《精密超精密加工》知识总结及试题与答案复习必备资料抱过!!

20120706 复习要点1 精密和超精密加工技术练习及复习 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段 通常 按加工精度划分 可将机 械加工分为一般加工 精密加工 超精密加工三个阶段 什么叫精密加工 加工精度在0 1 1 m 加工表面粗糙度在Ra0 02 0 1 m之间的加工方法称为精密加 工 什么叫超精密加工 加工精度高于0 1 m 加工表面粗糙度小于Ra0 01 m之间的加工方法称为超精密加工 第一章 精密和超精密加工技术及其发展展望 影响精密与超精密加工的因素有哪些 加工机理 被加工材料 加工设备及其基础元部件 加工工具 检测与误差补偿 工 作环境等 我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么 1 超精密加工的加工机理 2 超精密加工设备制造技术 3 超精密加工刀具 磨具及刃磨技术 4 精密测量技术及误差补偿技术 5 超精密加工工作环境 条件 举例说明超精密切削的应用范围有哪些 陀螺仪 激光反射镜 天文望远镜的反射镜 红外反射镜和红外透镜 雷达的波导管 内腔 计算机磁盘 激光打印机的多面棱镜 录像机的磁头 复印机的硒鼓 菲尼尔 透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件 超精密切削速度是如何选择的 超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选 取 即选择振动最小的转速 金刚石刀具的尺寸寿命甚高 高速切削时刀具磨损亦甚慢 因此刀具是否磨损以加工 表面质量是否下降超差为依据 切削速度并不受刀具寿命的制约 第二章 超精密切削与金刚石刀具 举例说明超精密切削的应用范围有哪些 陀螺仪 激光反射镜 天文望远镜的反射镜 红外反射镜和红外透镜 雷达的波导管 内腔 计算机磁盘 激光打印机的多面棱镜 录像机的磁头 复印机的硒鼓 菲尼尔 透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件 超精密切削速度是如何选择的 超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选 取 即选择振动最小的转速 金刚石刀具的尺寸寿命甚高 高速切削时刀具磨损亦甚慢 因此刀具是否磨损以加工 表面质量是否下降超差为依据 切削速度并不受刀具寿命的制约 刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响 刃口锋锐度对加工表面有一定的影响 相同条件下 背吃刀量 进给量 更锋锐的 刀具切出的表面粗糙度更小 刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响 刀刃锋锐度不同 切削力明显不同 刃口半径增大 切削力增大 即切削变形大 背 吃刀量很小时 切削力显著增大 刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响 刃口半径越小 加工表面变质层的冷硬度越小 位错密度越小 切削变形越小 表面 质量越高 刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响 刃口半径越小 残留应力越低 背吃刀量越小 残留应力越小 但当背吃刀量减小到 临界值时 背吃刀量减小 残留应力增大 超精密切削时极限最小切削厚度是多少 1nm 金刚石刀具不同晶面的摩擦因素如何 100 晶面的摩擦系数最低 110 最高 100 晶面的摩擦系数差别最大 1 11 晶面最小 金刚石刀具磨损和破损的特点是什么 超精密切削对刀具有什么要求 极高的硬度 极高的耐磨性和极高的弹性模量 刃口能磨得极其锋锐 刃口半径值极 小 能实现超薄切削厚度 刀刃无缺陷 切削时刃形将复制在被加工表面上 从而得 到超光滑的镜面 与工件材料的抗粘性好 化学亲和性小 摩擦系数低 以得到极好 的加工表面完整性 金刚石属于什么晶系 不同面体金刚石主要有哪几个晶面和晶轴 金刚石刀具不同晶面的面网及面网密度是如何计算 其比例是多少 什么叫金刚石晶体的解理现象 哪个晶面最容易解理 为什么 解理现象是某些晶体特有的现象 晶体受到定向的机械力作用时 沿平行于某个平面 平整的劈开的现象 111 面的宽的面间距 0 154nm 是金刚石晶体中所有晶面间距 中的最大的一个 并且其中的连接共价键数最少 只需击破一个价键就可使其劈开 金刚石的解理现象即沿解理面 111 平整的劈开两半 且金刚石的破碎和磨损都和解 理现象直接有关 金刚石刀具各晶面的耐磨性如何 好磨和难磨方向又是如何 与摩擦因素有何关系 金刚石刀具的磨损 主要属于机械磨损 本质是微观解理的积累 金刚石晶体的破损 机理 主要产生于 111 晶面的解理 当垂直于该晶面的拉力超过某特定值时 两相 邻的晶面分离 产生解理劈开 刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式 所以刀刃的微观强度是刀具设计选择晶 面的主要依据 金刚石各晶面的微观破损强度关系是 110 面破损的机率最大 100 面破损机率最小 金刚石晶体的定向主要有哪几种方法 人工目测定向 X射线定向 激光定向 简单讲述激光定向的原理过程 衡量金刚石刀具的标准是什么 能否加工出高质量的超光滑表面 