第1章 精密切削加工

1、武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 精密与特种加工精密与特种加工 主讲:吴华春 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 现代机械工业致力于提高加工精度的原因： 可提高产品的性能、质量、稳定性和可靠性 1）飞机发动机转子叶片的加工精度由60 m提高到12 m ，Ra由0.5 m提高到0.2 m，压缩效率可从 89提高到94 2）20世纪80年代前苏联引入精密数控铣床，

2、潜艇噪音 大幅降低 可促进产品小型化 增强互换性 1.1.1精密加工概念精密加工概念 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.1.1精密加工概念精密加工概念 1.1 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 精密和超

3、精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（1） 分 类加工机理加工方法 去除加工 化学分解（气体、液体、固体） 电解（液体） 蒸发（真空、气体） 扩散（固体） 熔化（液体） 溅射（真空） 刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光 电解加工，电解抛光 电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工 熔化去除加工 粒子束溅射去除加工，等离子体加工 结合加工 化学附着 化学结合 电化学附着 电化学结合 热附着 扩散结合 熔化结合 物理附着 注入 化学镀，气相镀 氧化，氮化 电镀、电铸 阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）

4、 离子溅射注入加工 变形加工 热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动 热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工 1.1.2精密加工的分类精密加工的分类 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 分 类加工方法可加工材料应 用 切削加工 等离子体切削 微细切削 微细钻削 各种材料 有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝 熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金 球，磁盘，反射镜，多面棱镜 油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板 磨料加工 微细磨削

5、 研磨 抛光 弹性发射加工 喷射加工 黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃 金属、非金属 金属、玻璃、水晶 集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工，硅片基片 平面、空、外圆加工，硅片基片 硅片基片 刻槽，切断，图案成形，破碎 特种加工 电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工 导电金属，非金属 导电金属 金属，非金属 硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体 各种材料 各种材料 各种材料 金属，非金属，半导体 孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，

6、打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线 划线，图形成形 复合加工 电解磨削 电解抛光 化学抛光 各种材料 金属，半导体 金属，半导体 刃磨，成形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝，槽 平面 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（2） 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密

7、切削加工精密切削加工 工具等 加工装置材料用途、零件等 镜 面 切 削 金刚石刀具刃口锋 利化 利用CBN刀具切 削钢 金刚石刀具得结晶 方位选择 金刚石刀具刃口评 价改进型SEM 采用空气轴承、流体轴承及 空气道轨等的高精度化 高刚度化 冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案： Tetraform结构球壳结构 Al、Cu、塑料等软质材料 无电解Ni膜Ge，Si KDP、 LiNbO3、玻璃 磁盘基板 各种模具 各种发射镜 红外用光学元件 激光核聚变用光学元件 X射线天体望远镜用元件 镜 面 磨 削 树脂结合剂金刚石 砂轮添加Mo2S2、 WS2、C等 铸铁基金刚石砂 轮采用

8、电解腐蚀修整 铁氧体 精细陶瓷 超硬合金 Ge、Si 玻璃 磁头 红外用光学元件 非球面玻璃透镜 各种模具 镜 面 研 磨 沥青抛光盘、石 蜡抛光盘、合成树脂 抛光盘 微细磨料、软质磨 料、易微细化的磨料 软质工具的采用： 氟化树脂发泡体跑关 盘、液体工具EEM 及浮动抛光 基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、EEM装置、 浮法抛光张之、PMAC抛光 装置 NC化CAM化 水晶LiTaO3 LiNbO3 GGG Si、GaAs 精细陶瓷 CVD SiC膜 玻璃 压电滤波器基片 SAW元件基片 半导体基片 各种模具 SOR用X射线光学元件 激光核聚变用各种光学元 件 投

9、影透镜 精密切削、磨削、研磨实例精密切削、磨削、研磨实例 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.1.3精密加工与经济性精密加工与经济性 很长一段时期，精密加工与高成本相联系很长一段时期，精密加工与高成本相联系 精密加工创造巨大的经济效益精密加工创造巨大的经济效益 离轴抛物面反射镜离轴抛物面反射镜 加工周期：加工周期： 12月月-3周；周； 精度更高；精度更高； 加工成本：传统工艺加工成本：传统工艺1/10。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Te

10、chnology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围 和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。 如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一 个关键技术参数，日本2nm，我国亚微米； 如：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，制造水平有了大 幅度提高，解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。 1.1.4 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 武汉理工大学武汉理工大学Wuha

11、n University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.1.5 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 国内外现状国内外现状 (1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快 的国家。 (3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长 足进步，80年代中期出现了具有世界水平的 超精密机床和部件。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 超精密加工技术发展趋势超精密加工技术发展

