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Tankkuģis jeb tankeris ir kuģis, kas kalpo, lai pārvadātu lejamkravas bez iepakojuma: naftu, naftas produktus, kā arī augu eļļas, sīrupu, saldūdeni utt.

Tankeris Omala

Bunkerēšanas tankeris Keila. Tas paredzēts degvielas (bunkera) piegādei kuģiem.

Kuģa kravai paredzētā daļa sadalīta ar gareniskajām un šķērsstarpsienām lielā skaitā nodalījumu – tanku. Tas ļauj pārvadāt vienlaicīgi vairākas kravas šķirnes un, bez tam, uzlabo kuģa jūras spējas.

Naftas pārvadājumu pieaugums noveda pie ļoti lielu tankeru būves, kuru kravnesība tuvojas 500 000 t. Vairāk par ⅓ no visas pasaules transporta flotes tonnāžas veido tankeri.

Ir attīstījušies arī specializēti tankeri, piemēram, gāzes tankeri (pārvadā sašķidrinātu gāzi; amonjaks, propāns utt.), vīna tankeri u.c. Parādījās arī kombinētie kuģi naftas-rūdas vedēji. Vienā virzienā tie pārvadā naftu, bet otrā rūdu. Tas izslēdz kuģa pārgājienus balastā.

Tankri ir salīdzinoši jauns kuģu tips, kuru sāka būvēt tikai 19. gs. otrajā pusē. Pirms tam vienkārši nebija tādas tehnoloģijas, kas ļautu pārvadāt šķidras kravas bez iesaiņojuma. Tāpat tirgus nebija pielāgots kravu bez iesaiņojuma pārdošanai un transportēšanai. Tādēļ lielākā daļa kuģu pārvadāja plašu spektru dažādu produktu dažādās tilpnēs un strādāja ārpus noteiktām līnijām. Šķidrumus parasti lādēja mucās - no šejienes radies arī vārds "tonnāža", kas nosaka kravas telpu tilpumu vīna mucu daudzumā, kuras var pārvadāt. Angļu valodā tādu mucu sauc tun. Pat dzeramais ūdens, kas ir nepieciešams komandas izdzīvošanai, tika turēts mucās. Šķidrumu pārvadāšana bez iepakojuma agrākajos kuģos izvirzīja vairākas problēmas:

• Tilpnes: uz koka kuģiem tilpnes nebija pietiekoši ūdens un gaisa necaurlaidīgas, lai šķidrums nesabojātos vai nenoplūstu. Dzelzs un tērauda korpusu ieviešana šo problēmu atrisināja.

• Lādēšana un izkraušana: šķidrumus bez iesaiņojuma ir jāsūknē - efektīvu sūkņu un sūknēšanas sistēmu attīstība bija vitāli nepieciešama, lai rastos tankeris. Agro sūknēšanas sistēmu piedziņai izmantoja tvaika dzinējus. Tā kā tirgus saņēma produktu šādos daudzumos, bija nepieciešamas īpašas kravas apstrādes iekārtas arī krastā. Mucas varēja izlādēt lietojot parastu krānu. Tajās šķidruma daudzums vienmēr bija relatīvi mazs - tādējādi turot tirgu stabilu.

• Brīvās virsmas efekts: apraksta liela šķidruma virsmas laukuma kuģī iespaidu uz kuģa noturību. Skaties jūras arhitektūra (naval arhitecture). Šķidrumi mucās nesagādāja problēmas, taču kuģa platuma tanks radītu noturības problēmas. Plašu tanku sadalīšana mazākos šo problēmu atrisināja.

Tankeri savu darbu sāka naftas industrijā, jo naftas kompānijas meklēja izdevīgākus veidus kā nogādāt savu produkciju klientiem. Mūsdienās lielāko daļu šķidrumu ir lētāk transportēt izlejamā veidā un katram produktam eksistē īpaši termināļi. Krastā lieto lielus uzglabāšanas tankus, kur produktu tur līdz ir iespējams to sadalīt mazākos tilpumos, lai piegādātu mazākiem pircējiem.

Pat alus darītavai Guinness Dublinā bija sava tankeru flote, lai nogādātu produkciju Apvienotajā Karalistē.

Dažādiem produktiem nepieciešams dažāds transports un apiešanās. Tādēļ tiek būvēti speciāli tankeru tipi, kā "ķīmiskie tankeri" un "naftas tankeri". "LNG tankeri" ir samērā rets tankeru veids, kas paredzēts sašķidrinātas dabasgāzes pārvadāšanai (liquified natural gas).

No naftas tankeriem supertankeri ir projektēti, lai pārvadātu naftu no vidējiem austrumiem (Arābijas pussala) apkārt Somālijas pussalai. Peldošā uzglabāšanas un lādēšanas iekārta (floating storage and offloading unit (FSO)) Knock Nevis, agrāk ULCC Jahre Viking ir lielākais kuģis pasaulē. Supertankeris ir 458 m garš un 62 m plats.

Supertankeri kopā ar cauruļvadu transportu un dzelzceļu ir viena no trīs izdevīgākajām lielu naftas daudzumu transportēšanas metodēm. Tomēr naftas noplūdes no šādiem tankeriem var radīt dabas katastrofas, īpaši, ja nelaimes gadījuma rezultātā kuģis nogrimst. Šādu piekrastes nelaimes gadījumu piemēri ir Exxon Valdez, Braer, Prestige, Torrey Canyon un Erika.

