1 引言

隨著精密尚镰、超精密以及納米級(jí)加工技術(shù)、先進(jìn)控制系統(tǒng)派任、激光測(cè)量技術(shù)晒他、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)展笼平，其加工精度正逐步從亞微米級(jí)提高到納米級(jí)园骆，通過(guò)超精加工獲得超光滑表面已成為可能。但是寓调，這些超光滑表面通常是在反復(fù)加工和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得的锌唾，如何穩(wěn)定地、可重復(fù)地獲得高質(zhì)量表面夺英，實(shí)現(xiàn)表面的設(shè)計(jì)功能晌涕，仍是超精密表面加工研究的一個(gè)難點(diǎn)。目前痛悯，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)理余黎，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(duì)表面進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)凄在，從而達(dá)到穩(wěn)定獲得所需功能表面以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的目的才擒。為此，必須對(duì)超精密元件表面的加工舞懦、表征及功能進(jìn)行全面而深入的研究善瞧。

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。為便于研究分析毕蕉，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASME B46.1-1995中給出了名義表面蓬肢、實(shí)際表面和測(cè)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)苇葫，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(shuō)明汇泰。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(lái)源于表面形成的加工過(guò)程堰聪。③測(cè)量表面：基于測(cè)量?jī)x獲得的對(duì)實(shí)際表面的描述柄立。

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、缺陷和形狀誤差缝帝。其中绊寻，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悬秉，主要包括粗糙度和波紋度澄步。粗糙度是指表面特征的精細(xì)不規(guī)則性，通常來(lái)源于加工過(guò)程所固有的作用或材料條件，這些都可能是加工過(guò)程留在表面上的特征標(biāo)記村缸。波紋度是表面特征更為廣泛的空間構(gòu)成祠肥，產(chǎn)生于機(jī)床或工件的偏差或振動(dòng)。粗糙度可被認(rèn)為是波動(dòng)表面上的疊加梯皿。

作為物質(zhì)實(shí)體仇箱，表面具有許多特征。表面的幾何形狀即為其重要特征之一东羹，它的自然狀態(tài)是三維(3D)的剂桥，其特征細(xì)節(jié)被稱(chēng)為形貌。在許多應(yīng)用中属提，形貌代表著表面的主要外部特征权逗。

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(guò)程冤议，一旦加工完成僵馒，反映加工過(guò)程的表面特征就會(huì)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(guò)程的復(fù)現(xiàn)(Fingerprint)北拔，任何加工變量的改變和加工刀具的誤差都將體現(xiàn)在表面特征中换秧。同時(shí)，這些表面特征又決定著加工元件表面的最終功能以搏，即特定的表面特征產(chǎn)生相應(yīng)的表面功能辫航，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(duì)表面的表征是獲取表面信息的重要手段钉拯。由此可知漓惕，表面的加工、表征和功能是相互關(guān)聯(lián)的：一方面决榔，表面形成的每一加工階段及處理過(guò)程都決定著表面宏觀(guān)及微觀(guān)幾何特性每贮；另一方面，工件表面的幾何特性以及物理乡鼻、化學(xué)特性等在相當(dāng)大程度上決定了產(chǎn)品表面的最終功能榔汤。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(shuō)明艇挨。針對(duì)具體的應(yīng)用功能残炮，應(yīng)考慮相應(yīng)表面的幾何、物理和化學(xué)特性等缩滨，只有通過(guò)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)功能势就。

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(jí)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(lái)制造技術(shù)的基礎(chǔ)之一脉漏。超精密切削是超精密加工的重要組成部分苞冯，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(jí)鋒銳度的切削刃、切削時(shí)刃口可復(fù)印在加工表面上舅锄、具有高耐磨性的單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工鞭达。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)巧娱，可加工出具有微米至亞微米級(jí)精度碉怔、表面粗糙度達(dá)納米級(jí)范圍的工件。由于可獲得高質(zhì)量禁添、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庸伏、注塑相機(jī)透鏡塑模等光學(xué)元件的加工与笛。此外，具有特殊功能要求的高質(zhì)量表面是由多種加工過(guò)程完成的技乡，由此產(chǎn)生的表面特征也是多加工綜合作用的結(jié)果得惩。例如，汽缸內(nèi)腔的平面磨削就是一個(gè)多加工修整過(guò)程技碍，它產(chǎn)生一種特殊類(lèi)型的表面特征皇苫，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(guò)程綜合作用的結(jié)果云许，故影響表面質(zhì)量的加工因素較多烈拉。對(duì)于切削、成型辣候、研磨以及刻蝕牛拭、激光、電子束等加工技術(shù)大熟，表面幾何形貌的形成主要受機(jī)床割扬、刀具、工件和加工環(huán)境等相關(guān)因素的影響偿荷，如表1 所示窘游。

