的主題。磨削、研磨技術的研究開發成果推動著（zhe）工業產品的更新，正（zhèng）腳踏實地向前發展。
（1）磨削、研磨技術的重要性日益增大
如今幾乎已普及到所有家庭的個人電腦（PC）所配（pèi）備的硬磁盤（pán）（HDD）過去是在超精密機床上用單晶金剛石刀具切削加工。近年來，磁盤麵記錄密度的年增長率達到100％，實（shí）現了每1平（píng）方英寸達1G的記錄密度。這一（yī）技術是在經磨削加工後的鋁合金基盤上鍍上（shàng）無電解NIP薄膜，再通過研磨（mó）加工使其表麵平滑而得以實現的。而高性能加工技術的進步，也使得基（jī）盤材料（liào）從鋁合金（jīn）更換為（wéi）剛性比更高的矽酸鋁玻璃、晶化玻璃等（děng），因此，磨（mó）削、研磨加工的重要性也更（gèng）大了。
（2）高精度化
直（zhí）線電機剛開（kāi）始開發時，因（yīn）其能實現高速加工（gōng）而備受（shòu）矚目。但近年來，使用直線（xiàn）電機的目的已（yǐ）逐漸轉向高精度化。也就是說，在直線電機的（de）諸（zhū）多優良特性中，很高的（de）定位精度和圓弧插補精度尤其令人刮目相看。其原因（yīn）是非接觸式的驅動係統沒有傳統伺（sì）服電機旋轉減速用（yòng）的齒（chǐ）輪副（fù）、滾珠絲（sī）杠、耦合件等各種機械因素引起的誤差，以及直線電機必然（rán）采用閉路控製。
今後，高精度化加工技術的發展將（jiāng）日益加速。在精密加工中，最重要的加工之一是高精密平麵的加工。尤其是（shì）在精密測量儀器、光學儀器、矽片等超精密加工領域，要求加工出無（wú）限（xiàn）平滑（huá）的表麵。為此，機床製造商開發（fā）出了超精密平麵磨床，在采用獨立的（de）可變靜壓滑板技術實現高剛性加工的同時（shí），又實現了即使（shǐ）存在偏載荷，油（yóu）膜厚度也不（bú）會發生（shēng）變化（huà）（工作台不發生傾斜），磨削平麵度達到lμm/m2。此外，加工表麵（miàn）通（tōng）過拋光（guāng）可以實現（xiàn）0.03μm/m2的平麵度（dù）。為了實現高精度加工，就必須克服熱變（biàn）形。具體來說，需要盡可（kě）能減少來自驅動電機和軸承、導向麵等的加工（gōng）發熱。此外，為了不使加工中的工件發生熱（rè）變（biàn）形，還需（xū）要（yào）控製（zhì）在加工點產生（shēng）的熱量和來自工件表麵的汽化熱。為此，該超精密平麵磨床（chuáng）配置了既恒溫又恒濕（shī）的隔離罩，作為完整的係統加（jiā）以商品化。
（3）高效率化
加大砂輪進給量、降（jiàng）低工件進給速度的間歇（xiē）進給磨削技術與使用電沉積磨輪的高（gāo）圓周速度磨（mó）削技術相結合（hé）而形成的（de）HEDG（High Efficient Deep-Cut Grinding）磨削技術在歐洲（zhōu）已經（jīng）實用化了（le），但在日本還幾乎（hū）無人采用。另一方麵（miàn），減小砂輪進給量、提高工件進給速度的快走刀磨削（xuē）（高速（sù）往複式磨削）在金屬（shǔ）模具加工等行業（yè）正逐漸成為成型磨削的（de）主流。這種磨削加工方法通過曲柄、液壓伺服裝置或直線電機增加單位時間的工作台往返次數（對行程較短的工件（jiàn）也可以采用砂（shā）輪連續進（jìn）給），從而可以大幅度（dù）提高加工效率，也適用於金屬模具穿孔等短行程磨削。該（gāi）方法的缺點是工作台反轉（zhuǎn）時的高（gāo）加/減速運動容易引起振動，需要設法加以抑製。為此，可以采（cǎi）用減（jiǎn）輕工作台重量、加重底盤、進行加/減速（sù）控製以及（jí）進行平衡（héng）等方法。快走刀磨床已被許多平麵磨床生產廠家看（kàn）好，認為可以進（jìn）行商品化開發，今後將成為金屬成型磨（mó）床的主流。
（4）小型化和環保（節能）化
在以前的JIMTOF（日本國際機床展覽會）上，各廠家展出的小型機床很受矚（zhǔ）目，主要原因在於：為了（le）適（shì）應多品種、小批（pī）量（liàng）生產，需要靈活改組（zǔ）生產線，因此迫切需要統一機（jī）床的寬度。而且機床小型化可以帶來許（xǔ）多預期的利好（hǎo），如縮短（duǎn）生（shēng）產線長度、減少占用空（kōng）間、容易變（biàn）更生產線、提高工廠內部的信（xìn）息傳遞等。
