1.1 精密与特种加工的产生与特点

第一次世界大战以后，车削、镗削和铣削等机械切削加工技术已经比较广泛地应用于机械制造中，机械化、半自动化装备开始进入车间，机械制造实现了工业化规模生产。从20世纪30年代末开始，许多工业部门，尤其是国防工业部门对产品的要求逐渐向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密超精密零件大量出现，其形状越来越复杂，材料的强韧性越来越高，零件精度、表面粗糙度、完整性和某些特殊要求也越来越高，对机械制造部门提出了新的要求如下：

① 解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。

② 解决各种特殊复杂表面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣及锻压模和注塑模的立体成型表面，各种冲模、冷拔模上特殊截面的型孔，炮管内膛线，喷油嘴、栅网、喷丝头上的异形小孔、窄缝等的加工。

③ 解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、精密光学透镜、激光核聚变用的曲面镜、高灵敏度的红外传感器等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1μm以上，表面粗糙度要求在Ra 0.01μm以上。

④ 解决特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、复印机和打印机的感光鼓、微纳米级特征尺度零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。

要解决上述加工问题，仅依靠传统的切削加工方法是很难实现的。于是，人们一方面深入研究和揭示机械能在切削加工中的新的作用形式及其机理，以大幅度提高加工精度和表面质量；另一方面探索机械能以外的电能、化学能、声能、光能、磁能等能量形式在加工中的应用，以开发出新的加工方法。精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。例如，为解决国防装备用大型光学零件的高精度镜面加工问题，美国开发了基于金刚石刀具的超精密切削技术。又如，1943年苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的有害现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉，开创和发明了电火花加工方法，并用铜丝在淬火钢上加工出小孔，实现了用软的工具进行硬金属材料的加工，首次摆脱了传统的切削加工思想，直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。由于这些加工方法不使用常规刀具对工件材料进行切削加工，为了区别于金属切削加工，人们将这类加工统称为特种加工，国外称为非传统加工（Nontraditional Machining，NTM）或非常规机械加工（Nonconventional Machining，NCM）。

精密与特种加工是一门多学科融合的综合加工技术，要获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备及工艺装备、检测方法、工作环境和人的技艺水平等。精密与特种加工技术与系统论、方法论、计算机技术、信息技术、传感器技术、数字控制技术的结合，促成了精密与特种加工系统工程的形成。

精密与超精密加工，不是指某一特定的加工方法，也不是指比某一给定的加工精度高一个量级的加工技术，而是指在机械加工领域中，某一个历史时期所能达到的高一个量级或最高加工精度的各种精密加工方法的总称。精密与超精密加工的精度界限，不同的时代与科学发展阶段，有不同的标准。例如，在瓦特时代发明蒸汽机时，加工汽缸的精度是用厘米来衡量的，所以能达到毫米级的精度即为超精密加工。从那以后，大约每50年加工精度便提高一个量级，进入20世纪以后，大约每30年提高一个量级，如图1-1所示。目前，如果从零部件的加工精度来划分的话，通常将加工精度在0.1～1μm、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工方法称为超精密加工。也可以从被加工部位发生破坏和去除材料大小的尺寸单位来划分各种加工。物质是由原子组成的，从机械破坏的角度看，最小则是以原子级为单位（原子颗粒的大小为几埃（oA）（1 oA=10-8cm）的破坏。如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的加工技术称为超精密加工。如果用去除材料的大小尺寸单位来区分各种加工，可分为四种情况（龟裂、位错、晶格破坏、原子级破坏等），如图1-2所示。精密加工的范畴包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工的关系十分密切。

与切削加工不同，特种加工不是依靠比工件材料更硬的刀具、磨具和主要借助机械能作用来实现材料去除的，而是有自己内在的本质特点：

① 不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量形式（如电能、化学能、光能、声能、热能等）去除材料。

② 工具硬度可以比被加工材料低。

③ 加工过程中工具和工件之间无明显的切削力作用。

总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且擅长于加工复杂、微细和低刚度等特殊几何或性能特征的结构与零件。此外，不少特种加工方法还是超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工的重要手段。

特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，还可以采用复合加工方法。近年来，复合加工的方法发展迅速，应用十分广泛。目前，许多精密和超精密加工方法采用了激光加工、电子束加工、离子束加工等特种加工工艺，开辟了精密和超精密加工的新途径。一些高硬度、高脆性的难加工材料和刚度差、加工中易变形的零件等，在精密加工和超精密加工时，特种加工已经成为必要的手段，甚至是唯一的手段，形成了精密特种加工技术。

图1-1 加工精度的发展趋势

图1-2 去除单位与其相关因素

随着精密与特种加工技术的发展，尤其是电加工、光学刻蚀加工等技术的长足发展，促进了硅加工技术的出现，从而使加工技术也进入一个新纪元，逐渐形成了以“高速、高效、精密、微细、自动化、绿色化”为特征的现代加工技术体系。