Ra 0 005 0 02 m 能否有较长的切削时间保 持刀刃锋锐 切削长度数百千米 试比较直线修光刃和圆弧修光刃的优缺点 单晶金刚石刀具的前面应该选择哪个晶面 100 晶面 金刚石刀具小刀头的固定方法哪几种 机械夹固 粉末冶金法固定 粘结或钎焊固定 影响金刚石刀具精研的因素有哪些 什么叫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 固结磨料加工主要有哪几种 精密和超精密砂轮磨削 精密和超精密砂带磨削等 精密和超精密砂轮磨料主要有那几种 普通磨料 包括碳化物系 如碳化硼 碳化硅 刚玉系 超硬磨料系 包括金刚石 如天然金刚石和人造金刚石 立方氮化硼 第三章 精密磨削和超精密磨削 固结磨料和游离磨料 超硬磨粒有什么优越性 磨具在形状和尺寸上易于保持 使用寿命高 磨削精度高 磨料本身磨损少 可较长 时间保持切削性 修整次数少 易于保持精度 磨削时 一般工件温度较低 可减小 内应力 裂纹和烧伤等缺陷 能加工各种高硬的难加工材料 可磨削陶瓷 光学玻璃 宝石 硬质合金以及高硬度合金钢 耐热钢 不锈钢等 超硬磨具中磨料的含量用 表示 它是指磨料层中每1cm3体积中所含超硬磨粒的重量 精密磨削的加工精度和表面粗糙度范围是什么 主要用途 加工精度为1 0 1 m 表面粗糙度达到Ra0 2 0 025 m 多用于机床主轴 轴承 滚 动导轨 量规等精密加工 精密磨削时砂轮的选择以什么为原则 以易产生和保持微刃及其等高性为原则 超硬磨粒砂轮磨削的特点是什么 可用来加工各种高硬度 高脆性金属材料和非金属材料 磨削能力强 耐磨性好 耐 用度高 易于控制加工尺寸及实现加工自动化 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 超硬磨料砂轮修整的方法主要有哪些 简述其原理及优缺点 包括 车削法 磨削法 软钢磨削整修法 金刚石滚轮修整法 滚压轧制法 喷射法 电加工法 超声波振动修整法等 原理及优缺点略 极压性是指磨削液与金属表面起作用 形成一层牢固的润滑膜 在磨削区域的高压下 有良好的润滑和抗粘着性能 超精密磨削的加工精度和表面粗糙度是什么范围 其特点什么 超精密磨削的加工精度达到或高于0 1 m 表面粗糙度低于0 025 m 是一种亚微米 级的加工方法 超精密磨削的特点可归纳为 1 超精密磨床是超精密磨削的关键 2 超精密磨削是一种超微量去除加工 3 超精密磨削是一个高精度 高稳定性的系统 工程 看图简述超精密磨削机理及其加工过程 答案略 超硬微粉砂轮磨削的特点及其应用 1 粒度很细 可同时获得极小的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度 2 是一 种固结磨粒的微量去除加工方法 加工效率高 3 容屑空间很小 磨削容易堵塞 需 要进行在线修整 4 磨削机床应有微进给装置 设备价格高 用于加工各种非金属材 料和有色金属及其合金材料零件的各种表面加工 树脂 金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的结构和特点是什么 砂带磨削方式从总体上可以分为 闭式砂带磨削和开式砂带磨削两大类 按砂带与工 件接触形式可分为 接触轮式 支承板 轮 式 自由浮动接触式和自由接触式 按 照加工表面类型可分为 外圆 内圆 平面 成形表面等磨削方式 什么叫磨削比 切除工件重量与磨料磨损重量之比 闭式砂带头架的主要组成包括 接触轮 或支撑板 主动轮 张紧轮 张紧机构 调偏机构 电动机 基座 开式砂带头架的主要组成包括 卷带轮 接触轮 砂带轮 电动机 基座 接触轮外缘表面形状和外缘截面形状有那些 外缘表面形状 平滑形 标准齿形 宽齿形 交叉齿形4种 外缘截面形状 平滑形 齿形和填充形3种 砂带磨削用量选择是什么 精密主轴部件有什么要求 能高速旋转 高回转精度 高刚度 高稳定性 寿命长 主轴本身及其驱动系统振动 极小 发热少 且热平衡性能好 维护保养方便 轴承主要有那几种 滚动轴承 液体静压轴承 空气静压轴承 什么叫回转精度 在主轴空载手动或机动低速旋转情况下 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得 的径向跳动 端面跳动和轴向窜动的大小 第四章 精密和超精密加工的机床设备 精密主轴部件 止推轴承和径向轴承有什么区别 止推轴承受力与轴的中心线平行 径向轴承的受力与轴的中心线垂直 看图简述液体静压轴承的工作原理 液体静压轴承的优缺点 优点 回转精度高 转动平稳 承载能力高 主要用于大型超精密加工机床 缺点 高速下 油温升高造成热变形 影响主轴精度 回油时 将空气带入油源 降低轴承 刚度和动态特性 空气静压轴承的优缺点 优点 回转精度高 转速高 可达100 000r min 转动平稳 几乎没有振动 因为完 全空气润滑 不发热 即使在高速下 温升很小 变形小 摩擦阻力小 寿命长 因 为几乎没有摩擦 因为不使用油 不存在密封和泄露问题 可靠性高 维护保养方便 缺点 刚度低 承载能力不如液体静压轴承高 主要用于中 小型超精密加工机床 空气静压轴承主轴结构主要有哪几种典型的结构 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承主轴 双半球空气轴承主轴 前部用球形后部 用圆柱径向空气轴承主轴 立式空气轴承主轴 大平面铣床主轴轴承 超精密机床主轴和轴承的材料选取原则是 不易磨损 不易生锈腐蚀 