先进制造工艺技术

1、先进制造工艺技术先进制造工艺技术机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 机械制造工艺机械制造工艺是将各种原材料通过改变是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程成为成品或半成品的方法和过程 机械制造工艺流程机械制造工艺流程是由原材料和能源的是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、机械加工、材提供、毛坯和零件成形、机械加工、材料改性与处理、装配与包装、质量检测料改性与处理、装配与包装、质量检测与控制等多个工艺环节组成与控制等多个工艺环节组成机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 按其功能的不同，可将机械制造工

2、艺分按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：为如下三个阶段： 零件毛坯的成形准备阶段零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等焊接、铸造、锻压加工成形等 机械切削加工阶段机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等刨削、镗削、磨削加工等 表面改性处理阶段表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等学镀、热喷涂、涂装等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 制造加工精度不断提高制造加工精度不断提高 1818世纪，加工第一台蒸汽机所用的汽缸镗床，世纪，加工第一

3、台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为其加工精度为1 mm1 mm 1919世纪末，机械制造精度也仅为世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm0.05mm 到了到了2020世纪世纪5050年代末，实现了年代末，实现了mm 级的加工级的加工精度精度 在最近的一二十年时间内，机械制造加工精在最近的一二十年时间内，机械制造加工精度提高了度提高了1 12 2个数量级，达到个数量级，达到lOnmlOnm的精度水的精度水平平先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 切削加工速度迅速提高切削加工速度迅速提高 在在2020世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于

4、其耐热温度低于由于其耐热温度低于200200，所允许的切削速度不，所允许的切削速度不超过超过lOmlOmminmin 2020世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500500600600，可允许的切削速度为，可允许的切削速度为303040m40mminmin 到了到了2020世纪世纪3030年代，硬质合金开始得到使用，刀具年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到的耐热温度达到80080010001000，切削速度很快提高，切削速度很快提高到每分钟数百米到每分钟数百米 随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化

5、硼刀具，其耐热温度均在化硼刀具，其耐热温度均在10001000以上，切削速度以上，切削速度可达每分钟一千至数千米可达每分钟一千至数千米 先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 新型工程材料的应用推动了制造工艺的新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革进步和变革 超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战了新的挑战 近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，近几十年来发展了一系列特种加工工艺

6、方法，如：电火花加工、电解加工、超声波加工、如：电火花加工、电解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和激光加工等电子束加工、离子束加工和激光加工等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 自动化和数字化工艺装备的发展提高了自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率机械加工的效率 由于微电子、计算机、自动检测和控制技术由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺

7、过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量优化，大大提高了加工制造的效率和质量先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 零件毛坯成形在向少无余量发展零件毛坯成形在向少无余量发展 零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺 随着人们对人类生存资源的节省和保护意识随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成形精度向少

8、、无余的提高，要求零件毛坯成形精度向少、无余量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配 出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 优质清洁表面工程技术的形成和发展优质清洁表面工程技术的形成和发展 表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面加工及表面的复合处理，

9、来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技取与基体材料不同性能要求的一项应用技术术 近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等化学热处理、激光表面处理、离子注入等一系列先进表面处理技术一系列先进表面处理技术先进制造工艺的特点先进制造工艺的特点 优质优质以先进制造工以先进制造工艺加工制造出的产品艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、寸精确、表面光洁、组

10、织致密、无缺陷杂组织致密、无缺陷杂质、使用性能好、使质、使用性能好、使用寿命和可靠性高用寿命和可靠性高高效高效与传统制造工与传统制造工艺相比，先进制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了生产率，大大降低了操作者的劳动强度和操作者的劳动强度和生产成本生产成本 低耗低耗先进制造工艺先进制造工艺可大大节省原材料消可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的提高了对日益枯竭的自然资源的利用率自然资源的利用率 洁净洁净应用先进制造应用先进制造工艺可做到零排放或工艺可做到零排放或少排放，生产过程不少排放，生产过程不污染环境，符合日益污染

11、环境，符合日益增长的环境保护要求增长的环境保护要求超高速加工技术超高速加工技术 超高速加工技术的研究背景超高速加工技术的研究背景19311931年年4 4月德国切削物理学家萨洛蒙月德国切削物理学家萨洛蒙( (Carl Carl SalomonSalomon) )曾根据一些实验曲线，即人们曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的常提及的著名的“萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线” ，提出，提出了超高速切削的理论了超高速切削的理论Salomon提出的切削速度与切削温度曲线提出的切削速度与切削温度曲线 超高速切削概念示意图超高速切削概念示意图 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高