某家公司推出了“節省能源和空間”的概念（niàn）機種。該磨床占地麵積不到普通磨床的40％，尤其是（shì）寬度尺寸縮小至1200mm以下。一般來（lái）說，占地麵積縮小不便於維修保養，但該磨床將維修（xiū）保養部分集中到機器的前後，提高了維修（xiū）便利性。此外，該公司將磨削液供給量削減（jiǎn）了50％（加工有的工件（jiàn）甚至可削減99％），減小了對環境的影響。
為了實現（xiàn）磨（mó）床小型化（huà），需要減小砂輪直徑。為（wéi）了（le）不降低砂輪速度（dù），需要采用超高速主軸（zhóu）技術。該磨床減小了砂輪交換頻度，也減薄了（le）砂輪厚度，因此基本上用於輪廓加工。此外，為了節省空間，軸驅動（dòng）係統采用了（le）不需要齒輪（lún）箱的直線電機驅動，而且（qiě）通過程序更換按（àn）鈕，一次操作（zuò）即可自動調整中心（xīn）距。
（5）複合化
某廠家（jiā）采用立軸磨削技術和車床技術，開發出了融磨（mó）削與切削於一體（tǐ）的小型複（fù）合磨床，通過一次裝夾工件，就可（kě）以高精度、高（gāo）效率地完成從車削加工（gōng）到圓筒、內表麵的磨削精加工。由於立軸磨床比橫軸磨床寬度更（gèng）窄，因此（cǐ）更容易編（biān）入生產線。人們期待該複合磨床能盡快投入商業化生（shēng）產。其他（tā）各種複合機床（如激光加工與磨削加工（gōng）的複合（hé））也在（zài）開發（fā）之中。
隨著經濟全球化的不斷發展，越（yuè）來越多的機床開始出口到語言與（yǔ）文化完全（quán）不同的國家和地區。作為耐用資產的機床，其維修保養和定期檢查不可或缺。因此，用視頻圖像來表示報警的位置（zhì）及內容（róng）的功能、利用互聯網對機床（chuáng）進行自動監測等也成了重點技（jì）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（fā）展和產品小型化、複（fù）合化、集成化的背景下，為（wéi）了實現微細複雜（zá）形狀和微（wēi）型構件的加（jiā）工，發端於超精密車（chē）床的超（chāo）精密加工（gōng）機床正向自由度更多的多軸控製超精密（mì）銑床（chuáng）和多軸控製（zhì）超精密加工中心發（fā）展。由於控製技術的進步，超精密加工機床及加工技術也獲得了很（hěn）大進（jìn）展（zhǎn）。
（1）何（hé）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確複映到工件上的（de）加工方法，其特點是用刀具的刀尖切削工（gōng）件，製成所需形狀（zhuàng），即根（gēn）據機床的“母性”原理在運動（dòng）中實現複製。
製作（zuò）微細形狀的過程被稱（chēng）為微細加工（或微細機械加工）。眾所周知，微細加（jiā）工（gōng）可以使用半導體製造（zào）技術，也可以使用微電子機械（xiè）係統（MEMS）。但是（shì），采用光學和（hé）粒子束加工技術並不擅長加工斜麵和曲麵形狀，對（duì）被加工材料也有一定限製。就此而（ér）言，金剛石切削雖（suī）然（rán）屬於傳統機械加工，卻能夠應用於幾乎所有材（cái）料，因此所起的作用很大。
源於超精密車床的超精密加工機床正向具有（yǒu）更多自由度的多軸控製超精（jīng）密銑床和超（chāo）精密加工中心轉變，主要用於加工需求量（liàng）很大的CD傳感器透鏡及其金屬模具、隱形鏡片、菲涅耳透鏡等具有複雜形狀的微（wēi）型構件。由於微電子（zǐ）和光電技術的快速（sù）發展以及對（duì）產品小型化、複（fù）合化、集成化的要求，人們對這些（xiē）產（chǎn）品的加工（gōng）效率十分關注。
（2）何謂多軸控製加（jiā）工（gōng）