热膨胀系数小 且主轴和轴套的热膨胀系数要接近 材料 的稳定性好 超精密机床的总体布局有哪几种 1 十字形滑板工作台布局 2 T形布局 3 R 布局 4 偏心圆转角布局 5 立式结构布局 超精密机床导轨的基本要求是什么 1 导向精度高 包括导轨在水平面内和垂直面内的直线度 导轨的平行度 导轨间的 垂直度均要高 2 足够的刚度 3 精度保持性 耐磨性 好 4 运动的灵敏度高 精密与超精密机床伺服系统的基本要求有哪些 怎样减少机床内部的振动 怎样减少外界振动对机床的影响 三个措施 1 超精密机床应尽量远离振源 超精密机床采用单独地基 隔振沟 隔振 墙等 使用空气隔振垫 减少机床热变形的措施 尽量减少机床中的热源 采用热膨胀系数小的材料制造机床部件 结构合理化使在同样的温度变化条件下 机床的热变形最小 使机床长期处在热平衡状态 使热变形量成为恒定 使用大量恒温液体浇淋 形成机床附近局部地区小环境的精密恒温 直线度的测量主要有那几种方法 干涉法 跨步仪法 光轴法 激光准直仪法 双频激光准直仪法 平面度的测量主要有哪些方法 干涉法 水平面法 对于垂直度的检测 简述如何用圆柱形直角尺和L形直角尺进行互检测出角度误差 举例说明两个多齿分度盘互检标定的原理过程 什么叫圆度误差 圆度误差是指包容同一正截面实际轮廓且半径差最小的两同心圆间的距离 自动定心 操作简单 使用寿命 圆度误差的傅氏级数表达式及每一项的物理意义 圆度误差的评定方法包括哪几种 1 最小外接圆法 2 最大内接圆法 3 最小包容区域圆法 4 最小二乘方圆法 圆度仪主要有哪两种结构形式 一种是测量头随主轴旋转 被测件固定在工作台面上不动 一种是测量头固定不动 被测件随旋转工作台转动二进行测量 影响圆度仪测量精度的因素有哪些 主轴回转误差 一般为0 05 m 部分达到0 025 m 工件轴线和主轴轴线偏心引起的误差 工件轴线对主轴轴线倾斜引起的误差 测量头形状和测头半径变化引起的误差 测量力的影响 测量头偏立引起的误差 详细论述三点法误差分离原理测精密主轴回转误差过程 看图简述单频激光测量原理 看图简述双频激光测量原理 看图简述激光测小角度原理 简述激光测量表面粗糙度和表面形貌的方法及原理 复习要点2 1 精密和超精密加工目前包括三个领域 超精密切削 精密和超精密磨削研磨 精密 特种加工 2 金刚石刀具有两个比较重要的问题 一是晶面的选择 再就是金刚石刀具的研磨质 量 切削刃钝圆半径rn 3 最近出现的隧道扫描显微镜的分辨率为0 01nm 是目前世界上精度最高的测量仪 可用于测量金属和半导体零件表面的原子分布的形貌 最新的研究证实 在扫描隧道 显微镜下可移动原子 实现精密工程的最终目标 原子级精密加工 4 用金刚石刀具进行超精密切削 用于加工铝合金 无氧铜 黄铜 非电解镍等有色 金属和某些非金属材料 5 超精密切削时 切削速度并不受刀具寿命的制约 这点和普通的切削规律不同的 6 超精密切削实际是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取 即 选择振动最小的转速 7 超精切削时 积屑瘤高时切削力大 积屑瘤小时切削力小 和普通切削切钢时的规 律正好相反 8 超精密切削时 加工表面粗超度是直接和积屑瘤的高度有关 即积屑瘤高度大 表 面粗糙度大 积屑瘤小时加工表面粗糙度艺小 9 使用切削液后 已消除了积屑瘤对加工表面粗糙度的影响 这是切削速度已和加工 表面粗糙的无关 这种情况和普通切削时切刚的规律不同 10 超精密切削加工表面层的残留应力 也是表面质量的重要标志 它不仅影响材料的 疲劳强度和耐磨性 而且影响加工零件的长期尺寸稳定性 11 超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度 使用的超精密机床 的性能状态 切削时的环境条件等都直接有关 12 实验结果是在两把刀都比较锋锐的情况下获得的 可以看到No1车刀 前后为 100 晶面 和No2车刀 为 110 晶面 的加工表面粗糙度相差不多 13 用 100 晶面的No1车刀切出的表面层残余应力小于用 110 晶面的No2车刀所切 出的 特别是切向残余应力 14 简答 从金刚石的物理性能看 它有甚高的硬度 较高的热导率 和有色金属间 摩擦因数低 开始氧化的温度较高 这些都是超精密切削刀具所要求的 此外单晶金 刚石可以研磨达到极锋利的切削刃 rn可以小到0 05 0 01 m 没有其他任何材料可 以磨到这样锋锐 并且能长期切削而磨损很小 因此金刚石成为理想的 不能代替的 超精密切削的刀具材料 15 100 面网的最小单元为正方形 16 两题 解理现象是某些 如金刚石 晶体特有的现象 晶体受到定向的机械力作 用时 可以沿平行于某个平面 111 晶面 平整地劈开的现象 称为 金刚石晶体 的解理现象 解理现象 17 在高磨削率方向上 110 晶面的磨削率最高 最容易磨 100 晶面的磨削率 次之 111 晶面磨削率最低 最不容易磨 18 金刚石的3个主要晶面磨削 研磨 方向不同时 磨削率相差甚大 现在习惯上把 高 磨削率方向称为 好磨方向 把低磨削率方向称为 难磨方向 19 研磨金刚石晶体时 110 晶面摩擦因数最大 100 晶面次之 111 晶面 最小 20 根据最新的研究 金刚石刀具的磨损 主要属机械磨损 其磨损本质是微观解理的 积累 21 填空 选择 判断 简答 如何根据金刚石微观破损选前后面 对金刚石刀 具来说 切削刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式 