1 引言

隨著精密、超精密以及納米級加工技術(shù)、先進(jìn)控制系統(tǒng)、激光測量技術(shù)、掃描探針顯微鏡等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，超精密加工表面的研究不斷取得新的進(jìn)展，其加工精度正逐步從亞微米級提高到納米級，通過超精加工獲得超光滑表面已成為可能。但是，這些超光滑表面通常是在反復(fù)加工和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得的，如何穩(wěn)定地、可重復(fù)地獲得高質(zhì)量表面，實(shí)現(xiàn)表面的設(shè)計(jì)功能，仍是超精密表面加工研究的一個(gè)難點(diǎn)。目前，關(guān)于超精密加工表面的一個(gè)重要研究方向是研究表面的加工形成機(jī)理，并根據(jù)表面的不同用途及相應(yīng)的功能要求，在加工前對表面進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)測，從而達(dá)到穩(wěn)定獲得所需功能表面以滿足實(shí)際應(yīng)用需求的目的。為此，必須對超精密元件表面的加工、表征及功能進(jìn)行全面而深入的研究。

2 超精密加工表面及其特點(diǎn)

1. 加工表面的相關(guān)定義

表面是一個(gè)物體分隔于其它物體或空間的周界面。為便于研究分析，美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASME B46.1-1995中給出了名義表面、實(shí)際表面和測量表面的定義，即：①名義表面：預(yù)期的表面分界面(不包括任何表面粗糙度)，其形狀及范圍通常在圖示中顯示并標(biāo)注或者加以詳細(xì)說明。②實(shí)際表面：物體的實(shí)際邊界面，它與名義表面的偏差來源于表面形成的加工過程。③測量表面：基于測量儀獲得的對實(shí)際表面的描述。

1. 加工表面的特點(diǎn)

超精密加工的實(shí)際表面與名義表面的差別在于它可顯現(xiàn)出表面的特征、缺陷和形狀誤差。其中，表面特征是控制工業(yè)產(chǎn)品表面質(zhì)量的主要內(nèi)容，它是實(shí)際表面上某些典型偏差的綜合，主要包括粗糙度和波紋度。粗糙度是指表面特征的精細(xì)不規(guī)則性，通常來源于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征標(biāo)記。波紋度是表面特征更為廣泛的空間構(gòu)成，產(chǎn)生于機(jī)床或工件的偏差或振動。粗糙度可被認(rèn)為是波動表面上的疊加。

作為物質(zhì)實(shí)體，表面具有許多特征。表面的幾何形狀即為其重要特征之一，它的自然狀態(tài)是三維(3D)的，其特征細(xì)節(jié)被稱為形貌。在許多應(yīng)用中，形貌代表著表面的主要外部特征。

3 超精密元件表面的加工、表征及功能

工件表面產(chǎn)生于大量的加工過程，一旦加工完成，反映加工過程的表面特征就會體現(xiàn)在表面上，因此加工元件的表面特征是整個(gè)加工過程的復(fù)現(xiàn)(Fingerprint)，任何加工變量的改變和加工刀具的誤差都將體現(xiàn)在表面特征中。同時(shí)，這些表面特征又決定著加工元件表面的最終功能，即特定的表面特征產(chǎn)生相應(yīng)的表面功能，因此表面是其加工控制和功能設(shè)計(jì)的聯(lián)結(jié)(Link)，而對表面的表征是獲取表面信息的重要手段。由此可知，表面的加工、表征和功能是相互關(guān)聯(lián)的：一方面，表面形成的每一加工階段及處理過程都決定著表面宏觀及微觀幾何特性；另一方面，工件表面的幾何特性以及物理、化學(xué)特性等在相當(dāng)大程度上決定了產(chǎn)品表面的最終功能。表面的加工、表征和功能之間的相互關(guān)系可用圖1加以說明。針對具體的應(yīng)用功能，應(yīng)考慮相應(yīng)表面的幾何、物理和化學(xué)特性等，只有通過相應(yīng)的加工控制和質(zhì)量控制才能獲得理想的表面設(shè)計(jì)功能。

1. 表面的加工

先進(jìn)的加工技術(shù)是獲得高質(zhì)量表面的重要前提和保證。以納米級加工為發(fā)展目標(biāo)的超精密加工技術(shù)是當(dāng)今及未來制造技術(shù)的基礎(chǔ)之一。超精密切削是超精密加工的重要組成部分，其關(guān)鍵技術(shù)是極鋒銳的金剛石單點(diǎn)切削(SPDT)，即采用具有納米級鋒銳度的切削刃、切削時(shí)刃口可復(fù)印在加工表面上、具有高耐磨性的單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工。該技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為制造尖端、精密元件的成熟加工技術(shù)，可加工出具有微米至亞微米級精度、表面粗糙度達(dá)納米級范圍的工件。由于可獲得高質(zhì)量、高精度的加工表面，金剛石單點(diǎn)切削(SPDT)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于精密部件和掃描鏡、注塑相機(jī)透鏡塑模等光學(xué)元件的加工。此外，具有特殊功能要求的高質(zhì)量表面是由多種加工過程完成的，由此產(chǎn)生的表面特征也是多加工綜合作用的結(jié)果。例如，汽缸內(nèi)腔的平面磨削就是一個(gè)多加工修整過程，它產(chǎn)生一種特殊類型的表面特征，由深的溝槽(有利于油液滯留)和溝槽之間精細(xì)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(jié)果，故影響表面質(zhì)量的加工因素較多。對于切削、成型、研磨以及刻蝕、激光、電子束等加工技術(shù)，表面幾何形貌的形成主要受機(jī)床、刀具、工件和加工環(huán)境等相關(guān)因素的影響，如表1 所示。