12、速加工技术是指采用超硬材料刀具是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度以提高切削速度来达到提高材料切除率、来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术加工精度和加工质量的先进加工技术不同加工工艺的切削不同加工工艺的切削速度范围速度范围 各种材料的切削速度范围各种材料的切削速度范围 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高速加工技术经济效益指标是：在经济效益指标是：在保证加

13、工精度和加工质量的前提下，保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少将通常切削速度加工的加工时间减少9090，同时将加工费用减少，同时将加工费用减少5050，以，以此衡量高切削速度的合理性此衡量高切削速度的合理性超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术主要包括超高速加工技术主要包括超高速切削与磨削机理研究超高速切削与磨削机理研究超高速主轴单元制造技术超高速主轴单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工在线自动检测与控制技术等超高速加工在线自动检测与控制技术等 超高

14、速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征切削力低切削力低 热变形小热变形小 材料切除率高材料切除率高 高精度高精度 减少工序减少工序 超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展超高速加工技术的发展 自从德国自从德国SalomonSalomon博士提出高速切削概念以来，高速博士提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段 特别是特别是2020世纪世纪8080年代以

15、来，各工业国家相继投人大年代以来，各工业国家相继投人大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安全装置以及高性能全装置以及高性能CNCCNC控制系统和测试技术等方面均控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件用提供了基本条件超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展

16、与应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用 高速切削加工目前主要用于高速切削加工目前主要用于汽车工业汽车工业大批生产、大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域不同的领域 航空工业航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机制造是高速加工的主要应用行业，飞机制造通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量艺，从而降低飞机重量 模具制造模具制造是高速加工技术的主要收益者。当采用是高速加工技术的主

17、要收益者。当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等工序省去后续的电加工和手工研磨等工序超高速切削加工的特点超高速切削加工的特点通常把切削速度比常规高通常把切削速度比常规高5 51010倍以上的倍以上的切削叫做切削叫做超高速切削超高速切削 超高速切削加工的优越性有以下几点：超高速切削加工的优越性有以下几点： 加工效率高。加工效率高。高速切削加工比常规切削加工的切削高速切削加工比常规切削加工的切削速度高速度高5 51010倍倍 切削力小。

18、切削力小。高速切削加工切削力至少可降低高速切削加工切削力至少可降低3030 热变形小热变形小加工精度高、加工质量好加工精度高、加工质量好加工过程稳定加工过程稳定减少后续加工工序减少后续加工工序良好的技术经济效益良好的技术经济效益超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削机床超高速切削机床 超高速切削机床是实现高速、超高速切削超高速切削机床是实现高速、超高速切削的必不可少的设备。超高速机床有以下五的必不可少的设备。超高速机床有以下五项基本要求：项基本要求：超高速的主轴部件超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速响应的数控系统快速的进给部件快速的进给部件动、静、热刚度好的机床支承部件动、静、

19、热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系统和安全装置高压大流量喷射的冷却系统和安全装置超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机主轴电机与与机床主轴机床主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称电主轴简称电主轴超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴

20、、轴承和机架四超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性良好的系统良好的系统超高速电主轴结构超高速电主轴结构 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件 这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：有很大机主轴有很大的区别，主要表现在：有很大的驱动功率和扭矩的驱动功率和扭矩 ；有较宽的调速范围；有较宽的调速范围 ；有；有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数

21、的传感器、测试控制和报警系统，以行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性确保主轴超高速运转的可靠性与安全性 超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的数控系统超高速机床的数控系统 超高速切削对数控系统的要求不断提高，最超高速切削对数控系统的要求不断提高，最基本的要求是保证高精度、高速度基本的要求是保证高精度、高速度 为了适应高速，要求为了适应高速，要求单个程序段处理时间短单个程序段处理时间短 为了在高速下保证加

22、工精度，要有前馈和大为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能量的超前程序段处理功能 要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点无尖转点 程序算法应保证高精度；碰到干扰能迅速调程序算法应保证高精度；碰到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统 超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并