故切削刃的微观强度是刀具 设计选择晶面的主要依据 金刚石刀具选择前面和后面的最佳晶面 应该把不易产生 解理破损作为重要的考虑因素 当作用应力相同时 110 面产生破损的机率最大 111 面次之 100 面产生破损的机率最小 即在外力作用下 110 面最易破 损 111 面次之 100 面最不易破损 从增加切削刃的微观强度考虑 应选 用微观强度最高的 100 晶面作为金刚石刀具的前面和后面 22 110 晶面的激光衍射光像呈二叶形 111 晶面的激光衍射光像呈三叶形 100 晶面的晶界微观凹坑为正方形 计算机模拟仿真得到的衍射光像亦呈四叶 形 23 金刚石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交为一点的尖锐的刀尖 24 由于金刚石的脆性 在保证获得较小的加工表面粗糙度前提下 为增加切削刃的强 度 应采用较大的刀具楔角 故刀具的前角和后角都取得较小 25 问答 如何来选择金刚石刀具的前后晶面 100 晶面的耐磨性明显高于 1 10 晶面 用 100 晶面作为前 后面要比用 110 晶面时刀具有更长的寿命 100 晶面的微观破损强度要高于 110 晶面 同时 100 晶面受载荷时的破损机 率要比 110 晶面低很多 因此用 100 晶面做前 后面时切削刃有较高的微观强 度 产生微观崩刃的机率要小得多 100 晶面和有色金属之间的摩擦因数要低于 110 晶面的摩擦因数 因此用 100 晶面做前 后面时 可以使切削变形减小 使加工表面的变形和残留应力减小 有利于提高加工表面质量 选用 111 晶面作 为前面或后面者极少 这可能是由于 111 晶面硬度太高 而微观破损强度不高 研 磨加工困难 很难研磨加工出精钢石刀具要求的锋锐的切削刃的原因 研磨加工精 钢石刀具时 100 晶面的研磨效率低于 110 晶面 因此制造刀具的工时要长一 些 这是选用 110 晶面的优点 但刀具晶面的选择 主要应该考虑的是刀具的使用 性能 而不能只考虑刀具制造效率的高低 因此应该选用 100 晶面做刀具的前 后 面 26 现在生产中研磨金刚石刀具时 粗研和精研都在同一块研磨盘上进行 即将研磨盘 分为若干同心圆带 在大圆周处加粗就分手微粉用于粗研 在小圆周处加细金刚石微 粉 用于精研 27 精密砂轮磨削是利用精细修整的粒度为60 80 的砂轮经行磨削 其加工精度可达Ra 0 025 m 超精密砂轮磨削是利用经过仔细修整的粒度为W40 W5的砂轮进行磨削 可以 获得加工精度为0 1 m 表面粗糙度为Ra0 025 0 008 m的加工表面 其中超硬微粉砂 轮超精密磨削已应用比较普通 28 超硬磨料在当前是指金刚石 包括人造金刚石 和立方氮化硼以及它们为主要成分 的复合材料 29 金刚石一般不适宜磨削钢铁材料 亦不适宜切磨黑色金属 30 高精度 小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 甚至 低于25 这主要考虑砂轮堵塞发热问题 31 涂覆磨具是将磨料用粘接剂均匀得涂覆在纸布或其他复合材料基底上的磨具 又称 涂敷磨具 32 精密和超精密加工中所用的涂敷磨具多用涂敷发制作 33 简答 精密磨削机理 精密磨削主要是靠砂轮的精细修整 使磨粒具有微刃性和 等高性 磨削后 被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹 残留高度极小 加上无火 花磨削阶段的作用 获得高精度和小表面粗糙度表面 因此精密磨削机理可归纳为以 下几点 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 34 在磨削钢件及铸钢件时 采用刚玉磨料较好 35 一般精密磨削时的砂轮修整 修整器应安装在低于砂轮中心0 5 1 5秘密处并向上 倾斜10 15 36 简答 判断 超硬磨料砂轮磨削的共同特点 可用来加工各种高硬度 高脆性 金属材料和非金属材料 如陶瓷 玻璃 半导体材料 宝石 铜铝等有色金属及其合 金 耐热合金等 磨削能力强 耐磨性好 寿命高 易于控制加工尺寸及实现加工 制动化 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 在加工硬质合金及非金属硬脆材料时 金刚石砂轮的金属切除率优于立方 氮化硼砂轮 但在加工耐热钢钛合金模具钢等时 立方氮化硼砂轮远高于金刚石砂轮 加工成本低 37 修整通常包括整形和修锐的总称 整形是使砂轮达到一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 一般是磨粒尺寸的1 3左右 形成足够的切削刃和容屑空间 普通砂轮的整形和修锐一般是合为一步进行的 而 超硬磨料砂轮的整形和修锐一般是分为先后两步进行 38 用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整的磨削法是目前最为广泛采用 的修整方法 39 金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液为磨削液 视具体情况而定 如磨削硬质 合金时普遍采用煤油 但不宜使用乳化液 树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水 40 立体氮化硼砂轮磨削时采用油性液为磨削液 一般不用水溶性液 41 对于陶瓷 