[izmainīt šo sadaļu] Izmērs

Šķidrās degvielas tankerus iedala atbilstoši to tilpumam.

1954. g. Shell finansiālu iemeslu dēļ ieviesa afra sistēmu (vidējais frakta likmes novērtējums (average freight rate assessment)). Tankerus iedalīja dažādu izmēru grupās. Lai padarītu to par neatkarīgu dokumentu Shell konsultējās ar Londonas Tankeru brokeru speciālistu grupu (London Tanker Brokers’ Panel (LTBP)). Sākumā grupas iedalījās vispārējas nozīmes (general purpose), tankeriem zem 25 000 dedveita tonnu (dwt); vidēja darbības rādiusa (medium range), kuģiem starp 25 000 un 45 000 dwt; un tāla darbības rādiusa (large range) priekš toreiz milzīgiem kuģiem virs 45 000 dwt. Kuģi kļuva lielāki 20. gs. septiņdesmitajos gados un sarakstu paplašināja. Šeit ar tonnu jāsaprot angļu masas mērvienību long ton.

• 10,000–24,999 dwt: General Purpose tankeris
• 25,000–44,999 dwt: Medium Range tankeris
• 45,000–79,999 dwt: LR1 (Large Range 1)
• 80,000–159,999 dwt: LR2 (Large Range 2)
• 160,000–319,999 dwt: VLCC (ļoti liels jēlnaftas tankeris (Very Large Crude Carrier))
• 320,000–549,999 dwt: ULCC (Ultraliels jēlnaftas tankeris (Ultra Large Crude Carrier))

Atbilstoši 2007. g. stāvokļa sarakstam par 500 lielākajiem supertankeriem, kuru sagatavoja Visser, ir gandrīz 380 kuģi 279 000-320 000 dwt robežās. Tātad šis ir vispopulārākais izmēru diapazons starp lielākajiem VLCC. Tikai 7 kuģi ir lielāki par šiem un apmēram 90 ir 220 000 un 279 000 robežās.

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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液体を輸送する船舶及び航空機のこと。船体内に大型のタンク（液槽）を設置していることからタンカーと呼ばれる。

一般に石油タンカーを「タンカー」と呼ぶことが多いため、液化天然ガス（LNG）を輸送する船はLNGタンカー、化学物質を輸送する船はケミカルタンカーなどと特に区別して呼ばれる。

石油タンカー
舵とバルバス・バウが水面上に出るくらい浮いている。

[編集] 船舶

船艙がタンクになっている船舶を「タンカー」と呼ぶ。

[編集] 油槽船

タンカーは通常、石油類を輸送する油槽船を指す。搭載する油種は原油のほか、精製された重油、軽油などを扱う「プロダクト・タンカー」と呼ばれる船もある。第二次世界大戦後は、主に中東産原油の輸送を行うために、経済性の高い超大型タンカーが作られ、1976年には世界最大の55万重量トンの原油タンカーが建造されたがその後の大型化は沈静化している。

低速で航行する巨大な油槽船は、大きければそれだけ燃費が向上するため可能であればますます大きな船体が求められる。他の大型貨物船とは異なり、大型タンカーの油の積卸しには岸壁ではなく、シーバースが使われることがほとんどであり、喫水によって港で制約を受けることがない。しかし一方で、通過できる運河や海峡が制約されて不経済な遠回りの航路を強いられる、長時間の荷役にかかる時間のロス、機関やプロペラなどが特殊なものとなる、など大型化による不利益な面も多くあるため、あまり大きな油槽船は作られていない。21世紀初頭の現在は、30万重量トンが最大級である。

外観

油槽船は平たい甲板上に多数のパイプが走っているため、輸送船の中では比較的分かりやすい姿をしている。安全確保のために機関室を油槽と離す必要があり、ほぼすべての船で船尾に機関室と船橋、居住区画が置かれる「アフトエンジン形式」になっている。

大きさによる分類

原油輸送を中心とする大型タンカーは大きさによっていくつかに分類される。

1. ULCC:Ultra Large Crude Oil Carrier 30万重量トン以上
2. VLCC:Very Large Crude (Oil) Carrier 20～30万重量トン 21m
3. スエズ・マックス:Suezu Max 15万重量トン　18ｍ（→21m 2010年）
4. アフラ・マックス:AFRA Max 約10万重量トン
5. パナマックス:Panamax Max 5万～8万重量トン　最大幅32.2m

VLCCまでが中東日本間での原油輸送時にマラッカ海峡の最大喫水21mを通過できるため、日本への原油輸送の主力を担っている。2010年にスエズ運河の浚渫作業が終われば21mのVLCC相当になる予定である。

二重船殻構造

1989年にアラスカ沖で発生したタンカー『エクソン・バルディーズ号』の座礁事故（エクソンバルディーズ号原油流出事故）で、原油流出による大規模な環境汚染が発生したため、1992年よりIMO（国際海事機関）の取り決めで1993年7月以降に建造契約されるか、または1996年以降完成の積載重量600トン以上の新造油槽船については二重船殻（ダブルハル：Double Hull）構造とし、既に建造済みの単底（Single Bottom）タンカーの廃船を促すなど、事故発生時の環境負荷リスクの低い油槽船への切り替えが義務付けられた。

