精密加工文献精密切削加工

1、精密切削加工精密切削加工学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师完成日期2015年06月 7摘 要精密切削加工技术是在传统切削加工的基础上，汇集了大量的新技术所形成的近年来发展较快的一项重要技术，是精密、超精密加工技术的一个重要分支。它的研究及应用水平已成为一个国家的机械制造业乃至整个制造业水平的重要依据。具有高精度的机床、精密级的切削刀具、稳定的切削加工条件、精密的测量技术是实现精密切削加工的先决条件。本文主要结合这些问题，阐述目前精密切削加工的发展概况及未来的发展。关键词：精密切削 机床 刀具 加工条件 测量技术 ABSTRACTPrecision machining

2、 technology is on the basis of traditional machining, and collected a lot of new technology developing rapidly formed these years to an important technology. Precision and ultra-precision processing technology is an important branch. Its research and application level has become a national machinery

3、 industry and the important basis of level of the whole manufacturing industry. High precision machine tools, precision cutting tools, stable cutting condition, precision measurement technology is the prerequisite to realize precision machining. In this paper, combined with these problems, the paper

4、 expounds the current development situation and the future development of precision machining.KEY WORDS: Precision cutting Precision machine tools Processing conditions Measurement technology.精密切削加工引言随着航空、航天、仪表和微电子技术的发展, 对零件的尺寸精度和形位精度及表面粗糙度的要求越来越严格, 本世纪六十年代产生了超精密加工技术.超精密切削加工是在传统切削加工的基础上, 汇集了大量的新技术所形

5、成的近年来发展较快的一项重要技术, 是超精加工技术的一个重要分支. 到目前为止, 超精密切削加工的尺寸精度已达到1m 以内, 表面粗糙度为Ra0.0010. 002加工平面度低于波长入的l/ 2以下。具有超高精度、高刚度的机床, 超精密级的切削刀具, 超稳定的切削加工条件、精密的测量技术是实现超精密切削加工的先决条件。为此, 本文就以上几个问题, 结合近年来超精密切削加工技术中存在的问题, 阐述超精密切削加工技术的现状和发展。一、 精密、超精密机床精密机床是实现精密加工的首要条件，随着加工精度要求的提高和精密加工技术的发展，机床的精度也在不断提高，精密机床获得迅速的发展。当前，超精密加工技术处

6、于国际领先地位的主要有美国、英国和日本等。美国是世界上最早研究超精密加工技术和机床的国家。在20世纪60年代初就已经开发了单点金刚石刀具切削技术及相应的超精密机床，以应对国防航天尖端技术的发展。美国Moore公司的Nanotech系列和Precitech公司的Nanoform系列超精密机床代表了现今超精密机床的技术水平和发展趋势。Morre公式自主研发生产了Nanotech 500FG机床。该机床是多功能型超精密机床，通过多种选择功能可以实现车削、铣削、磨削等加工模式，通过五坐标联动控制结合快慢速伺服驱动技术，在线检测可以实现对自由曲面的多种模式的超精密切削及磨削加工。2013年，Precit

7、ech公司先后推出了Nanoform X和Nanoform L100超精密机床。它们主要为提高针对金刚石车削、铣削和磨削的生产效率和灵活性而设计，主要加工对象为光学镜头、平面镜、精密机械零件等，机床可扩展至三轴或四轴，用于加工球面、非球面和自由曲面。采用振动隔离技术，Nanform X机床的车削加工可达Ra<1nm，面形精度 PV 值 0. 1 m，最大可加工工件直径为440 mm，X 和 Z 向的直线液体静压导轨行程均为220 mm，其可编程直线分辨率达 0. 01 nm，角度分辨率达0. 000 000 1°。该机床还拥有独特的内部隔间设计来改善切屑牵制性。Nanoform

8、 L1000 机床的车削加工可达 a 1. 25 nm，面形精 度 PV 值0. 125 m，最大可加工工件直径为1 m，X 和Z 向的直线静压导轨行程分别为 500 mm 和 300 mm该机床还拥有 606 mm 的 Z 轴工装板，能够容纳多种刀具、检测装置及铣磨主轴。日本超精密加工技术与机床的研究相对美国、英国来说虽起步较晚，在20 世纪70 年代中期才开始，但是发展很快。日本东京工业大学精密工程研究所在2008年研制成功一台名为ANGEL的三轴超精密机床。该机床采用完全的对称性的结构设计，并以减小阿贝误差，运动误差隔热误差为设计原则，采用新型的气浮平台实现X 和Y 轴运动，Z 轴采用气

