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【摘 要】机械技术是机电控制系统最重要的基础技术。本文主要阐述了现代机械设计与制造工艺、精密加工技术与微机械技术等技术问题。
【关键词】机械制造；工艺；精密加工
机械技术是机电控制系统最重要的基础技术。近些年来，各种新兴技术快速发展，传统机械技术也受到严峻挑战，它的主要支柱，如机械设计、制造工艺等出现了重大的变化，这些为机电控制系统的运用创造条件。
1、机械设计与制造工艺
1.1 机械设计
机械设计技术主要包括产品结构设计、工艺设计、材料选用及设计理论和方法等。目前，传统的机械设计技术和方法，已不能满足现代生产实践的需要。例如，汽轮机叶片结构设计、数控机床设计、高效节能电机设计等，一般的机械设计技术已很难实现设计要求。如高度自动化的数控机床，在生产加工中不能实施人工补偿和调整，应在设计上采用新结构、新材料，保证机床结构及工艺中的高精度、高刚度、微少热变形和良好的精度保持性。现在，设计方法已由直觉设计、经验设计发展到现代设计。设计方法是在设计的各个阶段应用先进理论和有效方法，解决设计中遇到的各类问题。现代设计涉及系统工程、仿真技术、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计(CAD）、动态载荷和模态分析等内容。它是应用现代信息技术，进行科学思维，有效利用设计方法。提高了设计的水平、设计质量和设计效率，促进了机械设计技术的高速发展。
1.2 制造工艺
（1）高效率。这是现代制造技术的一个重要特征。制造工艺的高效可缩短加工周期，提高加工速度。如：冷加工工艺，一般采用三种方法：①提高切削速度。因涂层刀具、TiC硬质合金刀具、陶瓷刀具和金刚石刀具等一批高性能刀具的使用，高速切削的线速度可达10m/s以上。②采用新的加工工艺。对一些性能特殊、不易加工的材料，要采用新的加工工艺，比如在振动和加温过程中进行切削；应用激光、电火花、化学腐蚀等方法进行加工。③实行集中加工方法。加工中心等设备集各类加工于一体，在计算机控制条件下，完成对工件的各种切削加工，缩短了加工周转时间和辅助时间。
（2）高精度。精度对计算机科学、国防、航空航天、核工业、制造产业等技术领域的发展做出的贡献重大。
（3）高柔性。加工的柔性化是机械技术发展的重要方向。加工柔性化是加工品种的多样性，加工的灵活性和多适应性。各类程控、数控机床和工业机器人等高度自动化设备的出现，使柔性制造系统成为现实。柔性制造系统分为柔性制造单元、柔性制造自动线和柔性制造系统，它们都是以数控设备为基础的，以自动运储系统连接，由计算机控制的能加工多品种零部件的自动化生产系统。它的出现有力推动了机械制造工艺的发展。
制造工艺对高精度的要求，使得传统机械技术与新兴技术相结合，形成了现代机械技术的重要发展方向，即精密机械技术，包括精密加工技术和微机械技术。
2、精密加工技术与微机械技术
2.1 精密加工技术
（1）精密切削技术。目前，直接用切削方法获得高精度仍然是一种常用方法。但是，要用切削方法获得高精度和高水平的表面粗糙度，必须排除机床、刀具、工件和外界等因素的影响。比如，为了提高机床的加工精度，要求机床具有高的刚度，小的热变形和良好的抗振性能。这就要求采用更先进的技术，如空气静压轴承、精密陶瓷导轨、微驱动和微进给技术、精密定位技术、精密控制技术及其他先进技术。当然，提高机床主铀的转速也是行之有效的办法。现在超精密加工机床的转速已从每分钟几千转提高到几万转。
（2）模具成型技术。据相关资料显示，汽车、飞机、电机、仪表及家电产品的1/3以上零部件是用模具加工出来的，预计近几年产品粗加工的3/4和精加工的1/4将由模具来完成。模具成型的关键是如何提高模具本身的加工精度。它已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志之一。电解加工工艺可以使模具达到微米级精度，并能有效地解决工件的表面质量问题。数控电火花成型机床能可靠地解决电极自动更换相重复定位精度间题，有利于复杂型腔的加工。