12、趋势 向更高精度、更高效率方向发展； 向大型化、微型化方向发展； 向加工检测一体化方向发展； 机床向多功能模块化方向发展； 不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方 法、新材料。 21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米 加工技术的关键十年。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 超精密加工的构成 超精密加工的影响因素 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种

13、加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工机理加工机理 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超 精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高 速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非 传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等 高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花 和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如 磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等， 在加工机理上均有所创新。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工

14、 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 被加工材料被加工材料 零件材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺 性能。 如：要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外 部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在10-210-3 数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸 强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数 等应达到10-510-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、 热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方 向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性， 能满足物理、化学、力学等性能要求。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology

15、 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 (1)高精度。 (2)高刚度。 (3)高稳定性。 (4)高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、 导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关， 应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等 也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精

16、密加工的因素 加工工具加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用 金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚 石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2 4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削 厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口 钝圆半径应为2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削， 这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常， 采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树 脂、铜、纤维铸铁等。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削

17、加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 检测与误差补偿检测与误差补偿 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微 仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、 压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、 超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面 变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉 法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来 减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用 误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身 的影响。静态

18、误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通 过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上， 在加工时进行实时补偿。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 工作环境工作环境 环境温度可根据加工要求控制在1 0.02，甚至达到0.0005。 在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%， 防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器， 如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求1000100级，100级是指每立方 英尺空气中所含大于0.

19、5m的尘埃不超过100个， 依此类推。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 主要研究内容主要研究内容 (1)超精密加工的加工机理。“进化加工”及“超越 性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超 精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀 具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺 参数进行提示性研究。 (2)超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工 程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴 系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究； 超精密机床总成制造技术研究。 武汉理

20、工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 OAGM2500LODTM 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 主要研究内容主要研究内容 (3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀 具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术 研究。 (4)精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与 传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误 差补偿技术研究；测量集成技术研究。 (5)超精密加工工作

21、环境条件。超精密测量、控温 系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型 特种排屑装置及相关技术的研究。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 可加工有色金属和非金属，可直接加工出超光滑的加工表 面(粗糙度Ra0.020.005m，加工精度0.01m)。 如：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。 超精密切削也是金属切削的一种，超精密切削也是金属切削的一种， 当然

22、也服从金属切削的普遍规律，但与当然也服从金属切削的普遍规律，但与 传统切削机理有区别。传统切削机理有区别。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.2.11.2.1切削变形和切削力切削变形和切削力 1.2.1.1切削变形 (1)过渡切削 以单刃回转刀具铣 削平面为例，分析在过 渡切削过程中刀具切削 刃与工件的接触情况及 工件材料的变形情况。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加

23、工精密切削加工 第I变形区是指在切削层内产生剪切 滑移的塑性变形区。切削过程中的塑 性变形主要发生在这里，所以它是主 要变形区。 当切屑沿前刀面流出 时，切屑与前刀面接 触的区域，切屑与前 刀面挤压摩擦，进一 步产生剪切滑移，这 就是第二变形区。 工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为第三变形区。 切削过程中三个变形区切削过程中三个变形区 在塑性滑动区域也在塑性滑动区域也 存在弹性变形区域。存在弹性变形区域。 在切削区域存在切在切削区域存在切 削去除区，也存在削去除区，也存在 塑性滑动区域和弹塑性滑动区域和弹 性变形区域。性变形区域。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan Universit

24、y of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （2）最小切入深度 零件的最终工序的最小切 入深度应等于或小于零件 的加工精度（允许的加工 误差）； 最小切入深度反映了它的 精加工能力； 根据过渡切削过程的分析 可知： 当切入深度太小，切 削刃对工件表面只有弹性 滑动或塑性滑动，没有切 屑，因此对最小切入深度 要受到一些因素的限制。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （3）毛刺与亏缺 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan Un

25、iversity of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 刀具前角将直接影响切削力的大小和方向，从而影响刀具前角将直接影响切削力的大小和方向，从而影响 工件终端的最终形状（毛刺或亏缺）工件终端的最终形状（毛刺或亏缺） 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （4）微量切削的碾压过程 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切

26、削加工 1.2.1.2切削力 (1) 切削力的来源 切削力的大 小影响着切削热 的多少，影响着 刀具的磨损，表 面质量和精度。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生 成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不 同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较 高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤 趋于稳定，高度变化不

27、大。 1 1、切削速度的影响、切削速度的影响 一、切削参数对积屑瘤生成的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大， 在f5m/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增 加。 由图2-9所示，在背吃刀量 25m后， h0值将随着背吃刀 量的增加而增加。 2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量 的影响的影响 p 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Techno