隔壁

油槽内の油は流動性を持ち「復原性に対する自由水影響」を避けるために、多数の隔壁によって細かく仕切られている。

安全空間の確保

機関室は安全のため、タンクの後方に配置し、タンクとの間を空き部屋やポンプルーム、燃料油により隔離するように海上人命条約は求めている。また空荷で荒天の場合でもプロペラが水面上に出ないように原油タンク内への注水を避けるために、十分なバラストタンクの設置が国際条約で定められている。

荷役

油槽船への油の積荷は送油側の陸上よりポンプで 送り込まれるが、揚荷の場合には油槽船側のポンプによって取り出される。パイプラインは2～3種類の油が混ざらないように分けて搭載できるようになってお り、大量に送油できるメインのラインの1つと、残油を扱うストリップラインが1つある。メインのパイプラインから揚荷時に使用するポンプは蒸気タービンで駆動され、大きな油槽船では数台が設置されている。

大 型油槽船での油の送受は万一火災が発生した場合、非常に危険であるため、陸から離れた海上のシーバース（Sea berth）で行なわれる。シーバースには大型ブイがあり、大型ブイは海底パイプラインによって地上設備とつながっている。大型油槽船と大型ブイの間はフ ローティング・ホースによって接続され荷役が行なわれる。また、シーバースの使用により狭い港での接岸の手間と危険や余計な浚渫工事も省かれる。

イナート・ガス装置

積 荷の油が発火するのを防止するために、ボイラーからの排ガスからススや硫黄燃焼物、湿気を取り除いて油槽内に送る「イナート・ガス装置」によっ て、油槽内に不活性化ガス（イナート・ガス）を送り込む。可燃性ガスや空気の変わりにこの不活性化ガスが満たされた石油／原油タンクにたとえ火が入って も、酸素がないために燃焼や爆発は起きない。

バラストタンク

油槽船はその荷物の性質上、産油国から消費国へ石油類の一方通行の輸送を行なっている。常に片道は荷物を積まない状態で運行されている。

そのような、油槽内に石油類が積まれず空荷の時には、巨大なタンクがすべて浮力を持つために、船体が異常に浮き上がり、船尾の舵やプロペラ、船首のバルバス・バウが水面上に出てしまう。これは推進効率の低下や、過回転による機関や軸受の焼きつきの原因となるため、専用のバラストタンクに海水を注水して浮力の相殺を行なう。それだけでは十分でない古い船の場合には、石油のタンク、つまり油槽にも注水する。また、油槽は修理や検査の前には洗浄されねばならない。油槽を洗浄した後のバラスト水はクリーン・バラスト水であり、洗浄せずに油槽に入れたバラスト水はダーティ・バラスト水と呼ばれる。

国際海事機関（IMO）では、船舶の移動に伴うバラスト水排出が環境への影響を防止する目的で、バラスト水管理条約が採択されている。

スロップタンク

油 槽をバラストタンクとして使用した場合の上部の水やタンク内を洗浄した油濁液はスロップタンクに蓄えられて時間をかけて油と水に分離され、水は 海へ排出される。スロップタンクは縦に長い形をして、油との分離をなるべく容易にしている。スロップタンクに残ったスロップの上に次回の積荷の油が入れら れる。この方法は「ロード・オン・トップ」（Load on Top）またはROB（Retention Oil on Board）と呼ばれる。

バラスト水の環境問題

船体の浮沈を調節するために消費国の海でバラストタンクに積まれた海水は、産油国での石油類の積の前に環境へ排出される。結果として消費国の海水が産油国の海へと運ばれる。これらの海水に含まれる水中生物が意図しない侵入者となる外来生物問題と なっている。バラスト水を船内に取り込む時に網で生物を入れないようにすれば良いと思われるが、海水にはエビやカニの幼生をはじめ微小な生物が多数含まれ ているため、目の粗いフィルターでは簡単には生物を排除できず、細かな目のフィルターはほぼ現実的ではない。21世紀初めの現代では環境に配慮してバラス ト水をできるだけ積まないようにしている。^[1]

救命艇

油 槽船やLPG船、LNG船で火災が発生した場合には大きな火炎となって周囲を焼き尽くす事態が考えられるため、これらのタンカーでは特別に設計 された救命艇が装備されている。45度ほどに傾けて後部甲板等に用意された自由降下式救命艇に必要な避難乗員が搭乗して準備が整うと、斜めの角度で海面に 向けて落下して衝撃と共にはずみで火災現場である本船から遠ざかる。この救命艇は全体がカプセルになっており、低速ながら自航して屋根に散水しながら避難 が可能となっている。火炎によって周囲の酸素が失われる場合に備えて、10分間ならば艇内に備え付けの酸素ボンベによって乗員の呼吸が可能になっている。^[2]

[編集] 歴史

日本で最初に建造されたタンカーは1908年の大阪鉄工所櫻島製「虎丸」531総トンで油槽容量は400トンであった。

1956年、エジプト政府によるスエズ運河封鎖によって中東からヨーロッパへの原油の海上輸送にはアフリカ南端、喜望峰を 回らなければならなくなり、それまでのスエズ運河通行の上限であった載貨重量43,000トン型の規制に縛られず、輸送コストの上昇を補うためにタンカー の大型化競争が始まった。1956年に大きくとも5万重量トン以下であったタンカーも、1967年の第二次スエズ運河閉鎖で更に船型の大型化を招き、 1973年にオイルショックで石油の消費が一段落する頃には50万重量トン以上のものが現れた。