（3）超精密研磨技术。用于集成电路基板的硅片，其表面粗糙度要求达到1~2mm，需要进行原子级的研磨抛光。用传统的磨削、研磨和抛光等方法已很难满足。为此，采用各种新原理、新方法的超精密研磨就应运而生。比如，包括弹性发射加工和流体动压型悬浮研磨的非接触研磨；利用机械加工液，促进化学反应的机械化学研磨。这些新的研磨原理和方法，将为超精密研磨做出贡献。
（4）微细加工技术。为了满足电子元器件体积越来越小，运行频率越来越高，能量消耗越来越小的要求。日本利用超微细离子技术，在半导体上的加工精度达到了几百个埃的水平。
（5）纳米技术。它是一个多学科交叉的学科，是现代物理和先进工程技术结合的产品。纳米机械技术发展十分迅速。它能在硅片上刻写几个纳米宽的线，这表明信息存储的数据密度能提高几个数量级。
2.2 微机械技术
目前，微细加工技术已从一维、二维的平面结构发展到三维立体结构，这为微机械制作打下了良好的基础。
（1）微机械驱动技术。微机械技术能不能进入更广泛的应用范围，驱动技术是个关键。现在一般运用静电力学原理的静电动机和压电元件制成的微驱动器，其动作响应快、精度较高、易于操作。
（2）微机械传感技术。微机械除了要求传感器微型化，还要求它具有更高的分辨率、灵敏度和数据密度。目前，用大规模集成电路技术已能生产如力传感器、加速度传感器、触觉阵列传感器等微型传感器。而为了适应微机械的特点和要求，已在研究开发无源传感器、复合传感器及驱动、传感合一的集成部件。
（3）微机械使用的材料技术。先前一般用硅材料，易于断裂，现已改用镍来代替硅制作微型齿轮。目前，用于制作微机械的材料有金属、高分子材料、记忆合金、压电陶瓷和多晶硅等多种。
（4）微机械的制造工艺技术。集成电路制造技术不适合制作微细的立体结构元件，而LIGA技术也只能加大微机械的厚度，所以，在要求作三维加工和组装时，仍需研究制造立体新工艺，加工、光造型法工艺。现在正在开发的有微放电工艺和微机械的装配工艺等。微机械技术的研究涉及控制技术、能量传输等，要进行多学科的协作才能形成微机械的技术体系。
【关键词】机械制造；工艺；精密加工
机械技术是机电控制系统最重要的基础技术。近些年来，各种新兴技术快速发展，传统机械技术也受到严峻挑战，它的主要支柱，如机械设计、制造工艺等出现了重大的变化，这些为机电控制系统的运用创造条件。
1、机械设计与制造工艺
1.1 机械设计
机械设计技术主要包括产品结构设计、工艺设计、材料选用及设计理论和方法等。目前，传统的机械设计技术和方法，已不能满足现代生产实践的需要。例如，汽轮机叶片结构设计、数控机床设计、高效节能电机设计等，一般的机械设计技术已很难实现设计要求。如高度自动化的数控机床，在生产加工中不能实施人工补偿和调整，应在设计上采用新结构、新材料，保证机床结构及工艺中的高精度、高刚度、微少热变形和良好的精度保持性。现在，设计方法已由直觉设计、经验设计发展到现代设计。设计方法是在设计的各个阶段应用先进理论和有效方法，解决设计中遇到的各类问题。现代设计涉及系统工程、仿真技术、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计(CAD）、动态载荷和模态分析等内容。它是应用现代信息技术，进行科学思维，有效利用设计方法。提高了设计的水平、设计质量和设计效率，促进了机械设计技术的高速发展。
1.2 制造工艺
（1）高效率。这是现代制造技术的一个重要特征。制造工艺的高效可缩短加工周期，提高加工速度。如：冷加工工艺，一般采用三种方法：①提高切削速度。因涂层刀具、TiC硬质合金刀具、陶瓷刀具和金刚石刀具等一批高性能刀具的使用，高速切削的线速度可达10m/s以上。②采用新的加工工艺。对一些性能特殊、不易加工的材料，要采用新的加工工艺，比如在振动和加温过程中进行切削；应用激光、电火花、化学腐蚀等方法进行加工。③实行集中加工方法。加工中心等设备集各类加工于一体，在计算机控制条件下，完成对工件的各种切削加工，缩短了加工周转时间和辅助时间。
