1 超精密制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1. 在尖端技術(shù)和產(chǎn)品的需求下服球，開拓新的加工機理茴恰，進入到納米級和亞納米級加工精度。
2. 在國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的需求下斩熊，進入國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場往枣，提高國家的經(jīng)濟實力。如汽車制造粉渠、計算機分冈、通信網(wǎng)絡(luò)、光盤渣叛、家用電器等均緊密依賴于超精密制造技術(shù)的支持丈秩。
3. 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科交叉淳衙、復(fù)合加工技術(shù)的特點日益突出蘑秽，精密加工和超精密加工不僅作為一門獨立的學(xué)科發(fā)展，而且會以更多的交叉學(xué)科形式出現(xiàn)箫攀，甚至形成新的學(xué)科肠牲。例如：精密特種加工技術(shù)煞精、納米制造技術(shù)等就包含了多種學(xué)科。超精密制造技術(shù)的發(fā)展將促進國民經(jīng)濟主要領(lǐng)域和高技術(shù)各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展厌棵。

2 影響表面加工質(zhì)量的若干因素分析

圖1分子動力學(xué)模型

1. 分析模型與理論
   納米級超精密切削一般指切削深度為0.1—5nm治队、Ra≤10nm的超精密切削過程胯绢。在此切削狀態(tài)下，刀具和被切件的切削參數(shù)特征是原子鼻肉、分子尺度瓦式。因此，納米級超精密切削過程的研究涉及到材料組成的非均勻系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換荡拌、結(jié)構(gòu)變化砰普、分子動力學(xué)和熱力學(xué)過程，以及在非線性狀態(tài)下的機械加工過程陕匿。

   1. 分子動力學(xué)模型
      分子動力學(xué)仿真的基本原理是建立一個粒子系統(tǒng)對所研究的微觀現(xiàn)象進行仿真，系統(tǒng)中各分子間的相互作用根據(jù)量子力學(xué)來確定克锣。分子動力學(xué)仿真的核心問題是計算相關(guān)粒子的力學(xué)性能茵肃，其基本假設(shè)如T：(1) 所有粒子的運動都遵循經(jīng)典牛頓力學(xué)規(guī)律；(2)粒子之間的相互作用滿足疊加原理袭祟。分子動力學(xué)模型如圖1所示验残。
      對于粒子數(shù)為n的物理系統(tǒng)，其力學(xué)描述的哈密頓形式可以寫為

      	(1)
      	(2)

      哈密頓函數(shù)量為

      (3)

      式(1)～(3)中巾乳，qi您没、P_i分別為第i個粒子的廣義坐標(biāo)和動量，m_i為該粒子的質(zhì)量胆绊，U為系統(tǒng)的總勢能函數(shù)氨鹏。該系統(tǒng)力學(xué)描述的牛頓方程形式為

      ri=Fi(ri)/mi，i=1,2,…,n	(4)
      Fi=-iU(r1,r2,…,rn)	(5)

      式(4)压状、(5)中仆抵，F(xiàn)_i是第i個粒子所受到的合力；r_i是該粒子的位置坐標(biāo)种冬。
      在分子動力學(xué)仿真中镣丑，勢函數(shù)的選擇非常重要，它決定了計算工作量和計算模型與真實系統(tǒng)的近似程度兢努。在計算中應(yīng)針對不同材料同時考慮多原子價鍵之間相互影響和量子效應(yīng)等因素選擇相應(yīng)的勢函數(shù)漂岔。
   2. 基于分子動力學(xué)的位錯理論
      基于分子動力學(xué)的位錯理論分析為揭示晶體中各種現(xiàn)象的本質(zhì)提供了有效的方法，位錯實質(zhì)上是原子的一種特殊組態(tài)贞卜，其形成原因比較復(fù)雜辰想。依據(jù)位錯理論的研究表明，位錯的運動和交互作用是形成斷裂源的主要原因饵臀。形成位錯的主要機理如下：