1967年3月、ドーバー海峡で「トリー・キャニオン号」（Torry canyon）が座礁して油流出事故を起こした。この後、IMCO（現在のIMO）でタンカーの油流出事故に対応する船体設計の規制について検討し、1971年に個々の油槽の積載容量に対して上限を設ける規則を制定した。

1973年には、油槽をバラストタンクに使用して油まみれの水を海洋投棄する事を禁じたSBT規則が制定された。1978年にはイナートガスをタンク内に注入するよう規則が制定された。 1989年にはエクソンバルディーズ号原油流出事故が起きた。1992年には1993年以降に建造されるタンカーに対して二重船殻構造規則が制定された^[3]。

[編集] LNGタンカー

モス型LNGタンカー

メンブレン型LNGタンカー

LNG タンカーは液化天然ガスを専門に輸送する船舶である。液化天然ガスは比重が軽く0.5以下であり、メタンを主成分としていて摂氏- 161.5℃以下でなければ常圧下で液体とはならないため、加圧タンクや断熱層を備えているが、原油の比重約0.85と比べてもかなり軽いため、他のタン カーと比べても船体に対する荷の体積が必然的に大きくなり、船体のシルエットでも水線上の部分が大きく見える。超低温条件下でも船体構造材が脆性破壊を起 こさない工夫や火気に対する配慮が図られている。

タンクの形式には独立球型（モス型）、独立角型、独立円筒型、メンブレン型などがあり、 4個から10個程度のタンクを船体内に一列に備え、上部は甲 板上に出ていることが多い。メンブレン型を除けば独立支持タンクがLNGを圧力をかけて保持しており周囲を断熱材で囲ってある。メンブレン型ではメンブレ ン（薄膜）と呼ばれる薄いステンレス鋼またはインバー合金が タンク支持を兼ねる断熱材をはさんで船体そのものによって保持され、強度が保たれている。いずれの形式でも船体は二重船殻構造をとり、事故からタンクを保 護している。以前から丸いタンクが甲板から突き出すのは船尾にある船橋からの前方視界がわるく、また、独立球型のタンクでの亀裂問題があってからは、メン ブレン型が見直されて、タンクの形が丸型から角型になる傾向がある。

航行中、気化した天然ガスを再液化するための設備はこれまで大型であったため、主機関に蒸気タービンを利用し、気化したガス（ボイルオフ・ガス）をメインボイラーのガス専焼バーナーやガス焚きディーゼルなどで（燃料として）燃焼処分がなされてきた。近年では、再液化装置の小型化に成功しディーゼルエンジンを主機関としたLNGタンカーも出てきた。

[編集] LPGタンカー

LPG タンカーはプロパンやブタンを主成分とするLPG（液化石油ガス）を輸送する専用の船舶である。LPGは常温でも最大8気圧以下で容易に液化 できるため、LNGより扱いやすいが、低温にするか加圧する、またはその両方を行なって火気に注意するなどの配慮が求められる点でLNGタンカーと非常に 近い船舶である。

[編集] 給油船

軍用のタンカーは、補給艦・給油艦などの艦種名を名乗り、燃料の輸送のほか、他艦船へ洋上給油を行うための設備を持つ。

[編集] 航空機

[編集] 油槽機

航空機におけるタンカーとは通常、飛行中の他機に燃料を空中給油する設備を付けた航空機を指す。これらは軍用機として用いられる。機体内に大型タンクを持つ専用機と、汎用機や他用途機に増槽と空中給油設備を仮設したものがある。艦載の空中給油機には後者が多い。

詳細は空中給油機を参照

[編集] 水槽機

森林火災などの広域火災の消火用に、機体内に設置した水槽に搭載した水を空中散布する専用の航空機が存在する。こうした機体もタンカーと呼ばれる。

空中消火といえば、汎用ヘリコプターの胴体下に水バケットを吊るして行う方法が一般的であるが、この場合はタンカーとは呼ばない。

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La superpetroliera AbQaiq

Le petroliere sono navi cisterna di diverso tonnellaggio, adibite al trasporto di carichi liquidi, non necessariamente idrocarburi. Sebbene sia vero che la maggior parte delle navi cisterna sia adibita al trasporto del greggio o dei prodotti derivati, queste navi possono anche trasportare olii vegetali. Oltre agli oleodotti l'unico modo per trasportare grandi quantità di greggio è quello di ricorrere a queste navi. Le navi cisterna vengono classificate in base alle loro dimensioni:

• ULCC (Ultra Large Crude Carrier) navi con portata superiore alle 300.000 tonnellate;
• VLCC( Very Large Crude Carrier) petroliere con capacità di carico superiore alle 200.000 tonnellate;
• SUEZMAX - petroliere tra le 125.000 e le 200.000 tonnellate di capacità che possono transitare nel Canale di Suez;
• AFRAMAX (American Freigh Rate Assessment) petroliere con capacità compresa tra le 125.000 e le 80.000 tonnellate;
• PANAMAX Navi dalla capacità di trasporto compresa tra le 50.000 e le 79.000 tonnellate e che hanno una larghezza massima di 32,2 metri e quindi in grado di transitare nel Canale di Panamá;

Al di sotto di queste dimensioni si adotta il termine di Porta-Prodotti (Product Carriers in Inglese) in quanto il traffico principale per queste navi è il trasporto di prodotti di raffineria e non più di petrolio greggio. Si usano ancora i termini LR (Long Range), e MR (Medium Range) a seconda delle dimensioni delle navi.