玻璃等硬脆材料 超精密磨削显然是一种重要的理想的加工方法 42 镜面磨削一般是指加工表面粗糙度达到Ra0 02 Ra0 01 m 表面光泽如镜的磨削方 法 43 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 44 简答 微粉砂轮超精密磨削的特点 1 由于磨料是微粉等级的 粒度很细 在 超精密磨床上磨削可以同时获得极小的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度 2 它是一种固结磨料的微量去除加工方法 加工效率高 3 由于磨料粒度很细 容屑空 间很小 磨料容易堵塞 需要进行在线修整 才能保证磨削的正常进行和加工质量4 磨削要在超精密磨床上进行 机床上应有微进给装置 设备价格高 45 开式砂带磨削 磨削质量高 磨削效果好 但效率不如闭式砂轮磨削 多用于精 密和超精密磨削中 46 从加工机理看 砂带磨削兼有磨削 研磨和抛光的综合作用 是一种复合加工 47 砂带磨床上的关键部件是砂带头架 48 在砂带磨削头架中 最重要而关键的零件时接触轮 49 精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心 主轴要求达到极高的回转精度 转动平稳 无振动 其关键在于所用的机密轴承 50 简答 液体静压轴承和空气静压轴承的优缺点 液体静压轴承 优 回转精度很高 0 1 m 转动平稳 无振动 缺 1 液体静压轴承的油温升高 2 静压油回油时将空气带入油源 形成微小气泡悬浮在油中 不易排出 空气静压 轴承 优 有很高的回转精度 在高速转动时油温甚小 因此造成的热变形误差很小 缺 刚 度低 只能承受较小的载荷 51 当工件直径较大并且较重是 超精密机床多采用立式结构布局 52 床身和导轨的材料1 优质耐磨铸铁2 花岗岩3 人造花岗岩 53 花岗岩现在已是制造三坐标测量机和超精密机床的床身和导轨的热门材料 这是 因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好 热膨胀系数低 对振动的衰减能力强 硬度高 耐磨并不会生锈 54 精密和超精密机床现在常采用的导轨有 滚动导轨 液体静压导轨 气浮导轨 空 气静压导轨 55 电致伸缩传感器在不同电压时的伸长量的关系曲线 可看到在加上直线电压时 无 论是正电压或负电压 传感器的伸长量是相同的 56 压电伸缩传感器的电压伸长量关系曲线 可看到正电压时伸长 负电压时缩短 57 简答 减小机床热变形的措施 1 尽量减少机床中的热源2 采用热膨胀系数小 的材料制造机床部件 3 结构合理化使在同样的温度变化条件下 机床的热变形最小 4 使机床长期处在热平衡状态 使热变形成为恒定5 使用大量恒温液体浇淋 形成 机床附近局部地区小环境的精密恒温 58 保证零件加工精度的途径有两种 一条是靠所用的机床来保证 即机床的精度要 高于工件所要求的精度 这是所谓的 蜕化 原则 也称之为 母性 原则 另一条 思路 即在精度比工件要求降低的机床上 利用误差补偿技术 提高加工精度 使加 工精度比机床原有精度高 这是 进化 原则 也称之为 创造性 原则 59 简答 三种检测法含义及优缺点 1 离线检测 工件加工完毕后 从机床上 取下 在机床旁或在检验室中进行检测 这就是离线检测 只能检测加工后的结果 不一定反应加工时的实际情况 也不能连续检测加工过程中的变化 但检测条件较好 不受加工条件的限制 也可以充分利用各种监测仪器 因此 测量的精度比较高 2 在位检测 工件加工完毕后 在机床不卸下工件的情况下进行检测 称之为在位 检测 也只能检测加工后的结果 也不一定反应加工时的实际情况 也不能连续检测 加工过程中的变化 但可免除离线检测时由于定位基准所带来的误差 更接近实际加 工情况 还可以进行反补 3 在线检测 工件在加工过程中的同时进行检测 称之 为在线检测 能够连续检测加工过程中的变化 了解加工过程中误差分布和发展 从而为时时误差补偿 预报误差补偿和控制创造了条件 检测结果能反应实际加工 情况 因为加工过程中受到加工条件限制 所以在线检测难度一般较大 对传感 器的性能要求较高 往往不是一种单纯检测方法 60 广义误差补偿 误差修正 抵消 均化 钝化 分离等都是误差补偿的各种形式或 方法 狭义误差补偿 对一定尺寸 形状 位置相差程度 差值 的补足 61 微细加工技术是指制造微小尺寸 尺度 零件的生产加工技术 62 简答 微小尺寸加工和一般尺寸加工的区别 精度的表示方法不同 一般尺 寸加工时 精度是用其加工误差与加工尺寸的比值 即精度比率 来表示的 在微细 加工时 由于加工尺寸很小 精度就必须用尺寸的绝对值来表示 及用去除的一块材 料的大小来表示 从而引入加工单位尺寸 简称加工单位 的概念 加工单位就是去 除的一块材料的大小 微观机理不同 一般尺寸加工和微细加工的最大差别是切屑 大小不同 在微细加工时 从强度和刚度上都不允许有大的吃刀量 因此切屑很小 加工特征不同 一般加工时多以尺寸 形状 位置精度为加工特征 在精密加工和 超精密加工时也是如此 微细加工和超精细加工却以分离或结合原子 分子为加工对 象 以电子束 离子束 激光束三束加工为基础 采用沉积 刻蚀 溅射 蒸镀等手 段进行各种处理 这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的 63 微细切削时 为保证工件尺寸精度要求 其最后一次的表面切除层厚度必须小于尺 寸精度值 