通過控製機床的直線運動軸、旋轉軸（zhóu）等軸係，巧妙地（dì）調節刀具（包（bāo）括（kuò）旋轉（zhuǎn）刀具和非旋轉刀具）與工件的位置與姿（zī）勢，就可以加工（gōng）出各種各（gè）樣的工件形狀。與普通機床一樣，超精（jīng）密（mì）機床大多（duō）也由構成直交坐標係的X、Y、Z三個直（zhí）動軸和在其周圍的A、B、C三個旋轉軸構成，為了使刀具在工件加工點附近可處於任意位置（zhì）和姿勢，就需要對6個軸（zhóu）全部實施控製。此時刀具不（bú）能作自由旋（xuán）轉運動，所以需要使用非旋轉刀具。而（ér）使用旋轉刀具（jù）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（duō）軸控製。一般的（de）加（jiā）工很少同（tóng）時進行5軸或6軸控製，但為了不進行重（chóng）新設定就一（yī）次完（wán）成對複雜形狀的加工，或工件加工部位以外（wài）的（de）部分與刀（dāo）具發生幹涉時，多（duō）軸控製加工就必不可少。
（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密加工中心的結構可以根據將刀具和工件沿進給軸以納米精（jīng）度（dù）進行定位的結構（gòu）來加以區分（fèn）；也可以通過是采（cǎi）用集成在電機上的絲杠來傳遞驅動（絲杠又可分為滾珠絲杠和靜壓絲杠），還是采用直接驅動方式的直線電機來區分。為了實現低摩擦、高直線度地（dì）移動工作台，被驅動工作台的（de）導向方式也可分為滾動導軌和靜壓（油、空氣）導軌（guǐ）。對於旋轉部分和軸承也同（tóng）樣如此。
現在有幾種（zhǒng）強調操作方便性和加工性能的超精密五（wǔ）軸控製加工機床已經上市銷售，其（qí）定位精度（dù）一般都達到了1nm。
為了超精密加工帶有自（zì）由（yóu）曲麵等的三維複雜微細形（xíng）狀，需要有（yǒu）作為旋轉刀具的微小直徑金剛石球頭（tóu）立（lì）銑刀，但這種（zhǒng）刀具在市場上並無銷售，所以在數十（shí）年前，使用的是將微小直徑單晶金（jīn）剛石刀頭（tóu）切去片側，從旋轉軸中心略微偏移（偏置）的刀具（稱為近似球頭立銑刀）。但是．如果通過多軸控製可以（yǐ）實現刀具的傾斜加工以避免零（líng）速度切削，那（nà）麽也就（jiù）不需要采用偏置了。現在，已（yǐ）不需（xū）要使用近似球頭立銑刀，而是使用常規球頭立銑刀通過多軸控製對帶有複（fù）雜（zá）曲麵的微小工件進行超精密加工。曲麵加工所需的NC數據可（kě）利用（yòng）三維CAD係統或對模（mó）型進行（háng）掃描測量來獲得。
（4）對未來超精密加工的（de）要求
加工機床的精度正從納米級向超納米級過渡。今後對超精密加工的要求包括日（rì）益微型化的刀具及其安裝換刀技（jì）術的開發、便於操作的微細加工用三維CAM與誤差補償技術，以及硬脆材料加工技（jì）術。
第二代激（jī）光加工技術
激（jī）光加工（gōng）作為一種新（xīn）型加工技術被廣泛應用於製造業已經有1/4世紀。激光加（jiā）工技術是（shì）作為傳統熱加工的替代技術發展（zhǎn）起來（lái）的，隨後又開發出了獨立的激光加（jiā）工技術。激光加工機床與加（jiā）工技術就像車子的兩個輪子。現（xiàn）在評述一下（xià）仍在不（bú）斷獲得顯著進步的激光加工機床和加工技術的（de）發展動向（xiàng）及今後的展望。
（1）激光振蕩器與加工技術的（de）變遷
激光誕生於1960年。隨（suí）後，在60年代至70年（nián）代（dài）前半期，集中出現了許多應用於產業的激光發明。激光應用技術的探索幾乎（hū）是與激光（guāng）的誕生同時開始的。將激光應用於加工（gōng）的初步研究主要於70年代在研究機構和大學開展。以80年為分水嶺，出現了日本國產的激光加（jiā）工機，標誌著產（chǎn）業界的激光時代已（yǐ）經到（dào）來。
激光加工技（jì）術（shù）將光的波長由原（yuán）來的紅外光領域進一步擴大至紫外光領域，並成功地將脈（mò）衝震蕩時間縮為極短，進一步擴大了新的應用可能性（xìng）。激光加（jiā）工因應用可能性的不斷擴大與可持續發展性，在很短時期內便作為一種主要加工技（jì）術在產業界紮下了根。最近，以德（dé）國為中心，開發出（chū）了新的激光振蕩（dàng）器，並於2003年前後投入市場。此前的激光熱加工在其發展過程（chéng）中伴隨著高功率化也有不少技術改進，但隨（suí）著波長（zhǎng）和脈衝縮短所引發的新的加工技（jì）術的崛起，可以說激光加工（gōng）技術現在已進入了第二代。