Le ULCC si possono considerare come le più grandi navi esistenti al mondo, più grandi delle portaerei americane a propulsione nucleare come quelle della classe Nimitz.

Le loro dimensioni e la loro stazza fanno sì che abbiano una manovrabilità molto scarsa, tanto che lo spazio di arresto di una di queste navi si misura in miglia. Inizialmente non potevano effettuare lo scarico del combustibile attraccando direttamente ai moli, in quanto i porti non potevano ricevere navi così imponenti. Pertanto si ricorreva a naviglio minore per trasferire il carico dalla nave, che rimaneva al largo, alla terra ferma. In seguito molti porti si sono attrezzati con impianti di pompaggio posti al largo. In questo caso il combustibile viene trasferito per mezzo di oleodotti che collegano la terra con l'impianto.

La più grande nave petroliera mai esistita è la Jahre Viking soprannominata "Happy Giant" o "Seawise Giant" con una lunghezza complessiva di ben 458 metri, 69 di larghezza ed una portata di 564.763 tonnellate circa. La Happy Giant fu bombardata durante la guerra dell'Iran/Iraq nel 1987/88, fu poi completamente riparata e riprese infine servizio nel 1991.

Tra le più grandi navi del mondo c'è anche la "TI Asia", una ULCC costruita nel 2002 nei cantieri Daewoo della Corea del Sud: è lunga 380 metri, larga 68 metri con una capacità di carico di 441.000 tonnellate. È dotata di un motore principale di oltre 50.000 cavalli.

A seguito di un una direttiva IMO (International Maritime Organization) le navi cisterna dai primi anni novanta in poi sono state costruite con doppio scafo, cioè con un'intercapedine di circa 1,5/2,0 metri tra lo scafo esterno e le cisterne di carico. Ciò ha contribuito ad elevare gli standard di sicurezza e sono significativamente diminuiti gli episodi di inquinamento causati da collisioni.

Oltre alla normativa IMO, anche le autorità nazionali hanno provveduto a restringere i tempi per l'adozione del doppio scafo. La legislazione della Comunità Europea e degli Stati Uniti impone che dal 2010 (EU) e dal 2015 (USA) solo le navi dotate di doppio scafo possano entrare nelle acque che ricadono sotto la rispettiva giurisdizione. Questa legislazione è stata emanata a seguito degli effetti di gravi incidenti che hanno coinvolto queste navi. L'incidente occorso alla Exxon Valdez ha portato, nel 1990, negli USA all'emanazione dell'Oil Pollution Act (OPA-90). Nel Mediterraneo possiamo ricordare l'incidente alla Haven, una petroliera di 250.000 tonnellate di portata che esplose nel golfo di Genova il 14 aprile 1991. La nave è affondata al largo di Arenzano su un fondale di 80 metri ed ora costituisce il più grande relitto al mondo visitabile dai subacquei.

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近年來，國內的光電產業在數位相機、手機相機、DVD/VCD 光碟機及投影機等蓬勃的成長下，帶動了精密光學元件的需求快速增加，而精密光學元件不可或缺的重要設備便是超精密鑽石車削機。由於鑽石刀具有高硬度、高熱 導係數、低摩擦係數、低熱膨脹係數及可製作極為銳利的刀刃等特性，因此可達到良好的形狀精度 (form accuracy) 與表面粗糙度 (surface roughness) 的要求，此二項正是評估光學元件品質的重要指標。本文以超精密鑽石車削加工誤差因素為重點，介紹各種加工誤差與形狀精度及表面粗糙度之關係，並說明加工機 台、切削工具及工件材料等對車削加工元件的影響。

加工機台

加工機台主要是由進給系統、 主軸系統及床台等所組成，其中進給系統包含驅動單元、拘束導軌單元及位置量測單元。目前常見的 超精密加工機大多採用線性馬達來驅動，導軌由靜壓軸承構成，而位置量測單元則為高解析度之雷射光學尺，以達成高精度與高剛性之進給要求。機器運動時，其運 動方向之定位精度係由驅動單元與位置檢測單元決定，其他方向則是由拘束導軌決定。由於加工尺寸增加，位置誤差亦隨之增加，故進給系統的運動誤差會直接影響 工件的形狀精度；其次各進給軸之直角度誤差也會影響工件的形狀精度。

此外，加工過程中因進給系統之動剛性 (dynamic stiffness) 所產生刀具與工件間之相對振動，亦會影響工件的表面粗糙度。加工過程中，由於切削加速度與切削力相當微小，因此機台靜剛性 (static stiffness) 所造成之變位量幾乎可以忽略。但機台之動剛性決定抑制振動的能力，雖然床台本身的振動隔絕裝置可隔絕來自地板的振動，但進給系統之電力配線、伸縮護套或導 軌之摩擦效應，都可能因位置改變而使機器產生振動。一般而言，機器之動剛性決定於機器之系統慣量 (inertia)、阻尼 (damping) 及自然頻率。動剛性愈高，刀具與工件之振動變位愈小，加工表面粗糙度就會愈佳。

