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1、精密加工与特种加工精密加工与特种加工 Precision and ultraprecision machining 第三讲 （超）精密磨料加工 超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加 工精度0.1m，Ra0.0250.008m。 一、精密和超精密磨料加工分类 * * 精密和超精密磨削概述精密和超精密磨削概述 游离磨料加工 磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。 一、精密和超精密磨料加工分类 * * 精密和超精密磨削概述精密和超精密磨削概述 2、精密和超精密砂轮磨料磨具
2、磨料及其选择 普通磨料 碳化物系 碳化硼 碳化硅 刚玉系 超硬磨料 金刚石 天然 人造 立方氮化硼 2、精密和超精密砂轮磨料磨具 磨料粒度及其选择 多选用180240普通 磨料、170/200325/400 超硬磨料的磨粒和各种 粒度的微粉。 结合剂及其选择 将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有 一定的强度。 树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂 组织和浓度及其选择 普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含 量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削 选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度 ；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用 细粒度、低质量浓度。
3、2、精密和超精密砂轮磨料磨具 硬度及其选择 普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。 超硬磨具无硬度项指标。 磨具的强度 高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破 碎的能力。 磨具的形状和尺寸及其基体材料 根据机床规格和加工情况选择磨具的形 状和尺寸。 基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨 具多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具 采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具 多采用陶瓷。 * * 3、精密和超精密涂覆磨具 涂覆磨具分类 涂 覆 磨 具 工 作 条 件 基 底 材 料 形 状 耐 水 干 磨 复 合 纸 棉 布 化 纤 布 塑 料 膜 盘 状 页 状 卷 状 环 状 带 状 * * 涂覆磨料及粒度 棕刚玉、
4、白刚玉、铬刚玉、锆 刚玉黑色碳化硅、绿色碳化硅、 氧化铁、人造金刚石等。 涂覆磨料的粒度无论磨粒还是 微粉，都用P字粒度号表示。 粘接剂 又称为胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。 动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨 和油磨。 树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂 等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。 高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。 精密和超精密磨削概述精密和超精密磨削概述 三、精密和超精密涂覆磨具 * * 涂覆方法 重力落砂法涂覆法 静电植砂法 三、精密和超精密涂覆磨具 * * 精密磨削精密磨削 一、精密磨削机理 (1)微刃的微切削作用 (2)微刃的等高切削
5、作用 (3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用 * * 精密磨削精密磨削 二、精密磨削砂轮选择 精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃 及其等高性为原则。 磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好，单晶 刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。 砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。 结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛 光作用。 * * 精密磨削精密磨削 三、精密磨削时砂轮的修整 砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修 整等。 砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次 数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为10 15mm/min，修整深度为2.5m
6、/单行程，精修次 数23次，光修次数1次单行程。 * * 精密磨削精密磨削 四、精密磨床 精密磨削要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求： 1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度 ，以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压 和动静压组合轴承。 2、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能 平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流 阀、工作台导轨压力润滑。 3、减少振动 1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进 行隔振； 2）砂轮要进行动平衡； 3）精密磨床最好安装在防振地基上。 精密磨削精密磨削 五、磨削用量 砂轮速度 一般在1530m/s
7、一般在612m/min 工作速度 工件纵向进给量 一般为50100mm/min或0.060.5mm/r 横向进给量（吃刀量） 一般取0.62.5m/单行程 横向进给次数 一般约23次（单行程） 光磨（无火花磨削） 粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用58次 细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025次。 * * 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削 一、超硬磨料砂轮磨削特点 1）可加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如 硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石材等。立方氮化硼砂轮 磨削时，热稳定性好，化学惰性强，不易与铁素元素产生亲 和作用和化学反应，加工黑色金属时，有较高的耐磨性。 2）磨削能力强
