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1、机械制造技术机械制造技术 第五章第五章 精密与精密与 超精密加工超精密加工 第一节第一节 概述概述 u精密加工 加工公差为10 0 0 1 m 表面粗 糙度Ra0 30 0 03 m的加工精密加工 微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 在高精度加工范围内 根据加工精度水平的不同 可进一步划分为精密加工 超精密加工和纳米加工三个 档次 u纳米加工 加工公差小于0 01 m 表面粗糙度Ra 小于0 005 m的加工称为纳米加工 u超精密加工 加工公差为0 1 0 01 m 表面粗 糙度Ra0 03 0 005 m的加工超精密加工 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学
2、零件 形状误差 0 1 m Ra 0 01 0 05 m 多面镜 平面度误差 0 04 m Ra 0 02 m 磁头 平面度误差 0 04 m Ra 0 02 m 磁盘 波度 0 01 0 02 m Ra 0 02 m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0 1 m Ra 0 02 m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0 01 m Ra 0 002 m 天体望远镜 形状误差 0 03 m Ra 0 01 m 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度 精密加工与超精密加工的发展 普通加工 精密加工 超精密加工 超高精密磨床 超精密研磨机 离子束加工 分子对位加工 车床 铣床卡尺 加工设备测量仪
3、器 精密车床 磨床 百分尺 比较仪 坐标镗床 坐标磨床 气动测微仪 光学比较仪 金刚石车床 精密磨床 光学磁尺 电子比较仪 超精密磨床 精密研磨机 激光测长仪 圆度仪轮廓仪 激光高精度 测长仪 扫描电镜 电子线分析 仪 加工误差 m 100 101 102 10 2 10 1 10 3 190019201940196019802000年份 精密加工与超精密加工的发展 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例 美国哈勃望远镜形状精度0 01 m 超大规模集成电路 最小线宽0 1 m 日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例 美国陀螺仪球
4、圆度0 1 m 粗糙度Ra0 01 m 导弹命 中精度控制在50m范围内 英国飞机发电机转子叶片加工 误差从60 m降至12 m 发电机压缩效率从89 提高到 94 齿形误差从3 4 m减小1 m 单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点 精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术 其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展 q 精密与超精密加工地位 结合加工 分类 加工机理 加工方法示例 去除加工 电物理加工 电火花加工 电火花成形 电火花线切割 电化学加工 电解加工 蚀刻 化学机械抛光 力学加工 切削 磨削 研磨 抛光 超声加工 喷射加工 热蒸发
5、扩散 溶解 电子束加工 激光加工 附着加工 注入加工 化学 化学镀 化学气相沉积 电化学 电镀 电铸 热熔化 真空蒸镀 熔化镀 化学 氧化 氮化 活性化学反映 电化学 阳极氧化 热熔化 掺杂 渗碳 烧结 晶体生长 力物理 离子注入 离子束外延 连续加工 热物理 激光焊接 快速成形 化学 化学粘接 变形加工 热流动 精密锻造 电子束流动加工 激光流动加工 粘滞流动 精密铸造 压铸 注塑 分子定向 液晶定向 精密与超精密加工分类 直接式进化加工 利用低于工件精度的设备 工具 直接式进化加工 利用低于工件精度的设备 工具 通过工艺手段和特殊工艺装备 加工出所需工件 适用通过工艺手段和特殊工艺装备 加