位置感測器的位置亦會影響形 狀精度與表面精度，其安裝位置與工作軸都會存在偏位量，也就是所謂的阿貝偏位 (Abbe offset)；阿貝偏位愈大，加工形狀精度愈差。若位置感測器之安裝機構設計或安裝不良，在加工過程中可能會有振動現象，機台會因位置迴授控制而隨之振 動，因此會提高工件表面粗糙度。

主軸安裝於機台時，其軸向方向應與 Z 軸平行，若有平行度誤差則會造成工件之形狀誤差。另外，主軸軸承之動剛性，誠如上段所述，也會影響工件之表面粗糙度。造成主軸振動之常見原因有主軸軸承表 面之真圓度誤差、主軸旋轉件之動平衡誤差、驅動電路雜訊干擾以及軸承空氣壓力擾動等，因此主軸系統對工件之形狀誤差與表面粗糙度都會有影響。

床台對加工精度之影響不若上述幾項因素明顯，超精密加工機大多採用花崗岩為機器床台，而花崗岩具有良好的熱穩定性與阻尼特性，因此，對環境溫度變化與振動所產生之變形量皆有很好的吸收效果，但若需長時間加工的元件，則有可能因為環境溫度變化而產生工件之形狀誤差。

車削工具

車 削工具包含鑽石刀具、刀具圓弧檢測裝置、切削液、集屑裝置等。鑽石刀具對加工誤差之影響因素有刀具之圓弧形狀、圓弧半徑 以及刀刃波紋 (waviness) 等。一般而言，鑽石刀具會修整為圓弧形狀，並藉由刀具檢測裝置檢測其圓弧半徑與中心，將檢測結果輸入控制器內，以刀具圓弧半徑補償進行車削加工。若刀具之 圓弧並非正圓形或檢測之圓弧半徑與中心有誤差時，就會造成工件之形狀誤差。刀刃波紋則會影響工件之表面粗糙度。刀具圓弧中心，運動到設定的切削中心點時， 需與工件主軸之旋轉軸位置與高度一致；若不一致，除了會產生加工形狀誤差外，亦會在工件中心殘留凸點 (俗稱肚臍眼)。

車 削加工時，經常會供給切削液，以降低切削點溫度並帶走切屑。鑽石車削大多以油霧式供給切削液 (以高壓空氣噴出切削油)。因此噴嘴之角度與油、氣之流量與速度都會影響冷卻與排屑效果。最常見的情況為切屑堆積於鑽石刀刃上，並與被切削材料表面摩擦， 進而對工件表面粗糙度造成極大的影響。為避免切削過程中產生積屑甚至捲屑的情形，可外加集屑裝置。集屑裝置之原理是利用高壓空氣吹入集屑管中，使之產生真 空狀態。使用集屑裝置會使切削點附近的空氣產生擾動，同時集屑管也會因氣體流動而產生振動，進而造成機器振動而影響加工件之表面粗糙度。因此在使用集屑裝 置時除了要注意集屑效果外，亦需小心空氣擾動與振動所造成的影響。

工件材料

工件材料的 純度及緻密性是影響加工表面粗糙度的重要因素。常見之鑽石車削工件材料如鋁及銅合金，在煉製過程中多少會摻有雜 質，這些雜質會造成切削過程的暫態振刀現象。另外，若緻密性不足，甚至在材料內部含有氣孔，則加工表面會殘存孔洞。以上兩項因素皆是表面粗糙度的致命傷， 這也是為何多數的鋁合金之最佳加工表面粗糙度被限制在 3–5 nm 的原因。無電鍍鎳之鍍製過程可以得到極佳的純度且無固定的結晶方向，在電鍍過程加入一定比例的磷成分，使其不會與鑽石刀具產生化學磨耗。基於以上原因，無 電鍍鎳可以說是目前表面粗糙度最佳的加工材料，其表面粗糙度可達 1 nm 以內。

加工參數

加工參數包括刀具幾何、切削速度 (或主軸轉速)、切削深度、進給速度等。如上節所述，鑽石車削之刀具皆採用圓弧刀刃，理論上圓弧半徑愈大，則切削進給之殘留高度愈小，即表面粗糙度愈佳。切削殘留高度公式為 h = f_r²/(8r_t)，其中，f_r 是每轉進給量，r_t 為刀刃半徑，因此為得到一定的表面粗糙度，需要根據刀刃圓弧半徑與主軸轉速決定適當的精車削之進給速率。通常根據上述原則決定適當的切削參數即可得到理想的表面粗糙度；但有時刀刃圓弧半徑愈大，並不表示表面粗糙度愈佳。

因為刀刃半徑愈大，表示切削面積愈大 (亦即切削力較大)，因此會造成工件材料表面之推擠變形，使得工件表面粗糙度劣化。當然，材料之推擠變形與工件材料本身之機械特性有關，在決定切削參數時，除了要考慮材料之切削性外，也應考慮切削力所造成的材料變形。