9、体静压轴承技术，三轴均实现了纳米级控制。该机床采用了主动振动隔离系统和Z 轴的非接触式重力补偿装置最大可加工工件为230 mm × 230 mm × 70 mm，可实现20nm的台阶加工。和国外精密机床相比，我国在这一方面的发展相对落后，许多关键的技术还没有达到世界先进的技术水平。哈尔滨工业大学精密工程研究所是国内率先研发超精密机床的单位之一。为满足大型激光核聚变工程中大尺寸KDP 晶体超精密加工的需要，研制成功我国第一台KDP 晶体超精密加工专用铣床，并不断改进，形成系列化KDP晶体超精密加工机床。，该类机床加工可达2 m 的面形精度和4 nm 的表面粗糙度为了满足微小零

10、件与微结构加工的需要，先后研制成功了卧式三轴联动精密微细铣床、立式三轴联动精密微细铣床、卧式超精密微细加工车床、五轴联动微细加工超精密机床等多台精密超精密微细加工设备。二、 精密切削刀具及制造技术超精密加工的零件尺寸公差、形位公差都十分小，表面粗糙度值仅有百分之几微米，加工时必须在工件十分稳定的条件下作微量切削。金刚石刀具超精密切削是20 世纪60 年代出现的超精密加工技术，是最典型也是最有成效的超精密加工方法之一。采用单晶体金刚石车刀可实现超精密的镜面车削。超精密车削加工余量只有几微米，切屑非常薄，一般都在0.1m 以下。日本日进工具公司为满足加工高精度、高品质模具的需求，开发了用于加工高硬

11、度材料的MRBH230球头立铣刀。该立铣刀为适应深模腔加工的长颈型标准球头立铣刀，其特点为： 采用了耐磨性能优异的新涂层，加工从自硬钢到淬硬钢时显示出更长刀具寿命； 具有能实现高硬度材料粗、精稳定加工的最佳切削刃形状；具有排屑良好的容屑槽形状。该立铣刀球头R精度为40005mm，规格尺寸为R0.3一R3，有效长度范围为250mm，共有37种规格。德国泽查刀具公司的超细微粒硬质合金立铣刀是为满足超精密切削加工的需要而开发的。其径跳精度达到0003mm，柄部精度为h4。该刀具采用了经过磨削和研磨加工的超细微粒硬质合金基体，并采用高水平涂层技术进行涂覆处理以及经过反复研究开发的最佳切削刃形状，使立铣

12、刀能最大限度地发挥加工精度的优势，并具有较长的刀具寿命和最大的加工稳定性。该公司还开发了微型立铣刀用超级硬质涂层技术，用于生产高精度涂层立铣刀和球头立铣刀。下面介绍超精密金刚石切削刀具的制造技术：超精密金刚石切削工具的高精度刃磨需要高超的技艺, 为了获得更高精度的切削刃口圆弧半径, 特别是精度小于0.05m 以下时, 对研磨机提出了相当严格的要求, 必须有极高回转精度的主轴轴系, 更多是采用空气轴承作为支承, 研磨盘必须能在机床上加以修平, 使其端面跳动控制在0.5m 以下。同时，金刚石刀具钝圆半径一直向着更小的的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度。目前, 其钝圆半径甚至可以达

13、到连扫描电子显微镜( SEM) 也无法检测的程度。据日本大阪大学井川直哉教授介绍, 最小可达24nm( 通过切削获得的厚为1nm 的切屑推算) 。下面介绍一些发达国家生产的超精密金刚石刀具情况。（1）英国CONTOUR FINE TOOLING 生产的商用超精密金刚石刀具刃口轮廓检测在800×放大镜下无缺陷, 包角为100°( 使用单晶金刚石) 或者120°( 包角在120°及以上时需使用多晶金刚石) , 圆弧轮廓精度通常可以达到优于0.25m, 必要时可以做到0.05m; 刀具前角: 255°, 后角为515° 刀具圆弧半径范围为0

