Chapt._精密与特种加工技术(课件)

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1、第一章 概 论第一节 精密与特种加工的产生背景机械制造面临着一系列严峻的任务： 解决各种难切削材料的加工问题。 解决各种特殊复杂型面的加工问题。 解决各种超精密、光整零件的加工问题。 特殊零件的加工问题。第二节 精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术； 精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它们与传统切削加工的不同特点主要有： 主要不是依靠机械能； 刀具的硬度可以低于被加工工件

2、材料的硬度； 在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用。 精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革： 提高了材料的可加工性。 改变了零件的典型工艺路线。 大大缩短新产品试制周期。 对产品零件的结构设计产生很大的影响。 对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。第三节 精密与特种加工的方法及分类1加工成形的原理 分为去除加工、结合加工、变形加工三大类。 去除加工又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料。 结合加工是利用理化方法将不同材料结合在一起。又可分为附着、注入、连接三种。 变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能

3、。2加工方法机理按机理精密与特种加工分为传统加工、非传统加工、复合加工。第四节 精密与特种加工技术的地位和作用先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一。发展先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。 从先进制造技术的技术实质而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域。精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。产品的实际制造，必然要依靠精密加工技术。第二章 金刚石刀具精密切削加工第一节 概 述精密与超精密加

4、工和制造自动化是先进制造技术的两大领域。加工精度在0.11m，表面粗糙度Ra在0.020.1m之间的加工称为精密加工；加工精度高于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.01m的加工称为超精密加工。一、超精密加工的难点精度难以控制；刚度和热变形影响；去除层薄，切应力大；犹如对不连续体进行切削。二、超精密加工的方法按加工方式分：切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工按加工机理和特点分：去除加工、结合加工和变形加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工三、超精密加工的实现条件超精密加工是多学科交叉的综合性高新技术 超精密加工的机理与工艺方法； 超精密加工工艺装备； 超精密加工工具； 超精密加工中的工件材料

5、； 精密测量及误差补偿技术； 超精密加工工作环境、条件等。在超精密加工的中，必须综合考虑以上因素。第二节 超精密机床及其关键部件一、典型超精密机床 超精密加工对机床的基本要求： 高精度 高刚度 高稳定性 高自动化大型光学金刚石车床LODTMFG-001超精密机床OAGM 2500大型超精密机床AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床二、超精密机床的主轴部件主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的要求是极高的回转精度，转动平稳，无振动。液体静压轴承主轴空气静压轴承主轴 双半球空气轴承主轴 径向推力空气静压轴承主轴 球形径向空气轴承主轴 立式空气轴承主轴主轴的驱动方式 柔性联轴器

6、驱动 内装式同轴电动机驱动超精密机床主轴和轴承的材料应考虑以下主要因素： 耐磨损； 不易生锈腐蚀； 热膨胀系数小； 材料的稳定性好。制造空气主轴和轴承的材料主要有： 经表面氮化和低温稳定处理的38CrMoAl氮化钢； 不锈钢； 多孔石墨和轴承钢。另外还有铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷等。三、精密导轨部件超精密机床的总体布局T形布局十字形布局R- 布局立式结构布局常用的导轨部件 液体静压导轨花岗岩静压导轨 空气静压导轨和气浮导轨空气静压导轨气浮导轨床身及导轨的材料常用的床身及导轨材料有优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。微量进给装置超精密机床的进给系统般采用精密滚珠丝杠副、液体静压和空气静压丝杠副

7、。高精度微量进给装置则有电致伸缩式、弹性变形式、机械传动或液压传动式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式等。目前高精度微量进给装置的分辨力可达到0.0010.01m。精密和超精密微位移机构应满足以下设计要求： 精微进给和粗进给分开。 运动部分必须是低摩擦和高稳定度的。 末级传动元件必须有很高的刚度。 内部连接必须可靠，尽量采用整体结构或刚性连接。 工艺性好，容易制造。 具有好的动特性。 能实现微进给的自动控制。 压电和电致伸缩微进给装置 摩擦驱动装置 机械结构弹性变形微量进给装置第五节 金刚石刀具的结构衡量金刚石刀具质量的标准： 能否加工出高质量的超光滑表面； 能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐

8、。设计金刚石刀具时最主要问题有三个： 确定切削部分的几何形状； 选择合适的晶面作为刀具的前后面； 确定金刚石在刀具上的固定方法和刀具结构。一、金刚石刀具切削部分的几何形状 刀头形式金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃和副切削刃之间加过渡刃。国内多采用直线修光刃，国外标准的金刚石刀具，推荐的修光刃圆弧半径R=0.53mm。金刚石刀具的主偏角一般为3090，以45主偏角应用最为广泛。 前角和后角根据加工材料不同，金刚石刀具的前角可取05，后角一般可取56。美国EI Contour精密刀具公司的标准金刚石车刀结构如上图所示。该车刀采用圆弧修光刃，修光刃圆弧半径R=0.51.5mm。后角采用10，刀具前角

9、可根据加工材料由用户选定。一种可用于车削铝合金、铜、黄铜的通用金刚石车刀结构如右图所示。可获得粗糙度Ra 0.02 0.005m的表面。二、选择合适的晶面作为金刚石刀具前、后面三、金刚石刀具上的金刚石固定方法 机械夹固 用粉末冶金法固定 使用粘结或钎焊固定国内外的金刚石刀具使用者一般都不自己磨刀；Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金刚石刀具。第三章 精密与超精密磨料加工黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，主要是应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。 精密和超精密磨料加工可分为

10、固结磨料和游离磨料加工两大类。第一节 精密磨削精密磨削是指加工精度为10.1m、表面粗糙度为Ra0.20.025m的磨削方法。一、精密磨削机理 靠砂轮的具有微刃性和等高性的磨粒实现的。 微刃的微切削作用 微刃的等高切削作用 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用二、磨削用量三、精密磨削砂轮 1砂轮磨料 精密磨削时所用砂轮的磨料以易于产生和保持微刃及其等高性为原则。钢件及铸铁件，以采用刚玉磨料为宜。碳化硅磨料主要应用于有色金属加工。 2砂轮粒度 粗粒度的微切削作用；细粒度的摩擦抛光作用。 3砂轮结合剂 超精密加工用金属类、陶瓷类结合剂四、精密磨削中的砂轮修整有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚

11、石超声波修整等。 修整用量有：修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。五、超精密磨削 超精密磨削是指加工精度达到或高于0.1m、表面粗糙度低于Ra0.025m的砂轮磨削方法，适宜于对钢、铁材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。 镜面磨削是属于精密磨削和超精密磨削范畴的加工，是指加工表面粗糙度达到Ra0.020.01m、表面光泽如镜的磨削方法。影响超精密磨削的因素有：超精密磨削机理、被加工材料、砂轮及其修整、超精密磨床、工件的定位夹紧、检测及误差补偿、工作环境、操作水平等。超精密磨削需要个高稳定性的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性的要求，并有较强的抗击来自系统内外

12、的各种干扰的能力。 1超精密磨削机理 单颗粒磨削的切入模型如图所示。说明： 可视为一弹性系统 平面磨削的切屑形状如图所示 磨削过程分为弹性区、塑性区、切削区、塑性区，最后为弹性区 存在微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用 磨削状态与磨削系统的刚度密切相关。2超精密磨削工艺 超精密磨削的砂轮选择、砂轮修整、磨削液选择等问题与精密磨削和超硬磨料砂轮磨削有关问题类同。超精密磨削的磨削用量。六、超硬磨料砂轮磨削 超硬磨料砂轮磨削主要是指用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮加工硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特点为： 磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实

13、现加工自动化。 磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。 磨削效率高。 加工成本低。 1超硬磨料砂轮磨削工艺 磨削用量 磨削液：要求磨削液有良好的润滑性、冷却性、清洗性和渗透性。 2超硬磨料砂轮修整 修整是整形和修锐的总称。整形是使砂轮具有定精度要求的几何形状；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成良好的切削刃和足够的容屑空间。 超硬磨料砂轮修整的方法： 车削法； 磨削法； 滚压挤轧法； 喷射法； 电加工法； 超声波振动修整法。第二节 精密研磨与抛光一、研磨加工机理 精密研磨属于游离磨粒切削加工，是在刚性研具上注入磨料，在定压力下，通过研具与工件的相对运