結論

除 了上述各項因素外，環境變化與操作技術等因素亦需注意。環境因素除了室溫變化與地面振動外，也要注意空調系統或門板開關 所造成的空氣振動。當然，操作技術人員的專業知識、經驗與工作態度才是決定加工精度最主要的因素。專業知識除了加工技術，還包括光學設計、機構設計與檢測 技術。因光學元件在設計階段時，光學設計人員即應與加工與檢測人員討論元件之功能與精度等級，一同評估元件之加工方法、夾持方式及檢測方法等。

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对 小型圆形刀具进行正确的表面处理可以提高刀具寿命，减少加工循环时间，提升加工表面质量。但是，根据加工需要正确选择刀具涂层有可能是一件令人困惑和费劲 的工作。每一种涂层在切削加工中都既有优势又有缺点，如果选用了不恰当的涂层，有可能导致刀具寿命低于未涂层刀具，有时甚至会引出比涂层以前更多的问题。

目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和 CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方 案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。

1.涂层的特性

（1）硬度

涂 层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具 有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000（取决于制造商）。表面硬度高达 Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的高硬度和 切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。

（2）耐磨性

耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。

（3）表面润滑性

高 摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面 可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温 熔焊。

（4）氧化温度

氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽 然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在 刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合 金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 PVD TiAlN涂层。

（5）抗粘结性

涂层的抗粘结性可 防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属（如铝、黄铜等）时，刀具上经常会产生积屑瘤（BUE），从而造成 刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加， 以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到很好的作用。

2.常用的涂层

（1）氮化钛涂层（TiN）

TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。

（2）氮碳化钛涂层（TiCN）

TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。

（3）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）

TiAlN/AlTiN 涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同， AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。

（4）氮化铬涂层（CrN）

CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。

（5）金刚石涂层（Diamond）

CVD 金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金属基复合材料（MMC）、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层（注意：纯金刚石涂 层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏）。

适用于硬铣、攻丝和钻削加工的涂层各不相同，分别有其特定的使用场合。此外，还可以采用多层涂层，此类涂层在表层与刀具基体之间还嵌入了其它涂层，可以进一步提高刀具的使用寿命。

3.涂层的成功应用

实现涂层的高性价比应用可能取决于许多因素，但对于每种特定的加工应用而言，通常只有一种或几种可行的涂层选择。涂层及其特性的选择是否正确可能就意味着加工性能明显提高与几乎没有改善之间的区别。切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。

由于在一种工件材料的加工中存在着许多变量，因此确定选用何种涂层的最好方法之一就是通过试切。涂层供应商们正在不断开发更多的新涂层，以进一步提高涂层的耐高温、耐摩擦和耐磨损性能。与涂层（刀具）制造商一起验证最新、最好的刀具涂层在加工中的应用总是一件好事。

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弊社の製品の供給調達機能は：

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（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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结 构和零件的微型化是技术领域的发展趋势之一，开发经济上可行的微细加工技术对于微型技术的发展具有重要意义。目前，产业化的微细制造技术主要用在半导体 工业，它们仅仅对大批量生产是经济的；在印刷制版术行业里使用的微细制造技术对所加工的几何形状及所能加工的材料又有很大的局限性。与这两种制造技术比 较，微细切削加工可以弥补上述的缺点，因此，开发微细切削技术是微细制造技术的新领域。

微细切削加工的第一批装置是美国在60年代末开发的，主要用于加工光学件的表面，并由此诞生了超精加工技术。目前，在光学、电子和机械零件加工中达到了微 米和亚微米的精度和几十个纳米的表面粗糙度。在八十年代末，德国的卡鲁斯厄研究中心把微细切削用于在微型元件的表面上加工微细的纹理，制造微型热交换器： 它们对一个圆筒上的铜箔或铝箔用单晶金刚石制造的刀尖进行切槽，最终做成一个微型的、效率很高的热交换器。

直到九十年代，微细切削主要是用金刚石刀具加工有色金属零件。随着微型技术应用领域的不断扩大，要求能加工更多样化的材料，尤其是对钢和陶瓷的微细切削，成为微细切削技术的发展方向。

金刚石：近乎理想的切削材料

在超精加工领域，单晶金刚石刀具几乎是唯一得到实用的刀具。金刚石摩擦系数低，导热率高，这对切削过程很有利；它还有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸级 的锋利刃口，而制作锋利的刃口是微细切削领域中必须解决的关键技术。一个亚微米级的锋利刃口可以加工出几纳米数量级的表面粗糙度。锋利的刃口及很低的摩擦 系数，可大大减小切削力，这有利于微细切削加工的精度，也降低了对超精加工机床刚性的要求。

金刚石刀具适合加工铝、纯铜、黄铜以及铜镍合金等。铜镍合金有很高的硬度，在加工时可获得极佳的表面质量。金刚石不适合加工黑色金属，为了使金刚石能够加 工钢，正在开发一些装置，有一个装置效果很好。它把一个超声振动叠加在刀具的运动上，切削时使刀具的接触时间大大减少，从而降低了切削温度，抑制了金刚石 向石墨的转化。

微细切削来源于普通切削

微细切削的知识实际上是从普通的切削加工中获得的，包括车、铣、钻、磨，在个别情况下，微细加工也用锯削或刨削。目前研究最多、最成熟的是超精车削。例如制作压制菲涅耳透镜的有色金属模具或制作表面粗糙度的样块。

