数控超精密加工精度控制研究

程艳

（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603）

数控超精密加工精度控制研究

程艳

（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603）

随着相关技术的不断发展，数控加工已经成为未来工业生产的主要模式。为此，如何提高数控加工的精度成为了社会的关注重点。基于上述背景，本文以数控超精密加工为核心对象，对比研究不同精度控制模式的优劣，并对其未来发展进行展望，旨在为后续的工艺优化与超精密加工设备升级提供必要的理论指导。

超精密加工；影响要素；TOPSIS模型；应用评价

超精密加工是工业实力的综合体现，如何控制加工精度及其稳定性是一个世界性难题。基于这个问题，本文对现阶段不同的加工控制方式进行探究，旨在找到不同的影响因素与评价方法，为后续的应用提供展望。

1 超精密加工概念及其研究进展

精密加工是现代工业的核心追求，同时也是企业、地区，甚至是某国家科技能力的综合体现。为此，针对自动化背景下的超精密加工成为了现阶段的研究热点。在针对数控超精密加工精度控制方面的研究主要集中在软硬件两个方面，其中硬件研究更为深入。在硬件研究体系中，我们发现，超精密加工精度的控制影响因素多元化成为了其具体控制的障碍。为此，本文以数控超精密加工为主要研究对象，对其中的加工精度控制体系进行研究，并探究其在未来的可能技术突破，旨在为后续的相关实践与科研提供必要的理论基础与实践指导。

2 超精密加工要求及影响要素

精密加工是指被加工物件的外部尺寸与表面光滑程度能够达到精准的要求，随着设备的不断完善，业内普遍将加工精度达到纳米级的相关加工操作定义为超精密加工。从现有的技术来看，超精密加工体系的最小操作层级为1X10-1nm，即单原子直径。此种加工精度能够满足包括小原子金属材料在内的一切材料的精细加工，并保障表面粗糙度（Ra）合规，具体包括如下三个方面：

第一，在超精密切削加工阶段：超精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术，其加工表面粗糙度Ra可达到几十纳米。在此加工阶段，机械控制精度与材料选择之间的互动对加工结果具有显著的影响［1］。

第二，在超精密磨削加工阶段：超精密磨削是指以利用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮以及高性能磨床实现材料高效率去除、加工精度达到或高于0.1nm，加工表面粗糙度Ra＜0.025µm的加工方法［2］。磨具（砂轮）的指标系数与机械结构对于加工精度具有直接影响。

第三，在超精密抛光加工阶段：超精密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减少或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法。

3 超精密加工精度控制对比及其评价研究

达到更高的精度是工业进程发展的必然结果，也是现阶段的最高追求。而从现有的理论与实践而言原子水平的超精细加工（0.1～0.2nm量级）是人们的极限，此种加工精度将不再是单一的设备稳定性与精密度的关系，而是材料自身的属性所决定的［3］。为此，针对超精密加工则向着稳定性、工业指向性精密度等方向发展，并逐步形成了多元化、多手段的超精密加工体系。本文选取了若干种数控超精密加工途径与方法对其具体的不同工业目的加工精密度进行研究，具体结果如下表1所示。可以看出，不同的精度控制模式对于具体的加工精度以及表面粗糙程度具有显著的影响，其中以精度范围来进行排序，磨削方式最佳，其精度可以达到12～30nm，且最佳精度可以达到原子级别；其他控制模式在精度上表现也相对较好；而在稳定性方面结果表现则有着很大的出入，其中精度最高的磨削方式在表面粗糙程度上表现并不理想，仅为25～30［4］。

表1 不同加工模式对精密度的影响

根据上述的分析，我们不难发现在精度控制体系中，加工精度、加工稳定性（Ra）是其主要的评价指标；此外，加工尺寸与连续性也是其后续生产的客观保障。为此，本文引入TOPSIS模型对不同加工方式进行评价。该模型来源于非单一权重的多平行指标评价系统，可以为具体的工艺选择提供可靠数据依据，其公式可以表现为如下形式：

在公式1中，Y代表最终TOPSIS模型输出结果，范围为0～1，结果越大则遵从度越高；Vj为第j个指标的权重系数，为正数权重系数均值，为权重系数倒数均值；m代表指标总量，在本文的分析中m=4。该体系内的不同指标权重通过调查问卷与理论参数进行设定，分别为加工精度（0.35）、加工稳定性（0.35）、加工尺寸（0.15）与连续性（0.15），代入上述客观指标获得综合评价示意图（如图1）：

图1 不同数控超精密加工精度控制方式评价结果示意图

由图1我们可以看出非球面磨削控制质量最高，为3.85；其他控制手段得分分别为磨削（3.38）＞五轴曲面磨削（2.22）＞车削（1.72）＞切削（1.18）。

4 结论

本文对数控超精密加工精度控制体系进行研究，按照不同工段与方式的加工精度分布及其具体的影响节点进行分类总结，并根据其各自的加工精度特征，结合TOPSIS模型对其进行评价。发现，非球面磨削控制质量最高，在工程实践中具有推广价值，也是后续相关实践与科研的优化的主要方向。最后，希望通过本文的研究能够为今后的相关体系研究及其具体的技术突破奠定理论基础与实践指导。

［1］左晓舟，姜峰，张燕，惠刚阳，刘欣.高精密标准镜头定心装调技术研究［J］.应用光学，2014（06）：1035-1039.

［2］焦翔，朱健强，樊全堂，李养帅.大口径光学元件精密加工温差分析及控制方法［J］.中国激光，2014（11）：291-298.

［3］王晓军，陈壮，任衍涛.刀尖安装误差对非回转对称曲面加工精度影响的研究［J］.兵器材料科学与工程，2014（06）：9-13.

［4］刘琳琳.机械零件精度加工中的计算机仿真模拟分析［J］.化学工程与装备，2015（08）：170-172.

Research Progress And Future Prospect Of NC Ultra Precision Machining Precision Control

CHENG Yan
（Anhui Vocational College of Water Resources and Hydropower，Hefei Anhui 231603）

With the continuous development of related technology，NC machining has become the main mode of industrial production in the future.Therefore，how to improve the accuracy of the numerical control processing has become the focus of the society.Based on the above background，this paper takes the numerical control ultra precision machining as the core object，and compares the advantages and disadvantages of different precision control mode，and the future development of it is aimed at providing the necessary theoretical guidance for the follow-up process optimization and ultra precision machining equipment.

Ultra precision machining；impact factor；TOPSIS model；application evaluation

TG659

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.071

1672-7304（2015）04-0148-02

安徽省高等学校省级质量工程项目“数控技术专业综合改革试点”（2013zy127）。

（责任编辑：黄 密）

程艳（1979-），女，安徽淮南人，讲师，研究方向：机械工程。