2 超精密加工表面及其特點

1. 加工表面的相關定義
   表 面是一個物體分隔於其它物體或空間的周界面。為便於研究分析，美國國家標準ASME B46.1-1995中給出了名義表面、實際表面和測量表面的定義，即：①名義表面：預期的表面分界面(不包括任何表面粗糙度)，其形狀及範圍通常在圖示 中顯示並標注或者加以詳細說明。②實際表面：物體的實際邊界面，它與名義表面的偏差來源於表面形成的加工過程。③測量表面：基於測量儀獲得的對實際表面的 描述。
2. 加工表面的特點
   超精密加工的 實際表面與名義表面的差別在於它可顯現出表 面的特徵、缺陷和形狀誤差。其中，表面特徵是控制工業產品表面質量的主要內容，它是實際表 面上某些典型偏差的綜合，主要包括粗糙度和波紋度。粗糙度是指表面特徵的精細不規則性，通常來源於加工過程所固有的作用或材料條件，這些都可能是加工過程 留在表面上的特徵標記。波紋度是表面特徵更為廣泛的空間構成，產生於機床或工件的偏差或振動。粗糙度可被認為是波動表面上的疊加。

3 超精密元件表面的加工、表徵及功能

圖1 表面的加工、表徵和功能之間的關係

1. 表面的加工
   先 進的加工技術是獲得高質量表面的重要前提和保證。以納米級加工為發展目標的超精密加工技術是當今及未來製造技術的基礎之一。超精密切削是超精密 加工的重要組成部分，其關鍵技術是極鋒銳的金剛石單點切削(SPDT)，即採用具有納米級鋒銳度的切削刃、切削時刃口可複印在加工表面上、具有高耐磨性的 單晶金剛石刀具進行切削加工。該技術現已發展成為製造尖端、精密元件的成熟加工技術，可加工出具有微米至亞微米級精度、表面粗糙度達納米級範圍的工件。由 於可獲得高質量、高精度的加工表面，金剛石單點切削(SPDT)技術已被廣泛應用於精密部件和掃瞄鏡、注塑相機透鏡塑模等光學元件的加工。此外，具有特殊 功能要求的高質量表面是由多種加工過程完成的，由此產生的表面特徵也是多加工綜合作用的結果。例如，汽缸內腔的平面磨削就是一個多加工修整過程，它產生一 種特殊類型的表面特徵，由深的溝槽(有利於油液滯留)和溝槽之間精細的表面(確保高支承能力)組成。表面的形成是加工全過程綜合作用的結果，故影響表面質 量的加工因素較多。對於切削、成型、研磨以及刻蝕、激光、電子束等加工技術，表面幾何形貌的形成主要受機床、刀具、工件和加工環境等相關因素的影響，如表 1 所示。表1 影響表面幾何形貌的相關因素 機床 刀具 工件 加工環境

   導向偏差 工件與刀具定位的系統、隨機偏差 熱的不穩定性 夾緊力和材料去除 機床—刀具—工件系統的振動 工件與夾具或工作台定位基準之間的導向及定位偏差 加工參數(轉速、進給量、切削深度等)	具幾何形狀 刀具的預調整 刀具磨損狀態 材料去除時的接觸和摩擦條件	各加工階段前的實際幾何形狀(測量、成型和定位偏差、表面粗糙度) 工件剛度 材料性能(強度、硬度等)的變化	恆溫條件 恆濕條件 防振條件 超淨條件

   在 一定加工條件下，可形成相應的表面特徵。若改變加工控制參數(切削速度、進給量、切削深度等)，必然會產生相應的幾何形貌變化。由於 振動、熱的不穩定性、加工環境變化等諸多隨機因素的影響，導致加工控制和表面形成出現一些不確定性因素，阻礙了工程技術人員通過精確控制加工條件而獲得理 想表面。基於機床運動學和切削理論分析，進行適當的合理假設，借助數學變換對加工控制參數與表面特徵表徵參數之間的關係進行建模，實現在加工前預測表面質 量，是超精密加工表面研究的一個重要方向。
2. 表面的表徵
   作 為加工控制和功能設計 的關聯環節，表面的表徵提供了極有價值的形貌、特性信息，因此它是有關表面研究的一個關鍵問題。現有的表面表徵方法較多， 如統計分析、譜分析、自相關分析、時間序列分析、分形和函數說明等。但不論採取何種技術，從工程學的觀點看，表面形貌的表徵最終都是利用相關參數進行表徵 並輔以通用的視覺技術，即表面形貌特性是根據視覺圖像和表面參數值來進行評價。
   由於表面形貌固有的三維狀態，採用二維參數和輪廓圖 難以提供充分及可靠的信息以供分析，因此3D參數和3D圖像已成為評價表面形貌 的實用方法。3D參數能表徵並定量說明表面的微觀幾何形貌，3D數據由測量儀獲得。採用視覺技術和圖像處理技術可對表面進行直觀、現實的描述，圖像可傳遞 大量易於解釋的信息，是定性表徵表面的有效方法。由於單個參數難以完整描述複雜的實際表面，因此需要利用綜合的組參數來進行參數表徵，其中的每個參數只能 提供微觀幾何形貌的某些具體特徵，它可以被測量和定量表示。由於工程表面三維形貌信息的複雜性和綜合性，僅用幾個參數很難完整描述三維表面特徵。 K.J.Stout等人提出按不同的表徵特性將參數劃分為幅度參數、空間參數、綜合參數和功能參數四大類(共14 個參數)，各參數的類別及定義見表2。表2 三維表面微觀形貌的表徵參數 幅度參數 空間參數 綜合參數 功能參數