23、且要求进给运动能在瞬时达到进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等高速和瞬时准停等 超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求进给系统具有大的加高的进给速度，还要求进给系统具有大的加速度以及高的定位精度速度以及高的定位精度 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、减速特性减速特性直线电机直接驱动的优点是

24、：直线电机直接驱动的优点是：控制特性好、增益大、控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；高运动高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100100180 180 m/minm/min；高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达的最大加速度高达2 210g10g；无限运动长度；无限运动长度；定位精定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达环反馈控制系统，工

25、作台的定位精度高达0.10.10.010.01；起动推力大起动推力大( (可达可达12000N12000N) )；由于无传动环节，因而由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的支承部件超高速机床的支承部件 超高速加工机床的支承制造技术是指超高速超高速加工机床的支承制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术工作台、底座、托板、刀架等的制造技术 由于超高速加工机床同时需要高主轴转速、由于超高速加工机床同时需要高主轴转速

26、、高进给速度、高加速度，又要求用于高精度高进给速度、高加速度，又要求用于高精度的零部件加工，因而集的零部件加工，因而集“三高三高”( (高速度、高速度、高精度、高刚度高精度、高刚度) )于一身就成为超高速加工于一身就成为超高速加工机床的最主要特征机床的最主要特征超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的冷却系统超高速机床的冷却系统 超高速加工时，必然产生大量的高温热超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行以及妨碍切削加工的继续

27、进行超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具系统超高速切削的刀具系统 超高速切削加工刀具系统超高速切削加工刀具系统由刀具材料、刀具几何角度由刀具材料、刀具几何角度与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成 刀具系统具有如下特点刀具系统具有如下特点 刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可靠靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约超高速切削加工的切削力随着切削速度的

28、提高而降低约3030切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 刀具磨损主要由切削温度、刀具刀具磨损主要由切削温度、刀具切屑之间和刀具工件之切屑之间和刀具工件之间的相对速度决定的间的相对速度决定的 超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料 超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性冲击性和耐磨性涂层刀具材料涂层刀具材料。涂层刀具通过

29、在刀具基体上涂覆金属化合物。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能金属陶瓷刀具材料金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性度及良好的耐磨性陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类大类PCDPCD刀具材料刀具材料。 PCDPCD是在高温高压条件下通过金属结合剂是在高温高压条件下通过金属结合剂( (如如CoCo等等) )将金刚石微粉聚合而成的多晶材料将金刚石微粉聚合而成的多

30、晶材料CBNCBN刀具材料。刀具材料。CBNCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件 超高速磨削的机理超高速磨削的机理超高速切削机床超高速切削机床 磨削加工按砂轮线速度磨削加工按砂轮线速度VsVs的高低可分为普通的高低可分为普通磨削磨削( (VsVs303040 m/s40 m/s) ) 和高速磨削和高速磨削( (Vs45 Vs45 m/sm/s) ) 两类两类 为了与为了与20 20 世纪世纪80 80 年代以前速度不超过年代以前速度不超过8080120 m/s 120 m/s 的一

31、般高速磨削相区别的一般高速磨削相区别, , 通常将速通常将速度为普通磨削速度度为普通磨削速度5 5 倍以上倍以上( (即即Vs150 m/sVs150 m/s) ) 的高速磨削称为的高速磨削称为超高速磨削超高速磨削（Super-High Super-High Speed Grinding Speed Grinding 或或Ultra-High Speed GrindingUltra-High Speed Grinding）超高速磨削的特点超高速磨削的特点 大幅度提高磨削效率大幅度提高磨削效率 磨削力小磨削力小 降低加工工件表面粗糙度降低加工工件表面粗糙度 砂轮寿命延长砂轮寿命延长 改善加工表面

32、完整性改善加工表面完整性 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速主轴超高速主轴 高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程度度机电动平衡系统机电动平衡系统 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮 超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点等优点 高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，

33、并根据应用场合进行优化离心力的作用，并根据应用场合进行优化高速砂轮的结构和形状优化高速砂轮的结构和形状优化 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮 超高速砂轮的修整超高速砂轮的修整 在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正确在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正确的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力必要的容屑空

34、间，使砂轮达到较佳的磨削能力 常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削的磨削液及其注入系统超高速磨削的磨削液及其注入系统 磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好 常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇注

35、法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使用用 超精密加工技术超精密加工技术超精密加工技术的技术范围超精密加工技术的技术范围超精密加工机理超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加工方法的普遍规律，但

