何谓精密制造(Precision Manufacturing)

1 引言

(1)加工精度(Working accuracy)

可区分为相对精度(Relative Accuracy)与绝对精度(Absolute Accuracy)

(2)绝对机度系指公差值(Tolerance)

如200±0.1mm中之公差值±0.1mm即为绝对精度
相对精度则为容许公差值与工件尺寸之比值
如0.1/200=0.0005

(3)通常加工精度包含

(a)尺寸精度(Dimension Accuracy)，如直径、长度、厚度等。
(b)形状精度(Shape Accuracy)如真直度(Roundness)，圆筒度(Cylindricity)等。
(c)表面精度(Surface Accuracy)，如表面粗度(Surface Finish)等

(4)一般，所谓的加工精度是指尺寸与表面粗度(Surface Finish)

通常零件精度的要求比本身尺寸的万分之一(即相对精度)还高时，便可算是精密制造。然而在微机电系统(MEMS)中之微细加工(Micro Machining)，则以绝对精度来作为精密制造之判定标准。一般cnc工具机的尺寸精度等级是10μm，磁盘驱动器是1μm，光驱是0.1μm，半导体制造设备是0.01μm，而表面精度则为尺寸精度之十分之一，若能达成8述标准，那么就可称为精密制造。

然而究竟到何种程度的加工程度，才能称得上精密加工(Precision Machining)，至是超精密加工(Ultra Machining)，奈米(毫微米)加工(Nano machining )呢?事实上是依各时代之技术水准而异，如图1及图2所示。

图1  Application field for precision-machining in terms of absolute sizes and absolute and relative tolerances.

图1所示，当工件尺寸在10公分以下时，以相对公差(Relative tolerance)即公差与工件尺寸之比值来表示是否可称为精密加工。而当工件尺寸在10微米以下时(如微细加工Micro machining)则以绝对公差(Absolute tolerance)即公差本身之数值来表示是否可称为精密加工或超精密加工。

图2  Definition for normal ,precision ,and ultra precision machining. Left side ordinate : increase of manufacturing accuracy over timeing to Taniguchi. Right side ordinate : increase in transistor density over time according to Moore’s law

如图2所示，依据田口曲线(Taniguchi Curve)可知，加工精度随着年代变化很多。如超精密钻石轮磨加工在2000年时可达1奈米之精度，依据摩自定律(Moore’s Law)可知，芯片(Chip)上之晶体管密度(Transistor density)随年代之变化。 

2 精密制造之领域

精密制造包括

(一)传统的精密加工(Traditional Precision Machining)

如 精密铸造(Precision Casting)
精密锻造(Precision Forging)
精密射出成型(Precision Injection)
精密磨削(Precision Grindiry)
精密铣削(Precision Milling)
精密车削(Precision Turning)

(二)非传统精密加工(Non Traditional Precision Machining)

如 电子束加工(Electron Beam Machining，简称 EBM)
雷射束加工(Laser Beam Machining，简称 LBM)
放电加工(Electro Discharge Machining，简称 EDM)
超音波加工(Ultrasonic Machining，简称 USM)
化学加工( Chemical Machining，简称 CHM)
电化学加工(Electro chemical Machining，简称ECM)

(三)微细加工(Macro machining)

如 微影铸模成型(Lithography Electro forming Micro Molding，简称LIGA)
化学蒸镀(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)
物理蒸镀(Physical Vapor Deposition，简称PVD)
蚀刻(Etching)
化学机械拋光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)
电解拋光(Electrolytic Polishing)

3 精度误差之原因

在加工过程中，造成半成品或成品工件误差之原因，相当繁多，与工作母机之性能、精度、加工参数、刀具、夹治具、工件材质、工作环境等息息相关。如图3所示。

图3  加工过程误差的产生

4 超精密加工的相关因素

微加工精度欲达到精密加工甚至超精密加工等级之相关因素，详如图4所示。

图4  超精密加工的树状关系

5 高速切削

高速切削虽然包括高速车削、铰削、磨削、赞削、搪削、铣削等多种，但是本文以高速铣削为主。

自1990年代以来，工作母机主轴的高速化或进给机构的高速化，进步得非常快速。为了因应这种状况，改良刀具材质，特别是对于端铣刀被覆技术的进步，TiAIN系例的复合被覆已相当普遍。以模具加工中心，利用端铣刀进行高速切削的试验，已相当广泛。

高速化的工作母机主轴或进给机构，以高回转切削，称为高速切削、高进给速度的切削，并统称为高速加工，称为高速机械的切削中心机，其主轴转数多在20000rpm以上。依主轴直径而异，所要求的DN值，大部份要在150万以上，这样才能称为高速机械。

德国Schulz公司针对端铣刀加工的情况，定出了高速切削的下限。

·FRP:1500m/min
·铝:1200m/min
·铸铁:900m/min
·钢:500m/min

高度生产技术能力是维持高度工业生产力的主要泉源。其中高速切削加工技术乃是受到业界重视的有效手段。图5是高速切削(高速铣削)的基本概念图标。自古以来通称的一般性切削分为具有高效率目的之粗切削和具高精度目的之精加工等二种形式，但高速铣削则同时兼具高精度和高效率之崭新切削方式，早在十年以前高速铣削即被视为新的高速切削技术。当导入和确立高速铣削加工技术时，必须将高速型加工中心机、铣削刀具、夹具及CAM系统视为一个系统，并且能够有效运用，是组统或生产体制中不可或缺的要件。

图5  高速铣削基本概念

高速切削能够获得如图6所示的预期效果

图6  高速铣削作业能够获得的预期效果

提高切削速度是不仅可以降低切屑厚度而加速切屑的排出。如图7所示提高切削速度也是可以提高切层面粗糙精度的，像以高精度切削为目的之铣削作业里，在提高切削速度的条件下对切削加工是有利的，例如在铝合金模里太多的研磨加工会让担心形状精度会下降，因此切削加工应该是高精度化的最理想方法，因为高速铣削作业不论是干式铣削、油雾冷却铣削，均不会因铣削生热使工件变形、降低刀具寿命，以及因切屑引发的故障均不会发生，以上均是高速铣削的优点。

图7  图形端铣刀切削中切削速度和精加工表面粗糙度间相关示例

高速切削的技术思想，以公元1930年代，萨尔蒙(C.Salomon)最先实行的预测超高速切削最有名。图8，所描绘出来的之切削加工技术，在当时对未来技术展望，表示了用于高速切削的专利申请，及其超高速切削与切削温度的关系，这是一张很有名的图。

图8  在铣削加工中，速度对切削温度的影响(取自萨尔蒙)

萨尔蒙的技术思想，在超高速切削领域中，切削速度增加得愈快，其切削温度愈降低，可以实现改善材料的切削性、降低切削阻力与提高加工精度，使刀具不容易产生摩耗。针对切削阻力与加工精度，萨尔蒙的预测和他以后的研究结果，在方向上大约一致。