28、logy 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。 与普通切削规律正好相反。 1 1、对切削力的影响、对切削力的影响 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1）积屑瘤前端R大约 23m，实际切削 力由刃口半径R起 作用，切削力明显 增加 。 2）积屑瘤与切削层和 已加工表面间的摩 擦力增大，切削力 增大。 3）实际切削厚度超过 名义值，切削厚度 增加 hD-hDu，切削 力增加。 切削模型分析切削模型分析 实

29、际切削厚度 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并 且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。 2 2、对加工表面粗糙度的影响、对加工表面粗糙度的影响 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 由图2-12知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗 糙度的影响很小。 图2-13说明，不同切削速度下均得到表面粗

30、糙度极小的加工 表面镜面。 1 1、切削速度的影响、切削速度的影响 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 在进给量f5m/r 时，均达到 Rmax 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相 对滑移，才能形成切削被切除，即 )(NN sincos)( yx FFN A点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为 minD h 当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦 系数有关。 minD h x y F F 2 22 222 min 11 1

31、 )1)( 1 tan1 1 1)cos1 ( x y x y yx xy D F F F F FF FF h 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 刀具 被切材料 最小切削厚度 W18Cr4V Q235钢0.248 W18Cr4V45钢0.274 YG8Q235钢0.350 YG845钢0.377 根据经验，A点处的 比值一般在0.81范围内，对于金刚石刀具进行 超精密切削，取 。 使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削， 可实现切削厚度为纳米（nm）级

32、的连续稳定切削。 要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径 为34nm。 用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为： x y F F xy FF9 . 0 nmhD1 min 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1）（100）晶面的摩擦系 数曲线有4个波峰和波谷； （110）晶面有2个波峰和 波谷；（111）晶面有3个 波峰和波谷； 2）（100）晶面的摩擦系 数最低；（110）最高； 3）（100）晶面的摩擦系 数差别最大；（111）晶面 最小。 武汉理

33、工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1号车刀：前、后面为（100）晶面； 2号车刀：前、后面为（110）晶面。 比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。 （一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀 切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。 （二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的 变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。 （三）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削 式中 为变形系数， 为

34、前角。 从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀， 即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110） 晶面的2号车刀。 0 0 sin cos tan h h 0 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1. 2.2 切削热和切削液 切削热直接影响刀具磨损和耐用度，限制了切削速度，还 影响工件的加工精度和表面质量。 1.2.2.1切削热 （1）切削热的来源及切削温度 变形所消耗的功转变成热 ：包括弹性变形和塑性变形（前小后大） 摩擦所消耗的功转变成热：包括

35、前刀面与铁屑和后刀面与工件已加工面 的摩擦 切削热的传递是 由切屑.工件.刀具和周围介质传导的 （ 热量多少依次递减 ） 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 精密切削时，切削单位从数微米缩小到1微米以下，刀尖部分会受到很大的应 力，刀尖局部区域会产生极高的温度，原因如下： 金属材料的组成： 由数微米到数百微米的微细晶粒构成， 晶粒内部，一般情况下，大约1微米左右间隔就有一个 位错缺陷 。 当切削单位很大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上 的原子产生位移，而是通过

36、位错运动形成滑移 当切削单位在1微米左右时，不会发生位错运动形成滑移 所以精密切削时，刀具要采用耐热性高.耐磨性强，有较好的高温硬度和高 温强度的刀具材料。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 (2)切削热的影响与控制 热变形引起的加工误差占总误差的4070 100mm长的铝合金零件，温度每变化1度，将产生2.25微米的误差。 所以要严格控制温度 要确保0.1微米的误差，工件温度必须控制在0.05度 主要措施：切削液浇注工件 浇注淋浴式 切削液的冷却：在切削液箱内设置螺旋形铜管

37、，管内通自来水，控制 水的流量，必要时可加冰。 另外，也可通过优化刀具几何角度和切削用量来减少切削热 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.2.2.2切削液 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.2.3.1

38、金刚石刀具的磨损形式： 机械磨损.破损和碳化磨损. 机械磨损：初磨阶段.更普遍的机械磨损。 2. 3刀具的磨损、磨破和耐用度 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 图中所示沿 切削速度方向 出现磨损沟槽， 由于金刚石和 铁、镍的化学 和物理亲和性 而产生的腐蚀 沟槽。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University o

39、f Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但 是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚 微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极 高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩 擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀 具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000 2000m/min，而刀具的磨损甚小。 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。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精