14、动，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以达到高级几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。 1硬脆材料的研磨 硬脆材料研磨的加工模型如图所示。研磨磨粒为1m的氧化铝和碳化硅等。 2金属材料的研磨 金属材料研磨相当于普通切削和磨削的切削深度极小时的状态。二、抛光加工机理 抛光是指用低速旋转的软质弹性或粘弹性材料抛光盘，或高速旋转的低弹性材料抛光盘，加抛光剂，具有一定研磨性质地获得光滑表面的加工方法。抛光使用的磨粒是1m以下的微细磨粒。 抛光加工模型如图3-9所示。 抛光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化学性溶析作用的结合。三、精密研磨、抛光的主要工艺因素精密研磨抛光的主要工艺因素如表3-

15、5所示。 在一定的范围内，增加研磨压力可提高研磨效率。 超精密研磨对研磨运动轨迹有以下基本要求： 工件相对研磨盘作平面平行运动，使工件上各点具有相同或相近的研磨行程。 工件上任一点不出现运动轨迹的周期性重复。 避免曲率过大的运动转角，保证研磨运动平稳。 保证工件走遍整个研磨盘表面，以使研磨盘磨损均匀，进而保证工件表面的平面度。 及时变换工件的运动方向，以减小表面粗糙度值并保证表面均匀一致。四、研磨盘与抛光盘 1研磨盘 研磨盘是涂敷或嵌入磨料的载体。研磨对研磨盘加工面的几何精度要求很高。 研磨盘材料硬度要低于工件材料硬度，且组织均匀致密、无杂质、无异物、无裂纹和无缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含

16、性。常用的研磨盘材料有铸铁、黄铜、玻璃等。 研磨盘的结构要具有良好的刚性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散热性。为了获得良好的研磨表面，常在研磨盘面上开槽。开槽的目的为： 存储多余的磨粒； 作为向工件供给磨粒的通道； 作为及时排屑的通道。 固着磨料研磨盘是一种适用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具，具有表面精度保持性好、研磨效率高的优点。 2抛光盘 抛光盘平面精度及其精度保持性是实现高精度平面抛光的关键。五、研磨剂与抛光剂 对研磨用磨粒的基本要求： 形状、尺寸均匀一致； 能适当地破碎，以使切削刃锋利； 熔点高于工件熔点； 在研磨液中容易分散。对于抛光粉用磨粒，除上述要求外，还要考虑与工件

17、材料作用的化学活性。 研磨抛光加工液主要作用是冷却、润滑、均布研磨盘表面磨粒及排屑。对研磨抛光液的要求： 有效地散热，以防止研磨盘和工件热变形； 粘附低，以保证磨料的流动性； 不污染工件； 物理、化学性能稳定，不分解变质； 能较好地分散磨粒。六、非接触抛光 非接触抛光是指在抛光中工件与抛光盘互不接触，依靠抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状的抛光方法，其去除量仅为几个到十几个原子级。 1弹性发射加工 弹性发射加工是指加工时研具与工件互不接触，通过微粒子冲击工件表面，对物质的原子结合产生弹性破坏，以原子级的加工单位去除工件材料，从而获得无损伤的加工表面。 弹性发射加工原理弹性发

18、射加工方法如图所示 对加工头和工作台实施数控，可实现曲面加工。EEM的数控加工装置如图3-11所示。 2浮动抛光 浮动抛光装置如图所示抛光机理超精密抛光盘的制作是实现浮动抛光加工的关键。 3动压浮离抛光动压浮离抛光平面非接触抛光装置如图所示工作原理加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃平晶的抛光，可同时进行多片加工。4非接触化学抛光 通过向抛光盘面供给化学抛光液，使其与被加工面作相对滑动，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。这种以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅的加工，又称为化学机械抛光。水面滑行抛光借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光。 5切断、开槽及端面抛光采用非接触端面抛光可实现对沟槽的壁面、垂直柱状轴断面进行镜面加工。端面非接触镜面抛光装置示意图如图所示。该方法可用于直径0.1mm左右的光导纤维线路零件的端面镜面抛光以及精密元件的切断。