64 微细加工和纳米加工是否是一回事 要进行微细度为微米级的微细加工 就需 要用一个比它小一个数量级的尺寸加工单位 即要用加工单位为0 1 m的微细加工方法 加工 要进行微细度为纳米级的超微细加工 就需要用比它小一个数量级的尺寸加工 单位 即要用加工单位为0 1nm的微细加工方法来进行加工 65 由于电子束的能量密度高 作用时间短 所产生的热量来不及传导扩散就将工件被 冲击部分局部熔化 气化 蒸发成为雾状粒子而飞散 这就是电子束的热效应 66 利用电子束的热效应可进行钻孔 切槽 焊接 淬火等工作 67 用功率密度相当低的电子束照射高分子材料时 即使几乎不会引起材料表面温度的 上升 也会由于入射电子和高分子相碰使其分子链切断或重新聚合从而使材料的相对 分子质量和化学性质产生变化 这就是电子束的化学效应 67 离子束加工时在真空条件下 将氩 氪 氙灯惰性气体通过离子源产生离子束 经 加速 集束 聚焦后 射到被加工表面上以实现各种加工的方法 68 离子束加工在微细加工和精密加工中是一种最有前途的原子 分子加工单位的加工 方法 69 激光加工的机理是热效应 70 光刻加工技术主要是针对集成电路制作中得到高精度微细线条所构成的高密度微细 复杂图形 71 恒温条件主要以两个指标进行衡量 一个是恒温基数 也就是指空气的平均温度 另一个是恒温精度 也就是指相对于平均温度所允许的偏差值 一般来说精度和超精 密加工及装配的温度环境也以200C为宜 72 恒温精度一般分为0 2级 0 5级 1级和2级等四个等级 分别代表恒温精度为 0 2 0C 0 50C 10C和 20C 73 一般情况下 相对湿度应控制在35 到45 之间 湿度的波动范围相应规定了 10 5 和 2 几个等级 74 洁净室是指将室内空气中尘埃微粒 温度 压力 流速和气流的分布形式及其形状 等控制在一定范围内的房间 75 填空 实现空气净化的基本要求 发尘量要小 及时排除尘埃 供给洁净的空气 76 精密和超精密加工的质量不仅与振动干扰的振幅有关 而且与振动干扰的频率有关 77 纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合 实现原子或分子的去除 习题及复习题 超精密加工第一章 1 什么是精密加工和超精密加工技术 答 精密加工 是指在一定时期 加工精度和表面质量达到较高程度的精密加工技术 加 工工艺 具体地说 是指加工精度在1 0 1 m 粗糙度在Ra0 1 m以下 一般Ra0 02 0 1 m 的加工方法 超精密加工 是指在一定时期 加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工技术 加工工艺 具体地说 是指加工精度在0 1 0 01 m 粗糙度小于Ra0 01 m Ra0 01 Ra0 001 m 的加工方法 研究它有何重要意义 答 1 机械工业是国民经济发展的基础 为其他行业提供技术装备 而技术装备的水平和质 量影响各行业生产技术的水平 2 国家要振兴机械装备制造业 先进制造技术是振兴机械装备制造业的重要组成部分 3 精密和超精密加工技术又是先进制造技术中最具有实质性的重要组成部分 是先进制 造技术的基础和关键 2 精密加工和超精密加工包括哪些内容 答 1 精密 超精密切削和磨削加工 2 精密和超精密特种加工 包括 a 电物理加工 b 电化学加工 c 物理加工 d 化学加工 e 复合加工 3 金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择 答 根据所使用的超精密机床和切削系统的动特性选取 即选择振动最小的转速 切削速 度 因为在该速度时 表面粗糙度最小 加工质量最高 小批量加工可选低切削速度 低主轴转速 大批量加工选高切削速度 高主轴转速 以提高生产率 4 单晶金刚石有哪几个主要晶面 晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响如何 答 单晶金刚石有 100 110 和 111 三个主要晶面 对切削变形的影响 晶面不同的刀具 切削变形不同 100 晶面的车刀切削变形小 对加工表面质量的影响 相同切削条件 锋锐度基本相同 不同晶面的加工表面粗糙度相差不多 100 晶面车刀切出的表面层残余应力小于 110 晶面车刀切出的表面层残余应力 刀刃锋锐度 反映刀具切削刃的锋利程度 大小用刃口半径 表示 刃口半径 愈小 表示刀刃愈锋利 解理现象 晶体受到定向机械力作用时沿平行于某个平面平整地劈开的现象 积屑瘤 来自切屑和工件上的金属冷焊 粘结 并层积在前刀面上形成硬度很高 的楔块 能代替切削刃及前刀面进行切削工作 积屑瘤在切削过程中的作用 1 保护刀具 2 增大前角 3 增大切削厚度 4 增大已加工表面粗糙度 5 积屑瘤高时 切削力大 积屑瘤小时 切削力小 第二章 1 保证零件加工精度的途径有哪两条 答 1 依靠机床精度来保证 即机床的精度要高于工件所要求的精度 2 利用误差补偿技术来保证 即在精度比工件加工精度要求低的机床上 利用误差补 偿技术 提高加工精度 使加工精度比机床原有精度高 2 什么是离线检测 在线检测和在位检测 答 1 离线检测 工件加工完毕后 从机床上取下 在机床旁或在检测室中进行的检测 在位检测 工件加工完毕后 在机床上不卸下工件的情况下进行的检测 3 在线检测 工件在加工过程中同时进行检测 3 什么是误差补偿 什么是实时误差补偿 答 1 误差补偿 是指对 定尺寸 形状 位置相差程度 