40、密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴 转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金 刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。 刀具的破损：裂纹.破裂和解理 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 金刚石切削时，若有微小振动， 就会产生刀刃微小崩刃。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 武汉理工大学武汉理工

41、大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.2.3.2 刀具的耐用度 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 二战后，美国首先发展金刚石刀具精密切削，并发展了空 气轴系的高性能精密车床。50年代后，又成功研发了超精 密切削机床。 在美国和日本，大概有20多家工厂和研究所可生产超精密 机床，英国.荷兰和德国等工业发达国家也可以生产和研 究超精密机床，并达到了较高水平。 我国从20世纪60年代

42、开始发展精密机床，精密机床已经有 相当的规模，精度和质量达到一定的水平。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 .昆明机床厂.宁江机床厂汉川机床厂生产多种坐标镗床，最 新的坐标镗床有数控系统； .重庆机床厂.武汉机床厂能生产高精度的滚齿机； .重庆机床厂.武汉机床厂和上海机床厂能生产高精度的蜗轮 母机； .北京机床研究所.航空精密机械研究所.前哨机械厂能生产 多种规格的三坐标测量机； .北京密云机床研究所研究成功加工球面的JSC-027型超精 密车床；北京航空精密机械研究所研究成

43、功空气轴承的超 精密车床和金刚石镗床；哈尔滨工业大学研究成功带激光 在线测量的空气轴承数控超精密车床。 总的来说，我国精密机床的生产和研究和国外相比， 差距较大。由于保密，引进精密机床受到限制。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 OAGM2500LODTM 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 普通车床的主轴径向跳动通常0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1

44、000mm。 精密车床的主轴径向跳动0.0030.005mm，导轨平直度为0.01mm/1000mm 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.3.3.1、液体静压轴承主轴、液体静压轴承主轴 主轴回转精度主轴回转精度 回转精度回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，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、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。端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素影

45、响回转精度的因素 （1 1）轴承精度和间隙的影响。）轴承精度和间隙的影响。 （2 2）主轴、支承座等零件中精度的影响。）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。关键在于精密轴承。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （一）、滑动轴承的分类（一）、滑动轴承的分类 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦 状态，滑动轴承可分为状态，滑动轴承可分为: 液体摩擦轴承液体摩擦轴承 非液体摩擦轴承非液体摩擦轴承 液体动压润滑轴承液体动

46、压润滑轴承 液体静压液体静压润滑润滑轴承轴承 按滑动轴承承受载荷的方向可分为按滑动轴承承受载荷的方向可分为: 径向滑动轴承（向心）径向滑动轴承（向心） 推力滑动轴承（止推）推力滑动轴承（止推） 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 根据润滑膜的形成原理不同分为：根据润滑膜的形成原理不同分为： 动压润滑轴承动压润滑轴承 利用相对运动副表面的相对运动利用相对运动副表面的相对运动 和几何形状，借助流体粘性，把润滑和几何形状，借助流体粘性，把润滑 剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的剂带进摩

47、擦面之间，依靠自然建立的 流体压力膜，将运动副表面分开的润流体压力膜，将运动副表面分开的润 滑方法为流体动压润滑。滑方法为流体动压润滑。 静压润滑轴承静压润滑轴承 在滑动轴承与轴颈表面之间输在滑动轴承与轴颈表面之间输 入高压润滑剂以承受外载荷，使运入高压润滑剂以承受外载荷，使运 动副表面分离的润滑方法成为流体动副表面分离的润滑方法成为流体 静压润滑。静压润滑。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 径向轴承（径向轴承（向心轴承向心轴承） 径向轴承的径向轴承的受力受力FrFr 与轴

48、的中心线垂直与轴的中心线垂直 止推轴承（推力轴承）止推轴承（推力轴承） 止推轴承受力止推轴承受力FaFa与与 轴的中心线平行轴的中心线平行 Fr Fa 轴承座轴承座 径向轴瓦径向轴瓦 止推轴瓦止推轴瓦 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （二）、液体静压轴承工作原理（二）、液体静压轴承工作原理 静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削

49、加工 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个 油腔（通常为4个）。 （2）各油腔之间开有回油槽。 （3）用过的油一部分从这些回油槽流回油 箱（径向回油），另一部分则由两端流回油 箱（轴向回油）。 （4）油腔四周形成适当宽度的轴向封油 面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般 为 0.020.04mm。 （5）油泵供油压力为ps ，油液经节流器T进入各油腔，将 轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。 （6）当主轴不受载荷且忽略自