（2）高精度。精度对计算机科学、国防、航空航天、核工业、制造产业等技术领域的发展做出的贡献重大。
（3）高柔性。加工的柔性化是机械技术发展的重要方向。加工柔性化是加工品种的多样性，加工的灵活性和多适应性。各类程控、数控机床和工业机器人等高度自动化设备的出现，使柔性制造系统成为现实。柔性制造系统分为柔性制造单元、柔性制造自动线和柔性制造系统，它们都是以数控设备为基础的，以自动运储系统连接，由计算机控制的能加工多品种零部件的自动化生产系统。它的出现有力推动了机械制造工艺的发展。
制造工艺对高精度的要求，使得传统机械技术与新兴技术相结合，形成了现代机械技术的重要发展方向，即精密机械技术，包括精密加工技术和微机械技术。
2、精密加工技术与微机械技术
2.1 精密加工技术
（1）精密切削技术。目前，直接用切削方法获得高精度仍然是一种常用方法。但是，要用切削方法获得高精度和高水平的表面粗糙度，必须排除机床、刀具、工件和外界等因素的影响。比如，为了提高机床的加工精度，要求机床具有高的刚度，小的热变形和良好的抗振性能。这就要求采用更先进的技术，如空气静压轴承、精密陶瓷导轨、微驱动和微进给技术、精密定位技术、精密控制技术及其他先进技术。当然，提高机床主铀的转速也是行之有效的办法。现在超精密加工机床的转速已从每分钟几千转提高到几万转。
（2）模具成型技术。据相关资料显示，汽车、飞机、电机、仪表及家电产品的1/3以上零部件是用模具加工出来的，预计近几年产品粗加工的3/4和精加工的1/4将由模具来完成。模具成型的关键是如何提高模具本身的加工精度。它已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志之一。电解加工工艺可以使模具达到微米级精度，并能有效地解决工件的表面质量问题。数控电火花成型机床能可靠地解决电极自动更换相重复定位精度间题，有利于复杂型腔的加工。
（3）超精密研磨技术。用于集成电路基板的硅片，其表面粗糙度要求达到1~2mm，需要进行原子级的研磨抛光。用传统的磨削、研磨和抛光等方法已很难满足。为此，采用各种新原理、新方法的超精密研磨就应运而生。比如，包括弹性发射加工和流体动压型悬浮研磨的非接触研磨；利用机械加工液，促进化学反应的机械化学研磨。这些新的研磨原理和方法，将为超精密研磨做出贡献。
（4）微细加工技术。为了满足电子元器件体积越来越小，运行频率越来越高，能量消耗越来越小的要求。日本利用超微细离子技术，在半导体上的加工精度达到了几百个埃的水平。
（5）纳米技术。它是一个多学科交叉的学科，是现代物理和先进工程技术结合的产品。纳米机械技术发展十分迅速。它能在硅片上刻写几个纳米宽的线，这表明信息存储的数据密度能提高几个数量级。
2.2 微机械技术
目前，微细加工技术已从一维、二维的平面结构发展到三维立体结构，这为微机械制作打下了良好的基础。
（1）微机械驱动技术。微机械技术能不能进入更广泛的应用范围，驱动技术是个关键。现在一般运用静电力学原理的静电动机和压电元件制成的微驱动器，其动作响应快、精度较高、易于操作。
（2）微机械传感技术。微机械除了要求传感器微型化，还要求它具有更高的分辨率、灵敏度和数据密度。目前，用大规模集成电路技术已能生产如力传感器、加速度传感器、触觉阵列传感器等微型传感器。而为了适应微机械的特点和要求，已在研究开发无源传感器、复合传感器及驱动、传感合一的集成部件。
（3）微机械使用的材料技术。先前一般用硅材料，易于断裂，现已改用镍来代替硅制作微型齿轮。目前，用于制作微机械的材料有金属、高分子材料、记忆合金、压电陶瓷和多晶硅等多种。
（4）微机械的制造工艺技术。集成电路制造技术不适合制作微细的立体结构元件，而LIGA技术也只能加大微机械的厚度，所以，在要求作三维加工和组装时，仍需研究制造立体新工艺，加工、光造型法工艺。现在正在开发的有微放电工艺和微机械的装配工艺等。微机械技术的研究涉及控制技术、能量传输等，要进行多学科的协作才能形成微机械的技术体系。