36、也有不少其自身的特殊性，如工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等数对表面质量的影响等超精密加工的刀具、磨具及其制备技术超精密加工的刀具、磨具及其制备技术包括金刚石包括金刚石刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键技术技术超精密加工机床设备超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳

37、定性和高自动化的要度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构求，具有微量进给机构超精密加工技术的技术范围超精密加工技术的技术范围精密测量及补偿技术精密测量及补偿技术超精密加工必须有相应级别的测超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方量技术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪来测量。表面粗糙电容测微仪、自准

38、直仪、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进行接触测量。度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量。表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用X X光光衍射法、激光干涉法、超声波法来测量衍射法、激光干涉法、超声波法来测量严格的工作环境严格的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工必须具备各种物

39、理效应恒定的工作环境，工作精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等；有时尚有求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等；有时尚有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求超精密加工的应用与发展超精密加工的应用与发展在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在5050年代末，由于航天等尖端技术

40、发展的需要，美年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件球面非球面大型零件日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国超精密加工的应

41、用与发展超精密加工的应用与发展我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进年代末期有了长足进步，步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等器等 超精密加工技术超精密加工技术发展趋势发展趋势是：向更高精度、更高是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向效率方

42、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、方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料新方法、新材料 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削超精密切削主要是指超精密金刚石刀具切削，例主要是指超精密金刚石刀具切削，例如加工各种镜面等。超精密切削是一项内容广泛如加工各种镜面等。超精密切削是一项内容广泛的新技术，它的加工精度和表面质量是由所使用的新技术，它的加工精度和表面质量是由所使用的机床设备、金刚石刀具、加工工艺、测量和误的机床设备、金刚石刀具、加工工艺、测量

43、和误差补偿技术、操作者的水平以及环境条件来决定差补偿技术、操作者的水平以及环境条件来决定的。金刚石刀具是其中非常重要的一项，它是精的。金刚石刀具是其中非常重要的一项，它是精密超精密切削的关键密超精密切削的关键金刚石刀具超精密加工技术，主要应用于两个方金刚石刀具超精密加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密加工技术产的中小型零件的超精密加工技术 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求极高的硬度、耐用度和弹性模量极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀，以保证刀具有很长的寿

44、命和很高的尺寸耐用度具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度刃口能磨得极其锋锐，刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小刃口半径值极小，能，能实现超薄的切削厚度实现超薄的切削厚度刀刃无缺陷刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面面上，而不能得到超光滑的镜面与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性，能得到极好的加工表面完整性超精密切削加工超精密切削加工 金刚石刀具的性能特征金刚石刀具的性能特征具有极高的硬度具有极高的硬度能磨出及其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、能磨出及其锋锐

45、的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象崩刃等现象 热化学性能优越，具有导热性能好，与有色热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征 耐磨性好，刀刃强度高耐磨性好，刀刃强度高 超精密切削加工超精密切削加工 刀刃半径对加工质量的影响刀刃半径对加工质量的影响刀刃刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际刀刃刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影响，经实验和生产证明，它主要表现在以下响，经实验和生产证明，它主要表现在以下几个方面：几个方面：刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，加工表

46、面粗糙度值越小加工表面粗糙度值越小刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小切削变形和切削力越小刀刃锋锐度越好，切削表面层的刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织冷硬现象和组织位错现象越小位错现象越小刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小加工表面残留应力越小超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削超精密磨削，是指加工精度达到或高，是指加工精度达到或高于于 、表面粗糙度低于、表面粗糙度低于 的一种亚的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展微米级加工方法，并正向纳米级发展超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削

47、机轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床床 磨削加工磨削加工可分为砂轮磨削、砂带磨削，可分为砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等加工方法以及研磨、珩磨和抛光等加工方法0.1 m0.025aRm超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 在超精密磨削中所使用的砂轮，其材在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂超硬磨料砂轮轮 超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 超精密磨削砂轮的修整超精密磨削砂轮的修整在线电解修整法在线电解修整法（Electrol

48、ytic in-Process Electrolytic in-Process DressingDressing， ELIDELID）。）。 砂轮通过电刷接电源正极砂轮通过电刷接电源正极, , 根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极接电源的负极接电源的负极, , 电极与砂轮表面之间有一定的间电极与砂轮表面之间有一定的间隙隙, , 从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入该间隙后该间隙后, , 在电流的作用下在电流的作用下, , 砂轮的金属基体作为砂轮的金属基体作为阳极被电解阳极被电解, , 使砂轮中的磨粒露出表面使砂