差值 的补足 2 实时误差补偿 在加工过程中实时进行误差检测 并随后紧接着进行误差补偿 即在线检 测误差补偿 4 超硬材料制作的磨具特点及应用 特点 磨具尺寸形状易于保持 耐用度高 磨削精度高 磨料本身磨损少 磨削温度低 应用 磨削陶瓷 光学玻璃 宝石 硬质合金以及高硬度合金钢 耐热钢 不 锈钢等 5 磨削液作用 具有冷却 润滑和清洗的作用 降低磨削温度 减小磨削力 改善磨削表面质量 提高磨削效率 提高砂轮寿命 第三章 精密加工和超精密加工所处的热环境与加工精度有着密切的关系 热环境中主要应控制的品质为温度和湿度 1 温度的影响 1 环境温度发生变化会影响加工设备的精度 2 温度的变化还会影响工件的加工精度 3 温度的变化也会影响测量精度 2 恒温条件 1 以两个指标进行衡量 a 恒温基数 指空气的平均温度 计量标准温度为20 b 恒温精度 指平均温度的偏差值 为0 2 0 5 1 2 四个等级 代表4个恒温精度 0 2 0 5 1 2 2 恒温精度取决于不同的精密和和超精密加工的精度和工艺要求 3 恒温精度发展越来越高 当前已经出现 0 01 的恒温环境 3 金刚石刀具是超精密切削中的重要关键 金刚石刀具有两个比较重要的问题 一是晶面的选择 因为金刚石晶体各向异性 二是研磨质量 也就是刃口半径 因为影响变形和最小切削厚度 金刚石晶体具有强烈的各向异性 金刚石晶体在不同晶面和晶向上的原子密度不同 原子结合力不同 因而造成 不同方向上的性能差异 如摩擦系数 金刚石刀具的晶面选择直接影响切削变形和加工表面质量 4 根据材料热膨胀系数选择 一 根据材料热膨胀系数选择 当量具和量仪使用于恒温的计量室时或要用于测量绝对长度时 应选择热膨胀系 数尽量小的材料制作 这可使环境温度变化引起的尺寸误差最小 当量具和量仪在加工车间使用时 由于车间经常是温度波动大 这时选用的量具和量 仪材料其热膨胀系数应尽量和被测件的热膨胀系数接近 这时测量结果受环境温度变 化的影响最小 测量误差最小 二 根据材料的稳定性和耐磨性选择 一 保证零件加工精度的途径 1 依靠机床精度来保证 即机床的精度要高于工件所要求的精度 2 利用误差补偿技术来保证 习题及复习题2 精密和超精密加工课程第一次作业评分标准 作业题 1 什么是精密加工和超精密加工技术 研究它有何重要意义 6分 2 精密加工和超精密加工包括哪些内容 4分 1 什么是精密加工和超精密加工技术 3分 答 精密加工 是指在一定时期 加工精度和表面质量达到较高程度的精密加工技 术 加工工艺 1分 具体地说 是指加工精度在1 0 1 m 粗糙度在Ra0 1 m以下 一般Ra0 02 0 1 m 的加工方法 0 5 1分 超精密加工 是指在一定时期 加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工 技术 加工工艺 1分 具体地说 是指加工精度在0 1 0 01 m 粗糙度小于Ra0 01 m Ra0 01 Ra 0 001 m 的加工方法 0 5 1分 研究它有何重要意义 3分 答 机械工业是国民经济发展的基础 为其他行业提供技术装备 而技术装 备的水平和质量影响各行业生产技术的水平 1分 国家要振兴机械装备制造业 先进制造技术是振兴机械装备制造业的重 要组成部分 1分 精密和超精密加工技术又是先进制造技术中最具有实质性的重要组成部 分 是先进制造技术的基础和关键 1分 如按 精密和超精密加工技术的地位和作用 回答 也可给3分 国家制造业水平的重要标志之一 1分 先进制造技术的基础和关键 1分 当代的精密工程是现代制造技术的前沿 也是明天制造技术的基础 1分 2 精密加工和超精密加工包括哪些内容 4分 答 切削 磨削加工 精密切削和磨削 超精密切削与磨削 2分 精密和超精密 特种加工 它是指一些利用热 声 光 电 磁 原子 化学等能源的物理的 化学的非传统加工方法 1分 特种加工包括a 电物理加工 b 电化学加工 c 物理加工 d 化学加工 e 复合加工 1分 精密和超精密加工课程第二次作业评分标准 作业题 1 金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择 4分 2 超精密切削时极限最小切削厚度是多少 2分 3 单晶金刚石有哪几个主要晶面 晶面选择对切削变形和加工表面质量的 影响如何 4分 1 金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择 4分 答 根据所使用的超精密机床和切削系统的动特性选取 即选择振动最小的转速 切削速度 2分 因为在该速度时 表面粗糙度最小 加工质量最高 1 分 小批量加工可选低切削速度 低主轴转速 大批量加工选高切削速度 高主 轴转速 以提高生产率 1分 2 超精密切削时极限最小切削厚度是多少 2分 答 极限最小切削厚度 2分 1 1 222 min yx xy D FF FF h 3 单晶金刚石有哪几个主要晶面 晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响如 何 4分 答 单晶金刚石有三个主要晶面 即 100 110 111 1分 对切削变形的影响 晶面不同的刀具 切削变形不同 100 晶面的车刀切削变 形小 1分 对加工表面质量的影响 共2分 相同切削条件 锋锐度基本相同 不同晶面的加工表面粗糙度相差不多 1分 100 晶面车刀切出的表面层残余应力小于 110 晶面车刀切出的表面层残余应力 1分 