      1. 位錯塞積理論 由斯特洛(Stroh)提出绞宿，是指位錯塞積引起應(yīng)力集中插涛，最后形成類似楔狀裂紋源，增大楔厚直至形成裂紋鞋伸。
      2. 位錯反應(yīng)理論 這是Cottrell根據(jù)位錯反應(yīng)規(guī)律提出一個能量消耗更小的裂紋成核模型叉弱。該理論提出在兩個相交的滑移面中運動的位錯沿著交線匯合而形成裂紋的位錯反應(yīng)機制。
      3. 滕田位錯銷毀理論 在兩個滑移面上艰欲，有兩列不同符號的刃型位錯庐冤，在切應(yīng)力作用下發(fā)生相對位移，當(dāng)兩滑移面間距＜10個原子間距時破罐，它們就合并銷毀而形成裂紋泡徙。
      4. 螺型位錯裂紋機理 螺型位錯得到割階，割階產(chǎn)生孔洞膜蠢，孔洞發(fā)展成為裂紋核心堪藐。
      分子動力學(xué)模型和位錯理論的研究表明，如果僅從斷裂機理研究挑围，在超精密切削中其斷裂層面是分子量級的表面形貌礁竞。如按一般材料，其斷裂層面厚約0.01- 1nm杉辙。因而模捂，在表面粗糙度Ra為10 nm數(shù)量級的超精密切削中，其斷裂層面質(zhì)量對加工件表面質(zhì)量影響不占主要因素蜘矢。但是狂男，在超精密加工已經(jīng)進入到納米數(shù)量級后，它就成了重要的影響因素品腹。
2. 表面質(zhì)量影響因素的研究
   在超精密切削加工中岖食，影響加工表面質(zhì)量的因素很多，加材料的切削性能舞吭、主軸運動精度县耽、溜板運動精度、自振與隔振问锋、刀具與冷卻徒浸、切削參數(shù)以及環(huán)境條件等。這些因素就是以其復(fù)雜的規(guī)律影響著工件的加工過程描琉，這些因素的規(guī)律也均具有分形的性質(zhì)躯琐。如果表面粗糙度為集合B，其它的影響因素為子集A_i穴厅，A₂囊古，A₃，A₄...(i＝l盹火，2狠压，3司终，...)。則A₁相品，A₂卧他，A₂，A₄..A_i對加工表面粗糙度的影響等都含在集合B中品山。從式(6)可知胆建，A_i各因素的影響幅度可由分形規(guī)律進行分析和處理。

   (6)

   納米級超精密加工表面質(zhì)量和許多因素有關(guān)肘交，其表面參數(shù)的分形特性也和各因素規(guī)律的分形特性有關(guān)笆载。無論從交集和并集的角度分析，在加工過程中相關(guān)各因素均將以不同的程度影響著最終的加工表面質(zhì)量涯呻。如果是并集凉驻，N_ij表面分維數(shù)與各因素分維數(shù)遵守式(6)，如果屬于交集复罐，則遵守下式：
   

   (7)

   表面粗糙度提高的必要條件是其分維數(shù)的降低沿侈，降低表面粗糙度分維數(shù)的主要措施是降低分維數(shù)高的組成部分的分維數(shù)。
   根據(jù)分形理論的討論市栗，從式(6)、(7)可知咳短，集合的分維數(shù)不會大于子集中最大的分維數(shù)填帽。
   實際情況也是如此，高精度數(shù)控車床和超精密車床不同的地方是所采用的床身不同咙好、溜板不同蔗须、地基不同。超精密車床采用的是高精度減振地基命丑、大理石床身和氣體靜壓溜板玛耿，所以振動的衰減很大，表面加工質(zhì)量高君订。高精度車床采用的是鑄鐵床身漱蔬、滑動導(dǎo)軌溜板，末加地基減振處理溪失，所以分維數(shù)大语诈。
   分形理論是對非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一種比較逼近真實性的分析方法，特別是其不依賴于特征尺寸的對微觀結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果桃逆，對分析加工機理有重要意義察颅。
   對于被加工表面織岡貞次郎給出了表面粗糙度與分維數(shù)關(guān)系的理論公式，在一定條件下有

   Rq～Wr-(2-D)

   (8)

   式中：R_q為表面粗糙度均方根偏差贫莹，Wr為測量尺度叫质。
   由式(8)可知京挖，表面粗糙度均方根偏差R_q是隨著測量尺度(或測量分辨率)W_r的變化而變化的，它是一個建立在測量分辨率基礎(chǔ)上的相對量物喷。而分維數(shù)D是獨立于分辨率來表征表面特性的卤材，是刻畫被加工表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜程度的。在相同的測量分辨率條件下脯丝，分維數(shù)D越小商膊，則表面粗糙度均方根偏差Rq也越小。
   表面分維數(shù)D是由各子集的分維數(shù)綜合影響得來的宠进。因此晕拆，提高加工表面質(zhì)量的核心是降低各子集的分維數(shù)。實驗中我們注意到材蹬，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu)采用分形理論分析和處理比較貼近實際情況实幕，而對于具有一定規(guī)律的因素仍符合經(jīng)典力學(xué)理論。因此堤器，在實際分析試驗中昆庇，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu)，采用基于分子動力學(xué)和分形理論進行分析的同時闸溃，仍要注意經(jīng)典理論的應(yīng)用整吆。

3 結(jié)語