6、工出所需工件 适用 于单件 小批生产 于单件 小批生产 间接式进化加工 借助于直接式间接式进化加工 借助于直接式 进化进化 加工原则 加工原则 生产出第二代工作母机 再用此工作母机加工工件 适生产出第二代工作母机 再用此工作母机加工工件 适 用于批量生产用于批量生产 进化 加工原则 背吃刀量小于晶粒大小 切削在晶粒内进行 与传统切 削机理完全不同 微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多 传统切削与磨削方法存在加工精度极限 超越极限需采 用新的方法 q 精密与超精密加工特点 要达到加工要求 需综合考虑工件材料 加工方法 加工 设备与工具 测试手段 工作环境等诸多因素 是一项复 杂的系统
7、工程 难度较大 形成综合制造工艺 广泛采用计算机控制 适应控制 再线检测与误差补偿技 术 以减小人的因素影响 保证加工质量 与自动化技术联系紧密 精密与超精密加工设备造价高 难成系列 常常针对某一 特定产品设计 如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车 床 加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备 与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化 精密检测是精密与超精密加工的必要条件 并常常成为精 密与超精密加工的关键 用于铜 铝及其合金精密切削 切铁金属 由于亲合作用于铜 铝及其合金精密切削 切铁金属 由于亲合作 用 产生用 产生 碳化碳化磨损磨损 影响刀具寿命和加工质量 影响刀具寿命和加工质量 加工
8、各种红外光学材料如锗 硅 加工各种红外光学材料如锗 硅 ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典型产品 光学反射镜 射电望远镜主镜面典型产品 光学反射镜 射电望远镜主镜面 大型投影大型投影 电视屏幕 电视屏幕 照像机塑料镜片 树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理 特点 第二节第二节 金刚石超精密加工技术金刚石超精密加工技术 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 吃刀量吃刀量 切削力 原子结合力 剪切应力达切削力 原子结合力 剪切应力达 13000 N13000 N mmmm 2 2 刀尖处温度极高 应力极大 普通刀具难以承受刀尖处温度极高 应力极大 普通刀具
9、难以承受 高速切削 与传统精密切削相反 工件变形小 表层高速切削 与传统精密切削相反 工件变形小 表层 高温不会高温不会波及工件内层 可获得高精度和好表面质量 加工设备 要求高精度 高刚度要求高精度 高刚度 良好稳定性 抗振性 良好稳定性 抗振性 及数控功能等 及数控功能等 关键技术 Moore金刚石车床 回转工作台 工件刀具主轴 传动带 主轴电机 空气垫 刀具夹持器 如美国如美国MooreMoore公司公司M M 18AG18AG金刚石车床 主金刚石车床 主 轴采用空气静压轴承 轴采用空气静压轴承 转速转速5 5000000转转 分 径跳 分 径跳 0 10 1 m m 液体静压导轨液体静压
10、导轨 直线度达 直线度达 0 05 100mm0 05 100mm 数控系数控系 统分辨率统分辨率0 01 0 01 车床主轴装在横向 滑台 X轴 上 刀架装在纵向滑台 Z轴 上 可解 决两滑台的相互影 响问题 而且纵 横两移动轴的垂直 度可以通过装配调 整保证 生产成本 较低 已成为当前 金刚石车床的主流 布局 T形布局的金刚石车床 T形布局 如图 金刚石车床主要性能指标 数控系统分辩率 m 400 200 5000 10000 5000 0 1 0 01 0 2 100 0 1 0 1 1 150 2 100 径向1140 轴向1020 640 720 最大车削直径和长度 mm 最高转速
11、r mm 最大进给速度mm min 重复精度 2 m 主轴径向圆跳动 m 滑台运动的直线度 m 主轴前静压轴承 100mm 的刚 度 N m 主轴后静压轴承 80mm 的刚度 N m 纵横滑台的静压支承刚度 N m 金刚石车床主要性能指标 主轴轴向圆跳动 m 横滑台对主轴的垂直度 m 金刚石刀具 超精切削刀具材料 天然金刚石 人造单晶金刚石超精切削刀具材料 天然金刚石 人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构 规整的单晶金刚石晶体有八面体 金刚石的晶体结构 规整的单晶金刚石晶体有八面体 十二面体和六面体 有三根十二面体和六面体 有三根4 4次对称轴 四根次对称轴 四根3 3次对称轴和次对称轴和 六根六