50、重时，则各油腔的油压相同， 保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之 间的间隙相等，均为h0。 （7）当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下 移动产生偏心量e。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 （8）油腔3处的间隙减小为h0-e ，由于油液流过间隙小的 地方阻力大，流量减小，因而流过节流器T3的流量减少，压力 损失随之减小 （9）供油压力ps 一定，油腔3内的油压p3升高 （10）油腔1处的间隙增大为h0e，由于油液流过间隙大的 地方阻力小，流量增加，因

51、而流过节流器T1的流量增加，压力 损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与 油腔1之间形成了压力p = p3 -p1，产生与载荷方向相反的 托起力，以平衡外载荷F。 （11）如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F= A（p3 - p1） （12）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一 个节流器。 （13）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平 衡外载荷了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承表面接触 （14）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此， 静压轴承可以在很低的转速下工作。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of T

52、echnology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影 响主轴精度。 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，降低轴承的刚度和动特性。 解决措施： 1）提高静压油的压力到68MPa，使油中微小气泡的影响减 小，提高静压轴承的刚度和动特性。 2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的 温升。 3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。 （三）、液体静压轴承的缺点（三）、液体静压轴承的缺点 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密

53、与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 1.3.3.2、空气静压轴承主轴、空气静压轴承主轴 圆柱径向轴承和端面圆柱径向轴承和端面 止推空气静压轴承止推空气静压轴承 径向轴承的轴套制成外径向轴承的轴套制成外 面鼓形，能自动调整定面鼓形，能自动调整定 心。轴套的外表面做凸心。轴套的外表面做凸 形球面，与轴承盖及轴形球面，与轴承盖及轴 承座上的凹形球面相配承座上的凹形球面相配 合。当轴变形时，轴套合。当轴变形时，轴套 可以自动调整位置，从可以自动调整位置，从 而保证轴颈与轴鼓为面而保证轴颈与轴鼓为面 接触。用多孔石墨的轴接触。用多孔石墨的轴 衬代替小节流孔。衬代替小节流孔。

54、武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 双半球空气轴承主轴双半球空气轴承主轴 前后轴承均 采用半球状，既 是径向轴承又是 轴向轴承。由于 轴承的气浮面是 球面，有自动调 心作用，可提高 前后轴承的同心 度，提高主轴的 回转精度。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 前部用球形后部用圆柱前部用球形后部用圆柱 径向空气轴承的主轴径向空气轴承的主轴 武汉理工大学武汉理工大

55、学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 立式空气轴承立式空气轴承 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 三、超精密机床主轴和轴承的材料三、超精密机床主轴和轴承的材料 1）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。 2）不易生锈腐蚀。 3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。 4）材料的稳定性好。38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低 温稳定处理，不锈钢和多孔石墨和轴承钢。 此外：铟钢、花

56、岗岩、微晶玻璃和陶瓷。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 四、主轴的驱动方式四、主轴的驱动方式 1）电动机通过带传动驱动 2）电动机通过柔性联轴器驱动 3）采用内装式同轴电动机驱动 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 一、超精密机床的总体布局一、超精密机床的总体布局 1)主轴箱位置固定，刀架装在十字形滑板上 2）T形布局 3）R 布局 4）立式结构布局 武汉理

57、工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 二、床身和导轨的材料二、床身和导轨的材料 铸铁成本低 有良好减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工 导轨常用的铸铁灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁 灰铸铁应用最多的牌号是HT200 常用的孕育铸铁牌号是HT300 耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。 常用于较精密的机床导轨 耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁 与孕育铸铁相比，其耐磨性提高12倍，但成本较高 常用于精密机床导轨 优质耐磨铸铁优质耐磨铸铁 武汉理工大学武汉理工大学

58、Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 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 磨并不会生锈。 人造花岗岩人造花岗岩 由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造 成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力 加强。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 三、导轨分类三、导轨分类 导轨的作用和特点 导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而 且是还保证各

59、部件间的相对位置与相对运动的精度。 但是与主轴部件相比，具有以下的特点： 1）工作速度低。 2）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节 之一。 3）受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。 4）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工， 甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 导轨的基本要求 （一）导向精度高 1、导轨在水平和垂直面内的直线度 2、导轨的平行度 3、导轨间的垂直度 （二）足够的刚度 外力作用下导轨本身抵抗

60、变形的能力 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 导轨的基本要求 （三）精度保持性（耐磨性）好 1、降低导轨面的比压； 2、良好的防护与润滑； 3、正确选择导轨副的材料和热处理； 4、选择合理的加工方法。 （四）运动的灵敏度 是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值 的大小。刻度值越小，灵敏度越高。 武汉理工大学武汉理工大学Wuhan University of Technology 精密与特种加工精密与特种加工第一章第一章 精密切削加工精密切削加工 按两导轨面间的摩