表1 影響表面幾何形貌的相關(guān)因素

機(jī)床	刀具	工件	加工環(huán)境
導(dǎo)向偏差 工件與刀具定位的系統(tǒng)、隨機(jī)偏差 熱的不穩(wěn)定性 夾緊力和材料去除 機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)的振動 工件與夾具或工作臺定位基準(zhǔn)之間的導(dǎo)向及定位偏差 加工參數(shù)(轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度等)	具幾何形狀 刀具的預(yù)調(diào)整 刀具磨損狀態(tài) 材料去除時(shí)的接觸和摩擦條件	各加工階段前的實(shí)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(qiáng)度、硬度等)的變化	恒溫條件 恒濕條件 防振條件 超凈條件

在一定加工條件下，可形成相應(yīng)的表面特征。若改變加工控制參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量、切削深度等)，必然會產(chǎn)生相應(yīng)的幾何形貌變化。由于振動、熱的不穩(wěn)定性、加工環(huán)境變化等諸多隨機(jī)因素的影響，導(dǎo)致加工控制和表面形成出現(xiàn)一些不確定性因素，阻礙了工程技術(shù)人員通過精確控制加工條件而獲得理想表面�；�于機(jī)床運(yùn)動學(xué)和切削理論分析，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮侠砑僭O(shè)，借助數(shù)學(xué)變換對加工控制參數(shù)與表面特征表征參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)在加工前預(yù)測表面質(zhì)量，是超精密加工表面研究的一個(gè)重要方向。

表面的表征

作為加工控制和功能設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，表面的表征提供了極有價(jià)值的形貌、特性信息，因此它是有關(guān)表面研究的一個(gè)關(guān)鍵問題�，F(xiàn)有的表面表征方法較多，如統(tǒng)計(jì)分析、譜分析、自相關(guān)分析、時(shí)間序列分析、分形和函數(shù)說明等。但不論采取何種技術(shù)，從工程學(xué)的觀點(diǎn)看，表面形貌的表征最終都是利用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行表征并輔以通用的視覺技術(shù)，即表面形貌特性是根據(jù)視覺圖象和表面參數(shù)值來進(jìn)行評價(jià)。

由于表面形貌固有的三維狀態(tài)，采用二維參數(shù)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(shù)和3D圖象已成為評價(jià)表面形貌的實(shí)用方法。3D參數(shù)能表征并定量說明表面的微觀幾何形貌，3D數(shù)據(jù)由測量儀獲得。采用視覺技術(shù)和圖象處理技術(shù)可對表面進(jìn)行直觀、現(xiàn)實(shí)的描述，圖象可傳遞大量易于解釋的信息，是定性表征表面的有效方法。由于單個(gè)參數(shù)難以完整描述復(fù)雜的實(shí)際表面，因此需要利用綜合的組參數(shù)來進(jìn)行參數(shù)表征，其中的每個(gè)參數(shù)只能提供微觀幾何形貌的某些具體特征，它可以被測量和定量表示。由于工程表面三維形貌信息的復(fù)雜性和綜合性，僅用幾個(gè)參數(shù)很難完整描述三維表面特征。K.J.Stout等人提出按不同的表征特性將參數(shù)劃分為幅度參數(shù)、空間參數(shù)、綜合參數(shù)和功能參數(shù)四大類(共14 個(gè)參數(shù))，各參數(shù)的類別及定義見表2。

表2 三維表面微觀形貌的表征參數(shù)

幅度參數(shù)	空間參數(shù)	綜合參數(shù)	功能參數(shù)
Sq—表面形貌的均方根偏差 Sz—表面十點(diǎn)高度 Ssk—表面高度分布的偏斜度 Sku—表面高度分布的峭度	Sal—最速衰減自相關(guān)函數(shù) Sds—表面峰頂密度 Str—表面的結(jié)構(gòu)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(shù)平均頂點(diǎn)曲率 Sdr—表面的展開界面面積比率	Sbi—表面支承指數(shù) Sci—中心液體滯留指數(shù) Svi—谷區(qū)液體滯留指數(shù)