8、，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸 及实现加工自动化。 3）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。 4）磨削效率高。 5）综合成本低。 * * 整形 对砂轮进行微量切削，使砂 轮达到所要求的几何形状精 度，并使磨料尖端细微破碎， 形成锋利的磨削刃。 修锐 去除磨粒间的结合剂，使磨 粒间有一定的容屑空间，并 使磨刃突出于结合剂之外， 形成切削刃。 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削 二、超硬磨料砂轮修整 * * 二、超硬磨料砂轮修整 车削法 用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车 削金刚石砂轮达到修整目的。 磨削法 用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普 通磨料
9、磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、 金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用 的修整法。 二、超硬磨料砂轮修整 滚压挤轧法 用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮 ，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚， 使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面 崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料， 依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。 * * 二、超硬磨料砂轮修整 喷射法 碳化硅和刚玉 * * 二、超硬磨料砂轮修整 电加工法 电解修整法 利用电化学腐蚀作用 蚀除金属结合剂，多 用于金属结合剂砂轮 的修锐，非金属结合 剂砂轮无效。 * * 二、超硬磨料砂轮修整 电火花修整法 电火花
10、放电加工，适 用于各种金属结合剂 砂轮。若在结合剂中 加入石墨粉，可用于 树脂、陶瓷结合剂砂 轮。既可整形，又可 修锐。 * * 二、超硬磨料砂轮修整 超声波振动修整法 用受激振动的 簧片或超声波 振动头驱动的 幅板作为修整 器，并在砂轮 和修整器间放 入游离磨料撞 击砂轮的结合 剂，使超硬磨 粒突出结合剂。 * * 三、超硬磨料砂轮磨床 超精密磨削对磨床的要求： 1）要求磨床的精度较高，砂轮主轴回转精度其径向跳动 应0.01mm，端面圆跳动0.005mm。 2）比普通磨床刚度提高50左右。 3）进给系统精度高、进给速度均匀准确，纵向进给速度 最小可达0.3m/min，横向进给最小可达0.00
11、10.002mm/ 单行程。 4）各运动件和主轴回转部分、进给运动导轨部分有可靠 的密封。 5）有比较完善的磨削液处理系统。 6）采取相应的防振、隔振措施。 * * 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削 四、超硬磨料砂轮磨削工艺 磨削用量 磨削速度 人造金刚石砂轮的磨削速度为1230m/s，立 方氮化硼砂轮的磨削速度为4560m/s. 磨削深度 工件速度 一般为1020m/min 纵向进给 速度一般在0.451.5m/min 磨削深度为0.0020.01mm * * 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削 四、超硬磨料砂轮磨削工艺 磨削液 磨削液的作用 磨削液的种类 和组成 降低磨削温度，减少磨削力，改
12、善磨削 表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。 润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、 防锈性、防腐性、防火性、切削性和极 压性等 油性液：成分是矿物油，如机油、轻质 柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。 水溶性液：成分是水，如乳化液、无机 盐水溶液和化学合成液等。 金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性 液，立方氮化硼砂轮磨削时用油性液。 * * 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削 五、超硬磨料砂轮的平衡 静平衡 动平衡 力矩平衡，用于窄砂轮的平衡，是在一个平面上的平衡。 （1）机外静平衡架上平衡 （2）机上动态平衡 （3）机外动态平衡 力偶平衡，用于宽砂轮和多砂轮轴的平衡。 一般在动平衡机上进行。 * *
13、超精密磨削超精密磨削 一、超精密磨削和镜面磨削 超精密磨削的加工精度达到 或高于0.1m，表面粗糙度 低于0.025m，是一种亚微 米级的加工方法；对于钢、 铁材料和陶瓷、玻璃等硬脆 材料是一种重要的加工方法 。镜面磨削加工表面粗糙度 达到0.020.01m。 超精密磨削的特点： 1）超精密磨削是一种超微量去除加工 2）超精密磨削是一个高精度、高稳定 性的系统工程 3）超精密磨床是超精密磨削的关键 * * 超精密磨削超精密磨削 二、超精密磨削机理 磨削加工过程 单颗粒磨削 1）磨粒是一颗具有弹性支承（结合 剂）的和大负前角切削刃的弹性体。 2）磨粒切削刃的切入深度是从零开 始逐渐增加，到达最大
14、值再逐渐减 少，最后到零。 3）磨粒磨削时在工件的接触过程中， 开始是弹性区，继而塑性区、切削区、 塑性区，最后是弹性区。 4）超精密磨削时有微切削作用、塑性 流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦 作用。 * * 超精密磨削超精密磨削 磨削加工过程 磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的 表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨 屑，并形成光洁表面的过程。 磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表面的磨粒与工件材料接触， 发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切削深度增加），工件材料进 入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性变形不断增大，当力达到工 件的强度极限时，被磨削层材料产生
15、挤裂，即进入切削阶段，最后 被切离。当磨削切入量达到最大值后，逐渐减少，最后到零，同时 经历塑性区和弹性区。 二、超精密磨削机理 * * 三、超精密磨床 超精密磨床的特点 （1）高精度 尺寸精度：0.25 0.5 圆度：0.250.1m 圆柱度：25000：0.255000：1m 表面粗糙度：0.0060.01m （2）高刚度 刚度值一般应在200N/m以上 （3）高稳定性 （4）微进给装置 使砂轮获得行程为250m，位移精度为0.020.2m， 分辨率达 0.010.1m。 （5）计算机数控 * * 超精密磨削超精密磨削 三、超精密磨床 超精密磨床的结构 超精密磨床在结构上的发展趋势： （1
16、）主轴轴承由动压向动静压和 静压发展，由液体 静压向空气静压发展。 （2）多采用空气静压导轨，也有采用精密研磨配制 的镶钢滑动导轨。 （3）床身、工作台等逐渐采用稳定性好的天然或人 造花岗岩。 （4）整个机床采用对称结构、密封结构、淋浴结构 等热稳定性措施。 * * 超精密磨削超精密磨削 三、超精密磨床 超精密磨削工艺 砂轮线速度：1860m/min 工件线速度：410m/min 工作台纵向进给速度;50100mm/min 磨削深度：0.51m 磨削横进给次数：24次 无火花磨削次数：35次 磨削余量：25m * * 接触轮 硬磁盘 装在主轴真 空吸盘上 砂带磨削示意图 V砂带 砂带轮 卷带轮 F-径向进给 f-径向振动 精密和超