（2）第二代激（jī）光加工技術
傳統（tǒng）的加工用激光主要使用CO2激（jī）光、YAG激光基波以（yǐ）及準分子激光等。這些激光都在實現高（gāo）功率化，裝置的性能也在不斷提高。近10年來，二（èr）極管激光已實現了陣列化、存儲棧化和高功率化，使（shǐ）直接使（shǐ）用激光進行加工成為可能（néng），而高功率化又使高速加工成為可能。與此相比，第（dì）二代新型激光加工（gōng）使（shǐ）用由YAG基波、鈦藍寶石等形成的超短脈衝激光、由YAG高次諧波形成的短波長激光、KrF準分子激光等，使利（lì）用紫外光進行加工成為可能（多用於（yú）微細孔加工、開槽加工和表麵改性等）。加工對象和材料也擴大（dà）到各種金屬和矽、聚合物、玻璃、陶瓷等非金屬材料，以及鋁、鈦、鎂等有色金屬（shǔ）薄膜。激光加工已從大件加（jiā）工擴展到微細加工，其應用範圍還在繼續（xù）擴大。
（3）激光加工的發展動向
在歐美，對（duì）材料加工進（jìn）行理論性研（yán）究、開發新的加工（gōng）概念以及各種基礎性（xìng）探（tàn）索方興未（wèi）艾。飛秒級超短脈衝（chōng）激光等的應用雖然蘊藏著無限的可能（néng）性，但從短期來看，快速實現高功率化仍然可望而不可及。可（kě）以預期，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。從這個意義上來講，將激光應用於（yú）表（biǎo）麵處理和表（biǎo）麵改性是最值得期待的領域之一。
另一方麵，在生產現場應用激光加（jiā）工技術（shù）的實用化研（yán）究也在如火如荼地開展，其中既有提高激光加工效率以獲得高生產效益的研究、激光高（gāo）精度控製技術的開發、激光發生裝置（zhì）的高性能化、準確控製激光的光學技術，也有包括軟件和機器（qì）人（rén）等硬件在內的（de）加工控製技術等，這（zhè）些研究正致力於開發能（néng）將激光加工理論確實變為生產（chǎn）手段的共性（xìng）基礎技術。
激光厚板加工技（jì）術也在快速發展。應用於機床等的工業用激（jī）光技術的開發也十分活（huó）躍。以德國為中心，開發出了用於汽車工（gōng）業的“遠距離激光”、“掃描射線”等（děng）新的激光焊接方法。
（4）激光（guāng）加工的未來
在加工技術（shù）日新月異的發展中，要開發（fā）新技術，就必須對各種加工現（xiàn）象、對加（jiā）工性能有影響的各種因素的相互關係、加工現場激光與材（cái）料的相互作用等有透徹的了解，為此需要從多方麵進行跨學科（kē）的探索。
因為激光的加工手段是光能（néng），因此需要進行“光管理”，從光的發生到傳送、聚光等，都（dōu）必（bì）須正確掌握和管理（lǐ）光的特性。隨著模擬技術和監控技術的進一步智（zhì）能化，有可能實現更加（jiā）準確的計算機預測。
出於經濟性和加（jiā）工效率的考慮，現有的各種激光發生裝置將會在用途上有所限定，一些低效率的裝置將會被（bèi）逐漸淘汰。雖然現在流行的各種（zhǒng）激光加工技術（shù）五花八門（mén），但（dàn）在加工用途上，應該說波長選擇的時代即將來臨。在不久的將來，“飛秒加工（gōng）”等目前尚處於萌（méng）芽性（xìng）的研究將逐步變（biàn）為實用化研究，甚至有一部分將廣泛應用於生產實際。
激光加工技（jì）術的發展需要“光發生技術”、“光控製技術”和“光利用技術”的強有力支持，激光加（jiā）工是這些技術相互作（zuò）用的拓展（zhǎn），並在很大程度上（shàng）與這些技術相互依存和相互影響。激光技術（shù）潛在可能性之廣闊將通過新的激光不斷湧現（xiàn）而得以進（jìn）一步顯現。加工技術雖然樸實無華，但貴在持續，新的發展寓於其持續性（xìng）上。蘊藏著極大（dà）可能性的激光加工技術對（duì）於生產（chǎn）技術的發展（zhǎn）至關重（chóng）要。