14、.02100 mm 。（2）日本OSAKA DIAMOND ULTRA PRECISIONCUTTING TOOLS 刀具情况刀具刃口经过SEM 20, 000 倍放大检测无缺陷, 自行开发的分辨率为5nm 的测量系统记录每一个刃口报告, 圆弧轮廓精度在0.052m( 90150°包角范围) ; 刀具前角为-30°10°, 后角为020° 刀具圆弧半径范围为0.01200mm。三、 稳定的切削加工条件超稳定的切削加工条件是实现超精加工的必要保证。它包括对加工环境的温度、净洁度、加工系统振动等进行严格控制来是实现。主要措施有：1.消除振动干扰：由于工艺系统

15、内部或外部的振动干扰,会破坏切削刀具与工件间的相对位移和相对运动,使工件的精度和表面质量下降导致不能进行。因此必须消除或减弱。1°消除或减弱工艺系统内部振动干扰，如机床高速回转的主轴，砂轮、电机的转子等应进行仔细地动平衡校核，并在振源和机座之间加橡皮、弹簧等隔振垫；传动带应选择带薄、厚度均匀、柔软的平带；液压系统的油箱、马达、油泵等，应安装在机床外，油液用软管输送；传动箱中的齿轮，除了提高制造精度与装配质量外，在许可的条件下，也可以用其它减振材料（如胶木、塑料等）制作。选择抗振性好的材料制造机床，如花岗石等。2°对消除或减弱外部振动干扰，目前国内外超精密加工机床中,大多采用

16、空气弹簧隔振系统,并取得了较好的隔振效果，有效地隔离了频率69Hz，振幅在0.1m0.2m 的振动。2.消除环境温度对加工的影响，精密加工和超精密加工时，由于室温的变化对加工精度的影响很大， 由热变形而产生的误差占总加工误差的50%。因此，应控制好温度变化。一般情况下温度变动范围应控制在土005之内，相对湿度控制在3045之间为宜。如要保证0.010.1m 的加工精度，温度变化应分别控制在±0. 01±0.1。温度控制可采用室内恒温、局部恒温、设备（机床）恒温的逐级恒温办法来实现。如采用空调设备控温，用于恒温室和局部恒温的控制。采用液体恒温控温，将设备被浸泡在恒温液体中或用

17、恒温液体的淋浴设备。美国的恒温冷却水冷却技术，可实现20±0.0005的温度控制。四、 精密测量技术精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段，不仅要检测零件的精度和表面粗糙度，而且要检测加工设备及基础元、部件的精度。目前，超精密加工的精度已能稳定地达到0.1m 级甚至0.01m 级， 这就要求测量精度能达到纳米级水平。目前，在超精密加工中除广泛采用基于光学原理的测微技术和高灵敏度的电气测微技术外，超精密测量仪正向高分辨率、高精度和高可靠性的方向发展，而且测量结果的分析软件功能也越来越强。目前应用的隧道扫描显微镜的分辨率已经达到了0.01nm。下面介绍一些国内外一些先进的精密测量技

18、术：（1） 扫描显微测量技术1981年美国IBM公司研制的扫描隧道显微镜（SIM），将人们带到了微观世界。SIM具有极高的空间分辨率(平行和垂直于表面的分辨率分别达到0. 1nm 和0. 01nm,即可分辨出单个原子), 广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域, 在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。（2） 纳米测量的扫描X射线干涉技术X射线干涉显微测量技术室近年来新发展的nm测量技术，是一种测量范围大, 较易实现的nm级测量方法。以SPM 为基础的观测技术只能给出nm级分辨力, 不能给出表面结构准确的nm 尺寸,是因为到目前为止缺少一种简便的0. 10 nm 0. 01nm尺寸测量的定标手段。扫描X 射线干涉测量技术是􀀁m /nm 测量中一项新技术, 它是利用单晶硅的晶面间距作为10 nm 误差的基本测量单位, 加上X 射线波长比可见光波波长小2个数量级, 有可能实现0. 01 nm的分辨力。该方法较其它方法对环境要求低, 测量稳定性好, 结构简单, 是一种很有潜力方便的nm测量技术。（3） 双频激光干涉仪因双频激光干涉仪测量准确度高, 测量范围大, 因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件。但激光测量准确度与空气的折射率有关,而空气折射率与湿度、温度、压力、二氧化碳含量等有关。