12、根2 2次对称轴 图次对称轴 图7 207 20 a 4 次对称轴 和 100 晶面 L4 100 110 L2 L3 111 b 2 次对称轴 和 110 晶面 c 3 次对称轴 和 111 晶面 图7 20 八面体的晶轴和镜晶面 金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的面网距和解理现象 金刚石晶体的 111 晶面面网密度最大 耐磨性最好 100 与 110 面网的面间距分布均匀 111 面网 的面间距一宽一窄 如图 111 面网C原子分布和解理 劈开面 劈开面 在距离大的 111 面之间 只需击破一个 共价键就可以劈开 而 在距离小的 111 面 之间 则需击破三个共 价键才能劈开 在两个
13、相邻的加强 111 面之间劈开 可 得到很平的劈开面 称 之为 解理 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好 理论可达到圆角半径越小越好 理论可达到1nm1nm 单晶金刚石 45 6 46 4 12 AA 6 6 A A 35 R R 1 6 4 8 6 46 4 5 B 1 6 B B 110 120R R 0 5 1 2 B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 金刚石刀具角度 金刚石刀具角度 如图 金刚石刀具角度 如图 金刚石车床 加工4 5mm陶瓷球 金刚石车床及其
14、加工照片 砂轮材料 金刚石 立方氮化硼 CBN 可加工各种高硬度 高脆性金属及非金属材料 铁金属可加工各种高硬度 高脆性金属及非金属材料 铁金属 用用CBNCBN 耐磨性好 耐用度高 磨削能力强 磨削效率高耐磨性好 耐用度高 磨削能力强 磨削效率高 磨削力小 磨削温度低 加工表面好磨削力小 磨削温度低 加工表面好 特点 分整形与修锐 去除结合剂 露出磨粒 两步进行分整形与修锐 去除结合剂 露出磨粒 两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮 或金刚石笔 修整 获得所需形状 用碳化硅砂轮 或金刚石笔 修整 获得所需形状 电解修锐 适用于金属结合剂砂轮 效果好 并可电解修锐 适用于金属结合剂砂轮 效
15、果好 并可 在线修整在线修整 砂轮修整 第三节第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 进给 ELID磨削原理 电源 金刚石砂轮 铁纤维结合剂 冷却液 冷却液 电刷 电泳磨削 使用使用ELIDELID磨削 冷却液为一种特殊电解液 通电后 砂磨削 冷却液为一种特殊电解液 通电后 砂 轮结合剂发生氧化 氧化层阻止电解进一步进行 在切削轮结合剂发生氧化 氧化层阻止电解进一步进行 在切削 力作用下 氧化层脱落 露出了新的锋利磨粒 由于电解力作用下 氧化层脱落 露出了新的锋利磨粒 由于电解 修锐连续进行 砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态 修锐连续进行 砂轮在整个磨削过程保持同一
16、锋利状态 塑性 延性 磨削 磨削脆性材料时 在一定工艺条件下 切屑形成与塑性材磨削脆性材料时 在一定工艺条件下 切屑形成与塑性材 料相似 即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来 磨削后料相似 即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来 磨削后 工件表面呈有规则纹理 无脆性断裂凹凸不平 也无裂纹 工件表面呈有规则纹理 无脆性断裂凹凸不平 也无裂纹 塑性磨削工艺条件 塑性磨削工艺条件 1 1 切削深度小于临界切削深度 它与工件材料特性和 切削深度小于临界切削深度 它与工件材料特性和 磨粒的几何形状有关 一般临界切削深度 磨粒的几何形状有关 一般临界切削深度 1 m1 m 为此对机床要求 为此对机床要求 高的定位精度和运动精度 以免因高的定位精度和运动精度 以免因 磨粒切削深度超过磨粒切削深度超过1 m1 m时 导致转变为脆性磨削 时 导致转变为脆性磨削 高的刚高的刚 性 因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平 机床刚性性 因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平 机床刚性 低 会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件 低 会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件 2 2 磨粒与工件的接触点的