通过叠加一个由压电晶体驱动的高频振动到进给机构里，在与主轴回转频率和振动适当同步时，能产生不旋转对称的加工表面，达到磨光的镜面。目前，超精车削的技术水平已经可加工出极微细的轴径。
在微细加工中，铣削也被认为是最柔性的加工方法。用单齿的金刚石圆盘铣刀加工槽与前面所述的在薄膜上车槽比较，可以加工出各种角度交叉的槽。可用于制造压制光学栅格结构的模具，如每毫米100线。已商品化的圆盘铣刀最小宽度约100μm。

用金刚石制造的带柄铣刀，直径约300μm，也已经商品化。这种铣刀的结构为通用的直槽单齿铣刀，也可制成有端刃的雕刻刀，它特别适合加工只有几微米厚的隔板。这种槽铣刀的缺点是最小的槽宽取决于刀具的直径和装夹的精度。

钢是未来微细切削技术加工的对象

微细切削技术至今还局限于加工硅或非金属材料，而各种人工合成材料已经可用成形工艺进行加工(包括硬而脆的和软而韧的)，因此，下一步对钢的加工就显得很 有必要。钢的微细切削加工研究在德国始于九十年代，至今仍处于研究阶段。其主要应用领域在工模具行业，模具的耐磨性是成形加工经济性的重要前提，尤其当模 具的结构有很高的深度??宽度比时，其材料的抗弯强度对成形加工的可靠性有决定性的意义，有时甚至关系到是否能够成形。

钢的微细切削不能用金刚石刀具，主要用硬质合金铣刀。硬质合金是由很多晶粒组成的烧结体，其晶粒的大小决定刀刃的微观锋利程度。因此，不能加工出像用金刚石刀具所获得的表面质量，但由于价格低并能加工钢，因此目前仍然是对钢进行微细切削的主要刀具。

为了有锋利的刀刃，通常采用钨钴类的超细颗粒硬质合金。超细颗粒硬质合金刀具的晶粒尺寸为0.5～1.0μm，其切削刃圆弧半径为几微米。

为了开发钢的微细切削技术，德国卡鲁斯厄大学的机床和制造技术学院首先进行了硬质合金圆盘铣刀的试验，刀具宽度为0.15mm。用铣刀作十字交叉的切削， 工件硬度为52HRC的调质钢，加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm2的一排排作为合成材料或粉末注射材料模具的棱柱。

适合微细切削的硬质合金带柄铣刀在工业上已被广泛采用，有涂层的和不涂层的，最小直径为0.1mm，个别工具制造商可生产直径为50μm的铣刀。

为避免刀具意外的折断和提前磨损，在加工像钢这样的硬材料时，要注意加工过程的安全和机床的平稳，所以要求机床具有足够的刚性和动态性能，采用高的切削速度和中等的每齿进给量，以保证刀具的切入。

硬质合金微型铣刀的制造存在着一些难题，即除了要在不均质的刀具材料上加工出锋利的刃口外，还要对直径为零点几毫米的铣刀进行磨削，使之承受磨削力的作 用，为解决这一难题，可选择一种不产生切削力的加工方法(如激光加工)。用铣削的方法可加工出形状复杂的表面，也可加工用工具钢制造的100μm以下的零 件，如在硬度为55HRC的模具钢上直接铣制加工一个微型汽车(1：160)的轮壳模具，其表面粗糙度达RZ=0.5μm，成形表面达镜面光洁度，注射成 形后的零件不必再进行后续加工。
磨削是专门用于硬而脆的材料的加工，使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬质合金制造。目前用于硅片切割的零点几毫米 宽的砂轮已商品化，通常用经镀镍或铬的金刚石磨料作砂轮的材料，最近还开发了CVD涂覆金刚石的硬质合金成形砂轮。与刀具相似，砂轮也有用作成形砂轮的盘 状砂轮和通用性很好的指状砂轮，后者可加工微细的任意形状表面，目前在研究部门使用的指状砂轮的最小直径为50μm。

磨削加工硬而脆的材料

为了在硬而脆的材料 (例如单晶硅)上加工微孔，除了通常用电镀法制造的直径为0.9mm、金刚石颗粒为D91μm的微型空心钻头外，德国Brauschweig技术大学新开 发了同样直径的CVD金刚石钻头，其金刚石晶粒的尺寸为4μm～8μm。尽管有较大的切削力，用这种新型钻头在单晶硅上钻了55个盲孔，质量全部合格。这 种盲孔钻头可以在指状砂轮加工零件的封闭式型腔前钻引导孔。电镀的金刚石空心钻头较适合在板材上加工通孔，但在试验中，在孔的钻穿那一面沿着硅的晶轴方向 出现了大于100μm的崩刃，在孔的钻入这一面边缘也有20μm～150μm的崩刃，这一问题有待进一步研究。
结论和展望

微细切削是微细加工工艺的一个重要延伸，尽管目前微细切削所能加工出的零件细节不及微细电加工所达到的程度，但它与激光刻蚀加工等技术一起可在各种各样的材料上加工任意的空间结构。

此外，它比基于平板印刷的微细技术需要的设备少，也省去了昂贵的母板制造，总之，零件的微细切削加工对于经济地制作中等批量的微型构件有很大的优势。

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