   Sq—表面形貌的均方根偏差 Sz—表面十點高度 Ssk—表面高度分佈的偏斜度 Sku—表面高度分佈的峭度	Sal—最速衰減自相關函數 Sds—表面峰頂密度 Str—表面的結構形狀比率 Std—表面的紋理方向	S∆q—表面的均方根斜率 Ssc—表面算術平均頂點曲率 Sdr—表面的展開界面面積比率	Sbi—表面支承指數 Sci—中心液體滯留指數 Svi—谷區液體滯留指數

   為 對表面進行定量分析，還可採用MOTIF參數表徵和分形函數表徵。MOTIF參數表徵採用7個參數對表面粗糙度和波紋度進行完整描 述，該方法是將未濾波輪廓分解為由峰表徵的幾何形狀特徵，根據相對幅值其輪廓峰或消失或保持不變。分形是一種連續但處處不可微的函數，在一定範圍的觀測尺 度上，分形呈現出自相似/ 相關性。實驗表明，許多工程表面均具有分形特徵。分形函數表徵僅用一個表面分形維數D(D是介於2和3之間的分數)即可描述複雜的幾何形狀。
   3D 分析的最大特點是可以進行直觀的圖像表徵，合適的圖像表徵能給出足夠的表面微觀形貌信息。常用的圖像表徵方式有等高圖、灰度 圖、投影圖等。等高圖可幫助辯識表面的方向特徵，它是採用直線或曲線連接具有相同高度的點，並用線性插值法求出其餘的交叉點，據此繪製表面形貌圖。灰度圖 上的每一點可表示與其高度相關的灰度等級。在投影圖中，數據點的有效表示是基於等軸或正視投影。
3. 表面的功能
   在 工程應用中，要求某些元件的表面具有某些特殊功能特性，如具有高支承能力、密封能力、潤滑油滯留能力等。為實現這些功能要求，需要將功能表面設 計為可產生相應功能的特殊形貌。表面功能的範圍很廣，對於接觸元件，常用的應用功能要求有磨損、摩擦、潤滑、疲勞、密封、接觸剛度、接觸應力、承載面積、 熱傳導性等；對於非接觸元件，常用的功能要求主要有光學焦距、反射、表面保護、表面噴塗等。
   目前對表面功能尚無十分明確的表徵方法。有些表面參數可用於預測工件的功能特性。例如，由於粗糙度的輪廓峰高度R_z值始終小於塗層厚度，因此粗糙度參數具有控制加工表面質量和確保表面功能的雙重作用。表面的某些特徵對於實現其特殊應用功能十分重要，因此有時需要用專門定義的功能參數來描述表面的相應特徵。例如，表面支承指數S_bi用於表示表面的支承性能，S_bi值大，表明表面支承性能好；中心液體滯留指數S_ci可反映在表面的中心區域液體滯留的性能，S_ci值大，表明表面的中心區域液體滯留性能好；谷區液體滯留指數S_vi表示在表面谷區的液體滯留性能，S_vi值 大，表明在表面谷區液體的滯留能力強。但是，一組功能參數只能描述有限的幾類應用功能，因此利用一組功能參數來表徵所有的功能要求是不可能的，而為每一項 應用功能都建立相應的功能參數也是不現實的。由於表面特徵參數(如表面粗糙度)對加工的變化具有敏感性，而且它是在接觸或流動狀況下反映表面功能的關鍵因 素，因此可利用其來預測表面功能特性。除表面粗糙度外，幾何尺寸參數、圓度或圓柱度參數、殘餘應力等物理特性也可用於預測表面功能特性。
   D.J.Whitehouse 等人不久前提出一種評價工件表面功能特性的新方法——功能圖。該方法嘗試對表面功能特性作出明確表 征，並在設計階段有效控制表面粗糙度等影響因素。由於沒有界限條件，因此傳統的表面參數仍適用於功能圖。功能圖是以圖形方式而非文字說明方式表徵表面功能 特性(它同時也是加工圖的模擬)，它主要由兩個笛卡爾坐標軸構成：縱坐標軸表示表面之間的間隔，若表面之間相互脫離，間隔值為正；若表面之間相互接觸，間 隔值為負(例如表面之間因相互嵌入而發生彈性或塑性變形，則表現為負間隔值)。表面間隔特性主要受加工過程的影響(尤其當表面間隔很小時)。橫坐標軸表示 表面間的相對橫向移動。接觸點的數量及分佈取決於局部幾何形狀(來源於輪廓信息)，而相對速度所受影響則取決於表面的總體形狀和區域層(主要受刀具空間軌 跡的影響)。橫坐標還需考慮剪切應力、表面運動的接觸動能等橫向影響因素。功能圖的應用範圍不只局限於雙表面，當表面間隔值較大時(相對粗糙度值而言)， 即可認為是一個光學反射的單表面。但是，採用功能圖評價工件表面功能時，有些功能特性(如承載特性等)無法表達。
   要實現穩定地、可 重複地獲得高質量表面，其困難之處不僅在於需要對加工條件、加工性能以及加工控制具有全面而深刻的瞭解，還在於如 何使元件表面按設計者的目標和具體要求實現相應的表面功能。因此必須對表面加工過程、表面特徵以及表面功能具有準確的理解與掌握，從而通過對加工過程的連 續監控獲得所需的功能表面。

   4 結語

   表面是加工控制與功能設計的聯結，表面特徵產生於大量的加工過程，同時又決定著工件表面的最終功能。全面瞭解表面的加工、表徵、功能及其相互關係，是超精密元件表面加工形成機理研究的基礎。