為對表面進(jìn)行定量分析，還可采用MOTIF參數(shù)表征和分形函數(shù)表征。MOTIF參數(shù)表征采用7個(gè)參數(shù)對表面粗糙度和波紋度進(jìn)行完整描述，該方法是將未濾波輪廓分解為由峰表征的幾何形狀特征，根據(jù)相對幅值其輪廓峰或消失或保持不變。分形是一種連續(xù)但處處不可微的函數(shù)，在一定范圍的觀測尺度上，分形呈現(xiàn)出自相似/ 相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)表明，許多工程表面均具有分形特征。分形函數(shù)表征僅用一個(gè)表面分形維數(shù)D(D是介于2和3之間的分?jǐn)?shù))即可描述復(fù)雜的幾何形狀。

3D分析的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行直觀的圖像表征，合適的圖像表征能給出足夠的表面微觀形貌信息。常用的圖像表征方式有等高圖、灰度圖、投影圖等。等高圖可幫助辯識表面的方向特征，它是采用直線或曲線連接具有相同高度的點(diǎn)，并用線性插值法求出其余的交叉點(diǎn)，據(jù)此繪制表面形貌圖�；叶葓D上的每一點(diǎn)可表示與其高度相關(guān)的灰度等級。在投影圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)的有效表示是基于等軸或正視投影。

表面的功能

在工程應(yīng)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(shí)現(xiàn)這些功能要求，需要將功能表面設(shè)計(jì)為可產(chǎn)生相應(yīng)功能的特殊形貌。表面功能的范圍很廣，對于接觸元件，常用的應(yīng)用功能要求有磨損、摩擦、潤滑、疲勞、密封、接觸剛度、接觸應(yīng)力、承載面積、熱傳導(dǎo)性等；對于非接觸元件，常用的功能要求主要有光學(xué)焦距、反射、表面保護(hù)、表面噴涂等。

目前對表面功能尚無十分明確的表征方法。有些表面參數(shù)可用于預(yù)測工件的功能特性。例如，由于粗糙度的輪廓峰高度R_z值始終小于涂層厚度，因此粗糙度參數(shù)具有控制加工表面質(zhì)量和確保表面功能的雙重作用。表面的某些特征對于實(shí)現(xiàn)其特殊應(yīng)用功能十分重要，因此有時(shí)需要用專門定義的功能參數(shù)來描述表面的相應(yīng)特征。例如，表面支承指數(shù)S_bi用于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(shù)S_ci可反映在表面的中心區(qū)域液體滯留的性能，S_ci值大，表明表面的中心區(qū)域液體滯留性能好；谷區(qū)液體滯留指數(shù)S_vi表示在表面谷區(qū)的液體滯留性能，S_vi值大，表明在表面谷區(qū)液體的滯留能力強(qiáng)。但是，一組功能參數(shù)只能描述有限的幾類應(yīng)用功能，因此利用一組功能參數(shù)來表征所有的功能要求是不可能的，而為每一項(xiàng)應(yīng)用功能都建立相應(yīng)的功能參數(shù)也是不現(xiàn)實(shí)的。由于表面特征參數(shù)(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(guān)鍵因素，因此可利用其來預(yù)測表面功能特性。除表面粗糙度外，幾何尺寸參數(shù)、圓度或圓柱度參數(shù)、殘余應(yīng)力等物理特性也可用于預(yù)測表面功能特性。

D.J.Whitehouse等人不久前提出一種評價(jià)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，并在設(shè)計(jì)階段有效控制表面粗糙度等影響因素。由于沒有界限條件，因此傳統(tǒng)的表面參數(shù)仍適用于功能圖。功能圖是以圖形方式而非文字說明方式表征表面功能特性(它同時(shí)也是加工圖的模擬)，它主要由兩個(gè)笛卡爾坐標(biāo)軸構(gòu)成：縱坐標(biāo)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(fù)(例如表面之間因相互嵌入而發(fā)生彈性或塑性變形，則表現(xiàn)為負(fù)間隔值)。表面間隔特性主要受加工過程的影響(尤其當(dāng)表面間隔很小時(shí))。橫坐標(biāo)軸表示表面間的相對橫向移動。接觸點(diǎn)的數(shù)量及分布取決于局部幾何形狀(來源于輪廓信息)，而相對速度所受影響則取決于表面的總體形狀和區(qū)域?qū)?主要受刀具空間軌跡的影響)。橫坐標(biāo)還需考慮剪切應(yīng)力、表面運(yùn)動的接觸動能等橫向影響因素。功能圖的應(yīng)用范圍不只局限于雙表面，當(dāng)表面間隔值較大時(shí)(相對粗糙度值而言)，即可認(rèn)為是一個(gè)光學(xué)反射的單表面。但是，采用功能圖評價(jià)工件表面功能時(shí)，有些功能特性(如承載特性等)無法表達(dá)。

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地、可重復(fù)地獲得高質(zhì)量表面，其困難之處不僅在于需要對加工條件、加工性能以及加工控制具有全面而深刻的了解，還在于如何使元件表面按設(shè)計(jì)者的目標(biāo)和具體要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的表面功能。因此必須對表面加工過程、表面特征以及表面功能具有準(zhǔn)確的理解與掌握，從而通過對加工過程的連續(xù)監(jiān)控獲得所需的功能表面。

4 結(jié)語