注 若答 100 晶面的车刀加工表面质量高 1分 1 精密磨削能获得高精度和低表面粗糙度的主要原因何在 10分 主要靠砂轮的精细修整 2分 使磨粒具有微刃性 2分 和等高性 2分 磨削后 被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹 残留面积高度极小 2分 加上无火花磨削阶段的作用 2分 从而获得高精度 低粗糙度表面 1 精密磨削能获得高精度和低表面粗糙度的主要原因何在 10分 1 微刃的微切削作用 修整时磨粒微细破碎产生微刃 形成多个微磨粒 相当于磨粒变细 变尖 2 微刃的等高切削作用 磨粒微刃是经过精细修整形成的 因此 分布在砂轮表面层同一高度上的微刃 数量多 等高性好 使残留面积高度极小 3 微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 微刃刚开始切削 比较锋利 切削作用强 随着切削时间的增加而逐渐钝化 但等高性得到改善 这时 切削作用减弱 滑挤 摩擦 抛光作用加强 2 从系统工程的角度来分析超精密磨削能达到高质量的原因 10分 影响超精密磨削的因素很多 各因素之间 又相互关联 是一个系统工程 2分 画出详细框图 4分 1 超精密磨床是超精密磨削的关键 加工精度主要取决于机床 2分 2 砂轮及其修整 砂轮精细修整 微刃性和等高性 2分 3 工作环境 振动 温度等影响 2分 4 检测及误差补偿 3 为什么超精密机床大部分都采用空气静压轴承 它有哪些优点 10分 空气静压轴承优点 有很高的回转精度 运转平稳 3分 在高速转动时温升甚小 因此造成的热变形误差很小 3分 主要问题是刚度低 只能承受较小的载荷 2分 超精密切削时切削力甚小 空气轴承能满足要求 故在超精密机床中得到广泛 的应用 2分 4 简述精密超精密机床所用床身和导轨材料 并说明各自的优缺点 10分 1 优质耐磨铸铁 优点是工艺性好 应选用耐磨性好 热膨胀系数低 对振动衰减能力强 并经 时效消除内应力的优质合金铸铁 3分 2 花岗岩 花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好 热膨胀系数低 对振动的衰减能力强 硬度 高 耐磨且不会生锈等 花岗岩加工较困难 有吸湿性 吸湿后导致微量变形 降低机床精度 降低吸 湿性方法 涂料 4分 3 人造花岗岩 由花岗岩碎粒用树脂粘结而成 可铸造成形 吸湿性也低 对振动的衰减能力 更强 3分 5 精密超精密机床的减振 隔振措施各有哪些 10分 减振 5分 超精密加工要求机床工作时极其平稳 因此必须尽量减少机床内部的振动 1分 1 各运动部件都经过精密动平衡 消除或减少机床内部的振源 2 提高机床结构的抗振性 3 在机床结构的易振动部份 人为的加入阻尼 减小振动 4 使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件 每点1分 5 精密超精密机床的减振 隔振措施各有哪些 10分 隔振 5分 隔离振源 使用隔振沟 隔振墙和空气隔振垫 以减少外界振动的影响 1分 1 超精密机床安装应尽量远离振源 1分 机床附近的振源 如空压机 泵等应尽量移走 无法移走时 应采用单独地基 加隔振材料等措施 使对加工的影响尽量减小 2 超精密机床采用单独地基 隔振沟 隔振墙等 2分 地基应有足够的深度 地基周围用隔振沟 沟中使用吸振材料 另外 尽量安 装在有隔振墙的单独房间内 3 使用空气隔振垫 空气弹簧 1分 现在超精密机床和精密测量平台底下都用能自动找水平的空气隔振垫 一般可 以隔离2Hz以上的外界振动 金刚石刀具的特点 硬度极高 HV800 1000 切削刃锋利 耐热性差 不宜超过800 强度低 自脆性大 对振动敏感 只能微量切削 与铁有强的化学亲和力 不宜加工黑色金属 适宜有色金属 非金属 超精密切削使用天然单晶金刚石刀具 切削刃可磨得极锋利 硬度极高 是硬度最高的物质 耐磨性好 热传导系数高 摩擦系数低 切削速度对金刚石刀具的磨损影响甚微 超精密切削的切削速度选取原则 根据所使用的超精密机床和切削系统的动特性选取 即选择振动最小的 转速 切削速度 因为在该速度时 表面粗糙度最小 加工质量最高 金刚石刀具的耐用度 通常以其切削路径的长度计算 刀具破损或磨损而不能继续使用的标志为加工表面粗糙度超过规定值 结论 积屑瘤高时 切削力大 积屑瘤小时 切削力小 与普通切削规律相反 原因 1 鼻形积屑瘤前端的圆弧半径 R 2 3 m 比刀具刃口钝圆半径 0 2 0 3 m 大得多 导致切削力大 2 积屑瘤与切屑间的摩擦系数和摩擦力较金刚石与切屑的摩擦系数及摩擦力大 3 积屑瘤产生的切削厚度大于原切削厚度 使切削力增大 结论 积屑瘤高度大 表面粗糙度大 积屑瘤小时 加工表面粗糙度亦小 超精密切削 使用切削液 减小切削中的摩擦 可减小积屑瘤 减小 Rz 结论 在机床 刀具 环境条件都符合条件时 从极低到很高的切削速度 都能够得到粗糙度极小 Ra 0 01 m 的加工表面 超精密切削的金刚石刀具通常做成直线修光刃或圆弧修光刃 结论 刀刃锋锐度对加工表面粗糙度有明显影响 增大 Rmax 增大 ap小Ra反而大 金刚石刀具的晶面选择直接影响切削变形和加工表面质量 金刚石晶体和铝合金 紫铜间的摩擦系数在0 06 0 13之间 而且随金 刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化 结论 晶面不同的刀具 切削变形不同 100