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(dòng) 工件與夾具或工作臺(tái)定位基準(zhǔn)之間的導(dǎo)向及定位偏差 加工參數(shù)(轉(zhuǎn)速跳纳、進(jìn)給量忍饰、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(cè)量、成型和定位偏差棒旗、表面粗糙度) 工件剛度 材料性能(強(qiáng)度喘批、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)的表面特征铣揉。若改變加工控制參數(shù)(切削速度饶深、進(jìn)給量、切削深度等)，必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的幾何形貌變化敌厘。由于振動(dòng)台猴、熱的不穩(wěn)定性、加工環(huán)境變化等諸多隨機(jī)因素的影響俱两，導(dǎo)致加工控制和表面形成出現(xiàn)一些不確定性因素饱狂，阻礙了工程技術(shù)人員通過(guò)精確控制加工條件而獲得理想表面〔熬疲基于機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和切削理論分析装魁，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮侠砑僭O(shè)，借助數(shù)學(xué)變換對(duì)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)行建模缰橘，實(shí)現(xiàn)在加工前預(yù)測(cè)表面質(zhì)量逐程，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)赞拼，表面的表征提供了極有價(jià)值的形貌飒自、特性信息，因此它是有關(guān)表面研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題×Ф停現(xiàn)有的表面表征方法較多秘驻，如統(tǒng)計(jì)分析、譜分析玫葡、自相關(guān)分析戳明、時(shí)間序列分析、分形和函數(shù)說(shuō)明等茶月。但不論采取何種技術(shù)需五，從工程學(xué)的觀(guān)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(jué)技術(shù)轧坎，即表面形貌特性是根據(jù)視覺(jué)圖象和表面參數(shù)值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)宏邮。

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缸血，因此3D參數(shù)和3D圖象已成為評(píng)價(jià)表面形貌的實(shí)用方法蜜氨。3D參數(shù)能表征并定量說(shuō)明表面的微觀(guān)幾何形貌，3D數(shù)據(jù)由測(cè)量?jī)x獲得捎泻。采用視覺(jué)技術(shù)和圖象處理技術(shù)可對(duì)表面進(jìn)行直觀(guān)飒炎、現(xiàn)實(shí)的描述，圖象可傳遞大量易于解釋的信息笆豁，是定性表征表面的有效方法郎汪。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(lái)進(jìn)行參數(shù)表征闯狱，其中的每個(gè)參數(shù)只能提供微觀(guān)幾何形貌的某些具體特征煞赢，它可以被測(cè)量和定量表示抛计。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照筑。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)嫡澄、空間參數(shù)、綜合參數(shù)和功能參數(shù)四大類(lèi)(共14 個(gè)參數(shù))诽矩，各參數(shù)的類(lèi)別及定義見(jiàn)表2改擂。

表2 三維表面微觀(guān)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(kāi)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(duì)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)表征租触。MOTIF參數(shù)表征采用7個(gè)參數(shù)對(duì)表面粗糙度和波紋度進(jìn)行完整描述胶棕，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(duì)幅值其輪廓峰或消失或保持不變误扯。分形是一種連續(xù)但處處不可微的函數(shù)颓之，在一定范圍的觀(guān)測(cè)尺度上，分形呈現(xiàn)出自相似/ 相關(guān)性骇瓦。實(shí)驗(yàn)表明，許多工程表面均具有分形特征诽粪。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)雜的幾何形狀庶咨。

