1 引言

隨著精密、超精密以及納米級加工技術、先進控制系統、激光測量技術、掃描探針顯微鏡等相關技術的快速發展，超精密加工表面的研究不斷取得新的進展，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加工和試驗的基礎上獲得的，如何穩定地、可重復地獲得高質量表面，實現表面的設計功能，仍是超精密表面加工研究的一個難點。目前，關于超精密加工表面的一個重要研究方向是研究表面的加工形成機理，并根據表面的不同用途及相應的功能要求，在加工前對表面進行設計和預測，從而達到穩定獲得所需功能表面以滿足實際應用需求的目的。為此，必須對超精密元件表面的加工、表征及功能進行全面而深入的研究。

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于其它物體或空間的周界面。為便于研究分析，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)，其形狀及范圍通常在圖示中顯示并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際表面的描述。

1. 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于它可顯現出表面的特征、缺陷和形狀誤差。其中，表面特征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。粗糙度是指表面特征的精細不規則性，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記。波紋度是表面特征更為廣泛的空間構成，產生于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。

作為物質實體，表面具有許多特征。表面的幾何形狀即為其重要特征之一，它的自然狀態是三維(3D)的，其特征細節被稱為形貌。在許多應用中，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在表面上，因此加工元件的表面特征是整個加工過程的復現(Fingerprint)，任何加工變量的改變和加工刀具的誤差都將體現在表面特征中。同時，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生相應的表面功能，因此表面是其加工控制和功能設計的聯結(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聯的：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、化學特性等在相當大程度上決定了產品表面的最終功能。表面的加工、表征和功能之間的相互關系可用圖1加以說明。針對具體的應用功能，應考慮相應表面的幾何、物理和化學特性等，只有通過相應的加工控制和質量控制才能獲得理想的表面設計功能。

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制造技術的基礎之一。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)，即采用具有納米級鋒銳度的切削刃、切削時刃口可復印在加工表面上、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制造尖端、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范圍的工件。由于可獲得高質量、高精度的加工表面，金剛石單點切削(SPDT)技術已被廣泛應用于精密部件和掃描鏡、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，由此產生的表面特征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征，由深的溝槽(有利于油液滯留)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。對于切削、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 工件與夾具或工作臺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	恒溫條件 恒濕條件 防振條件 超凈條件

在一定加工條件下，可形成相應的表面特征。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。由于振動、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。基于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征表征參數之間的關系進行建模，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。

表面的表征

作為加工控制和功能設計的關聯環節，表面的表征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。現有的表面表征方法較多，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。但不論采取何種技術，從工程學的觀點看，表面形貌的表征最終都是利用相關參數進行表征并輔以通用的視覺技術，即表面形貌特性是根據視覺圖象和表面參數值來進行評價。

由于表面形貌固有的三維狀態，采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圖象已成為評價表面形貌的實用方法。3D參數能表征并定量說明表面的微觀幾何形貌，3D數據由測量儀獲得。采用視覺技術和圖象處理技術可對表面進行直觀、現實的描述，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。由于單個參數難以完整描述復雜的實際表面，因此需要利用綜合的組參數來進行參數表征，其中的每個參數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雜性和綜合性，僅用幾個參數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征參數

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—表面高度分布的偏斜度 Sku—表面高度分布的峭度	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，還可采用MOTIF參數表征和分形函數表征。MOTIF參數表征采用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征的幾何形狀特征，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，在一定范圍的觀測尺度上，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征。分形函數表征僅用一個表面分形維數D(D是介于2和3之間的分數)即可描述復雜的幾何形狀。

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，并用線性插值法求出其余的交叉點，據此繪制表面形貌圖。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于等軸或正視投影。

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。表面功能的范圍很廣，對于接觸元件，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；對于非接觸元件，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。有些表面參數可用于預測工件的功能特性。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。表面的某些特征對于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征。例如，表面支承指數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征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。由于表面特征參數(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、殘余應力等物理特性也可用于預測表面功能特性。

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，并在設計階段有效控制表面粗糙度等影響因素。由于沒有界限條件，因此傳統的表面參數仍適用于功能圖。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。功能圖的應用范圍不只局限于雙表面，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，采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、可重復地獲得高質量表面，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、表面特征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