精密超精密加工课件

1、精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 超精密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.10.01m，加工表面粗糙度达Ra0.030.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m； 纳米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。超精密加工的主要方法有： 1）金刚石刀具超精密切削； 2）精密和镜面磨削； 3）精密研磨和抛光； 超精密加工技术超精密加工技术精密与特种加

2、工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS1.1.金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。 金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 2. 2.精密和镜面磨削精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精

3、度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra0.010.002m的镜面。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS3. 3.精密研磨和抛光精密研磨和抛光 精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.010.02m的镜面。 超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度

4、。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。机理、特点精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。应用精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS金刚石刀具精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损机械摩擦、非常微小；破损本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只

5、能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图图 金刚石车床及其加工照片金刚石车床及其加工照片精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/min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 /

6、 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）表1 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精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密切削加工精密切削加工 精密加工：加工精度为0.11um，表面粗糙度为0.020.1um。3、增强互换性、促进自动化装配应用。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密加工的关键技术：1、精密加工机床2、

7、金刚石刀具3、精密切削机理5、误差补偿4、稳定的加工环境6、精密测量技术精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密切削研究最早从金刚石车削开始金刚石铣削金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性： 过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。 现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精密切削机理：精密切削机理：采用微量切削方法，

8、对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削的主要因素。 过渡切削：切削时，刀具的切削刃与工件表面存在的关系。弹性滑动塑性滑动切削塑性滑动 弹性滑动 零件的最终工序的最小切入深度应小于或等于零件的加工精度。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 切削力的来源：切削力的来源：1、切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；2、刀具与切削同工件表面间的摩擦阻力。 切削力切削力F F的影响因素：的影响因素：1、切削速度v：硬质合金车刀不明显 天然金刚石车刀随v增大F降低 考虑积削瘤时，低速时切削力随切削速度增加而急剧下降；到200300m/min时

9、切削力基本不变。2、进给量f：f对主切削力FZ的影响大于径向切削力和轴向切削力。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS3、切削深度ap：硬质合金车刀影响明显 天然金刚石车刀FzFy 精密切削中进给量对切削力的影响大于切削深度。 与普通切削相反。4、刀具材料：主要因为摩擦系数不同。 切削热的来源：切削热的来源：1、弹塑性变形消耗功热；2、摩擦消耗功热。 切削热通过改变切削温度影响切削过程。切削温度是指切屑、工件和刀具接触表面上的平均温度。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 刀具刀尖的温度最高，对切削过程的影响很大。切削热由切屑、工件

10、、刀具和周围介质传导，传导热的比例随刀具材料、切削用量及刀具几何角度、加工情况等的变化有所不同。其中切削传出的热量最多。采用微量切削方法进行精密切削时，需要采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精密加工中，热变形引起的加工误差占总误差的40%70%。因此必须严格控制工件的温升和环境温度的变化。 通常采用切削液浇注工件的方法来减小切削热对精密加工的影响。 课本上列出了干切削与施加冷却液时的表面粗糙度比较图，见图1.14；不同的切削液对表面粗糙度的影响图，见图1.15。精密与特种加工精密与特种加工HIGH

11、 EDUCATION PRESS 切削液的作用：1、抑制积屑瘤的生成；2、降低加工区域温度，稳定加工精度；3、减少切削力；4、减小刀具磨损，提高刀具耐用度。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 刀具磨损、破损及耐用度金刚石刀具可分为：机械磨损、破损和碳化磨损。(前两种比较常见)金刚石刀具破损的原因有：裂纹（结构缺陷）、破碎（金刚石较脆）、解理（破坏晶面结构）。刀具磨损分为：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。天然单晶金刚石是目前已知最硬的材料，是精密切削中最重要的刀具。其磨损或破损到不能使用的标志是加工表面的粗糙度超过规定值。耐用度以其切削路程的长度表示。

12、精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精密机床是进行精密加工的首要条件。二战后美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术。我国起步比较晚，20世纪60年代才开始发展精密机床。上海机床厂、武汉和重庆机床厂、北京机床研究所、航空精密机械研究所为我国精密机床发展做出了相当的贡献。 我国由于起步晚、且从国外购进的精密机床受到保密技术的制约，与外国的差距较大。精密机床精密机床精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 普通机床主轴径向跳动通常为0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1000mm； 精密机床主轴径向跳动通常为0.0030.005mm，导

13、轨平直度为0.01mm/1000mm； 超精密要求则更高，具体精度指标见表1.6。通常，加工设备的精度必须高于零件精度，通常高一个数量级。所以高精度工件的精度保证，取决于加工机床的精度。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精密主轴部件是精密和超精密机床的关键部件之一，它的性能直接影响精密和超精密加工质量。 对主轴的要求：回转精度、转动平稳、无振动，其关键在于使用精密轴承。 床身和导轨：具有尺寸稳定性好、热膨胀系数小、振动衰减能力强、耐磨性和加工工艺性好等。通常用优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。 进给驱动系统：精密机床必须具有精密的进给驱动精度。 精密和超精