3D分析的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行直觀(guān)的圖像表征，合適的圖像表征能給出足夠的表面微觀(guān)形貌信息君铁。常用的圖像表征方式有等高圖检碗、灰度圖、投影圖等码邻。等高圖可幫助辯識(shí)表面的方向特征折剃，它是采用直線(xiàn)或曲線(xiàn)連接具有相同高度的點(diǎn)，并用線(xiàn)性插值法求出其余的交叉點(diǎn)像屋，據(jù)此繪制表面形貌圖怕犁。灰度圖上的每一點(diǎn)可表示與其高度相關(guān)的灰度等級(jí)己莺。在投影圖中奏甫，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)用中凌受，要求某些元件的表面具有某些特殊功能特性阵子，如具有高支承能力、密封能力胜蛉、潤(rùn)滑油滯留能力等挠进。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)功能的特殊形貌誊册。表面功能的范圍很廣皇驼，對(duì)于接觸元件圾框，常用的應(yīng)用功能要求有磨損、摩擦扶蜻、潤(rùn)滑巷同、疲勞、密封搔绿、接觸剛度豁箱、接觸應(yīng)力、承載面積法顺、熱傳導(dǎo)性等归闺；對(duì)于非接觸元件，常用的功能要求主要有光學(xué)焦距快挡、反射临辨、表面保護(hù)、表面噴涂等现蹂。

目前對(duì)表面功能尚無(wú)十分明確的表征方法筏拢。有些表面參數(shù)可用于預(yù)測(cè)工件的功能特性。例如凑懂，由于粗糙度的輪廓峰高度R_z值始終小于涂層厚度煤痕，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(duì)于實(shí)現(xiàn)其特殊應(yīng)用功能十分重要接谨，因此有時(shí)需要用專(zhuān)門(mén)定義的功能參數(shù)來(lái)描述表面的相應(yīng)特征摆碉。例如，表面支承指數(shù)S_bi用于表示表面的支承性能脓豪，S_bi值大巷帝，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)域液體滯留的性能扫夜，S_ci值大楞泼，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)的液體滯留性能历谍，S_vi值大现拒，表明在表面谷區(qū)液體的滯留能力強(qiáng)。但是望侈，一組功能參數(shù)只能描述有限的幾類(lèi)應(yīng)用功能印蔬，因此利用一組功能參數(shù)來(lái)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)的猛疗。由于表面特征參數(shù)(如表面粗糙度)對(duì)加工的變化具有敏感性铅州，而且它是在接觸或流動(dòng)狀況下反映表面功能的關(guān)鍵因素，因此可利用其來(lái)預(yù)測(cè)表面功能特性定合。除表面粗糙度外溶瞬，幾何尺寸參數(shù)叛榆、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(cè)表面功能特性鄙骏。

D.J.Whitehouse等人不久前提出一種評(píng)價(jià)工件表面功能特性的新方法——功能圖码遥。該方法嘗試對(duì)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碗冈。由于沒(méi)有界限條件班粥，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(shuō)明方式表征表面功能特性(它同時(shí)也是加工圖的模擬)怪褐，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溜勃，若表面之間相互脫離，間隔值為正蝠欲；若表面之間相互接觸廉丽，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)妻味。表面間隔特性主要受加工過(guò)程的影響(尤其當(dāng)表面間隔很小時(shí))正压。橫坐標(biāo)軸表示表面間的相對(duì)橫向移動(dòng)。接觸點(diǎn)的數(shù)量及分布取決于局部幾何形狀(來(lái)源于輪廓信息)责球，而相對(duì)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)蔑匣。橫坐標(biāo)還需考慮剪切應(yīng)力、表面運(yùn)動(dòng)的接觸動(dòng)能等橫向影響因素棕诵。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(duì)粗糙度值而言)凿将，即可認(rèn)為是一個(gè)光學(xué)反射的單表面校套。但是，采用功能圖評(píng)價(jià)工件表面功能時(shí)牧抵，有些功能特性(如承載特性等)無(wú)法表達(dá)笛匙。

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地、可重復(fù)地獲得高質(zhì)量表面犀变，其困難之處不僅在于需要對(duì)加工條件妹孙、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)的表面功能考叽。因此必須對(duì)表面加工過(guò)程肢姜、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(guò)對(duì)加工過(guò)程的連續(xù)監(jiān)控獲得所需的功能表面连碎。

4 結(jié)語(yǔ)