14、密加工的精度由检测精度来保证的，为了消除误差，必须使用误差补偿技术。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 超精密切削加工发展：20世纪60年代发展起来的新技术，在国防和尖端技术领域具有重要地位。 服从金属切削的普遍规律，但由于切削层极薄，所以又具有一定的特殊性。 发展方向：1、基本理论和工艺；2、设备的精度、动态性及热稳定性；3、精度检测和误差补偿；4、环境控制技术；5、加工材料。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密磨削加工 磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要工具。特点：1、可加工一般结构材料：铸铁、碳钢、

15、合金钢；难以切削高硬度材料：淬火钢、硬质合金、陶瓷、玻璃等。2、精度高、表面粗糙度小：IT5及以上，Ra为1.250.01um精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS3、径向作用力大且作用在工艺系统刚性较差的方向上。4、磨削的温度高，磨削产生的切削热多：80%90%传入工件。故应大量采用切削液来降低磨削温度。5、砂轮有自锐作用：磨粒破碎，形成新的菱角。6、磨削加工的工艺范围广：外圆面、内圆面、平面等。7、磨削在切削加工中的应用比例增大：发达国家占到30%40%。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精密磨削加工：细粒度的磨粒或微粉、高

16、精度小表面粗糙度值。是利用微小的多刃刀具去除细微切屑的一种加工方法。一般指砂轮磨削和砂带磨削。分类：研磨、超精加工、珩磨、抛光等等。固结磨料加工：固结磨具：磨料微粉结合剂通过烧结形成砂轮、砂条涂覆磨具：通过涂覆在纸、布或复合材料基底上。涂覆方法有重力落砂法、涂覆法、静电植入法。游离磨料加工（见本课件第48页）精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 在精密和超精密磨削中，磨料大多使用超硬磨料：立方氮化硼。磨粒的粒度影响加工的表面粗糙度值，粒度号数越大，加工表面的粗糙度值越小。 精密砂轮磨削：粒度6080、精度10.1um、Ra为0.20.25um。 超精密砂轮磨削：

17、粒度W40W5、精度0.1um、Ra为0.0250.008um。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS说明：1、磨粒是不规则的菱形，在砂轮表面随机分布。，一般只有10%的磨粒参与切屑。磨粒的微刃性和等高性好，获得的表面粗糙度值小。2、磨削温度很高。磨粒磨削点温度：8001200，影响加工质量和磨粒的磨损。砂轮磨削区：几百度，与磨削烧伤和裂纹的出现有关。影响因素：砂轮速度、工件速度、径向进给量、工件 材料、砂轮的粒度与硬度。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS3、磨削液的作用： 冷却作用、润滑作用、清洗作用等。一般选用乳化液和离子型磨

18、削液。4、磨削加工一般安排在最后的终加工阶段。5、磨削质量评价： 加工表面的几何特征：表面粗糙度、加工表面缺陷 加工表面层材料的性能：塑性变形与加工硬化、残余应力与金相组织变化。6、磨削力的影响因素：砂轮速度 、工件速度及进给量 、砂轮的磨损 。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS7、磨削质量和裂纹控制：表面粗糙度：砂轮速度越高、工件速度越低、砂轮粒 度越大、纵向进给越小粗糙度值越小；冷作硬化：发生塑性变形，表面层金属硬度增加；金相组织变化：磨削烧伤：表面层被氧化；表层金属的残余应力：精细磨削中塑性变形起主导作 用，工件表面金属产生压缩残余应力。精密与特种加工精

19、密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS8、磨削机床要求：高几何精度：砂轮主轴的回转精度、导轨的直线度；低速进给运动的稳定性：无爬行和无冲击；减少振动：防振地基上；减少热变形：机床开启后34h趋向热平衡，精密磨削需在热变形稳定后进行。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 精整加工精整加工是生产中常用的精密加工，它是生产中常用的精密加工，它是指是指在精加工之后从工件上去除很薄的材料在精加工之后从工件上去除很薄的材料层层, ,以以提高提高工件精度和减少表面粗糙度值为目工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法的的加工方法, ,如研磨、珩磨等。如研磨、珩磨

20、等。 光整加工光整加工是指不去除或从工件上去除极是指不去除或从工件上去除极薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工方法，如超级光磨、抛光等。方法，如超级光磨、抛光等。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法。层极薄表面层的精加工方法。具体说具体说：利用微小：利用微小磨粒借助于研具与工件的相对运动作微小切削。磨粒借助于研具与工件的相对运动作微小切削。 有磁性研磨、弹性发射加工、悬浮抛光等。有磁性研磨、弹性发射加工、悬浮抛光等。

21、采用不同的研磨工具采用不同的研磨工具( (如研磨心棒、研磨套、如研磨心棒、研磨套、研磨平板等研磨平板等) )可对内圆、外圆和平面等进行研磨。可对内圆、外圆和平面等进行研磨。 精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 图示图示为研磨外圆的工具。研磨套为研磨外圆的工具。研磨套2 2由夹套由夹套1 1夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。 研磨外圆的工具研磨外圆的工具 1-1-夹套；夹套；2-2-研磨套；研磨套；3-3-调节螺钉；调节螺钉；4-4-

22、手柄手柄。 精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 为了磨料能嵌入研磨套的内表面，研磨套的材应软些，常用的是铸铁。 研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂，将该工具套在工件上，并调节好配合的松紧程度，然后让工件旋转，手持研磨工具在轴向来回移动，直至达到研磨的要求为止 。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 研磨剂是很细的磨料(粒度为W14W15)、研磨液和辅助材料的混合剂。 常用的有常用的有液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）磨皂）三种。三种。 主要起主要起研磨、吸附、冷却和润滑研磨、吸附、冷却

23、和润滑等作用。等作用。 1)1)精度高质量好精度高质量好 经研磨后的工件表面,尺寸精度可达IT4IT1级； 表面粗糙度值可减小到0.10.006m。形状精度亦可相应提高。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 2) 2) 生产效率低，加工余量小生产效率低，加工余量小 3) 3) 研磨剂易飞溅，污染环境研磨剂易飞溅，污染环境。 在现代制造业中研磨应用很广，许多在现代制造业中研磨应用很广，许多精密量精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、陶瓷元件、光学镜头及棱镜陶瓷元件、光学镜头及棱镜等零件均需研磨。等零件均需研磨。精密与

24、特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作往复振动、相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的工件精加工方法。 一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，表面粗糙度Ra值可达0.20.025m。珩磨加工的工件表面质量特性好、加工精度和加工效率高，加工应用范围广、经济性好。 二、珩磨二、珩磨精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS砂轮修整：精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDU

25、CATION PRESS进给图图7 ELID磨削原理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ELID（Electrolytic In-Process Dressing）精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图图8 砂带磨削示意图砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动精密与超精密砂带磨削精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS（图10）a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮

26、砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图图11

27、 静电植砂砂带结构静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图11），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS精密砂带磨削工艺：砂带磨削用量选择：砂带速度：闭式粗磨1230m/s、精 磨2530m/s；工件速度：粗磨2030m/min、精 磨20m/min。砂带选择：根据精度和表面粗糙度要求选择磨料种类、 粒度、基底材料等。砂带磨削的润湿与除尘：考虑砂带粘结剂和基底材料的 种类。精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图图12 弹性发射加工原理弹性

28、发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。游离磨料加工精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 用细粒度的磨具对工件施加一定压力，并作往用细粒度的磨具对工件施加一定压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。种光整加工方法。 磨具与工件之间的运动如下：磨具与工件之间的运动如下： 1)1)工件作低速旋转运动工件作低速旋转运动,工工3 320m/min; 20m/min; 2)2)油石磨具作往复振动油石磨具作往复振动, ,每分钟振动每分钟振

29、动300 300 12001200次次, ,振幅为振幅为3 35mm5mm； （又名又名：超级光磨）：超级光磨）精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS3)3)磨具作纵向进给运动磨具作纵向进给运动, ,进给量进给量f f纵纵为为0.10.10.15 0.15 mm/rmm/r。 超精加工能加工钢、铸铁、铜合金、铝合超精加工能加工钢、铸铁、铜合金、铝合金、陶瓷金、陶瓷 、玻璃、硅和锗等各种金属与非金属、玻璃、硅和锗等各种金属与非金属, ,可以加工外圆、平面、内孔和各种曲面。可以加工外圆、平面、内孔和各种曲面。 尤其适用加工内燃机曲轴、凸轮轴、活塞、尤其适用加工内燃机曲轴、凸轮轴、活塞、活塞销等的光整加工。活塞销等的光整加工。 精密与特种加工精密与特种加工HIGH EDUCATION PRESS 超精加工可在普通车床、外圆磨床上进超精加工可在普通车床、外圆磨床上进行，对于批量较大的生产则宜在专用机床上行，对于批量较大的生产则宜在专用机床上进行。进行。工作时应充分地加润滑油，以便形成工作时应充分地加润滑油，以便形成油膜和清洗极细地磨屑油膜和清洗极细地磨屑。 超精加工后地工件表面粗糙度超精加工后地工件表面粗糙度R Ra a值约在值约在0.10.006mm之间。之间。 精密与特种加工精密与特种加工