49、轮中的磨粒露出表面, , 形成一定形成一定的出刃高度和容屑空间的出刃高度和容屑空间, , 随着电解过程的进行随着电解过程的进行, , 在在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜砂轮表面逐渐形成一层钝化膜, , 阻止电解过程的阻止电解过程的继续进行继续进行, , 使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨损后磨粒磨损后, , 钝化膜被工件材料刮擦去除继续进钝化膜被工件材料刮擦去除继续进行行, , 以对砂轮表面进一步修整以对砂轮表面进一步修整超精密磨削加工超精密磨削加工 电火花修整法电火花修整法（Electric Spark DressingElectric Spark Dress

50、ing）。将）。将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器和修整器( (石墨电极石墨电极) )，其原理是电火花放电加，其原理是电火花放电加工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状超精密磨削加工超精密磨削加工 激光修锐技术激光修锐技术（Laser Assisted DressingLase

51、r Assisted Dressing）利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获得精确的几何形状，达到整形的目的得精确的几何形状，达到整形的目的超精密磨削加工超精密磨削加工 磨削速度和磨削液磨削速度和磨削液金

52、刚石金刚石砂轮磨削速度砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为121230m30ms s。磨削速度太低，单颗磨粒的切屑厚度过大，不但使。磨削速度太低，单颗磨粒的切屑厚度过大，不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石砂轮磨损增加；工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石砂轮磨损增加；磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温度将随之升高，而金刚石的热稳定性只有度将随之升高，而金刚石的热稳定性只有700700800800，因此金刚石砂轮的磨

53、损也会增加。所以，应根据具体情因此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以，应根据具体情况选择合适磨削速度况选择合适磨削速度 磨削液磨削液被分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成被分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成分是矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统油（机分是矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统油（机油）、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其油）、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等液等超精密研磨、抛光加工超精密研磨、抛光加工 研磨研磨时，研具在一定的压力下与加工面作时，研具在

54、一定的压力下与加工面作复杂的相对运动。研具和工件之间的磨粒复杂的相对运动。研具和工件之间的磨粒和研磨剂在相对运动中，分别起机械切削和研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用和物理、化学作用，使磨粒能从工作作用和物理、化学作用，使磨粒能从工作表面上切去极微薄的一层材料。从而得到表面上切去极微薄的一层材料。从而得到极高尺寸精度和精确的表面极高尺寸精度和精确的表面抛光抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工光器上对工件进行抛光加工 超精密特种加工超精密特种加工 激光束加工激光束加工激光加工激光加工是一种利用材料在激光聚焦照射是一种利用材料在激光聚焦照

55、射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的加工技术现材料去除的加工技术固体激光器的结构示意图固体激光器的结构示意图 超精密特种加工超精密特种加工 电子束加工电子束加工电子束加工电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后形成的能量密度产生的电子经加速、聚焦后形成的能量密度极高的电子束流，以极高的速度轰击到工件极高的电子束流，以极高的速度轰击到工件被加工部位极小面积上，在极短时间（几分被加工部位极小面积上，在极短时间（几分之一微秒）内，

56、其能量大部分转换为热能，之一微秒）内，其能量大部分转换为热能，导致该部位的材料达到摄氏几千度以上的高导致该部位的材料达到摄氏几千度以上的高温，从而引起材料的局部熔化或气化，被真温，从而引起材料的局部熔化或气化，被真空系统抽走；或者利用能量密度较低的电子空系统抽走；或者利用能量密度较低的电子束轰击高分子材料，使它的分子链切断或重束轰击高分子材料，使它的分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，进行加工子量产生变化，进行加工超精密特种加工超精密特种加工 离子束加工离子束加工在真空条件下，将离子源产生的离子束经在真空条件下，将离子源产生的

57、离子束经过加速聚焦，使之打击到工件表面，从而过加速聚焦，使之打击到工件表面，从而对工件进行加工。对工件进行加工。 离子束加工按照其所利用的物理效应和达离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即利用离到的目的不同，可以分为四类，即利用离子撞击效应和溅射效应的子撞击效应和溅射效应的离子刻蚀离子刻蚀、离子离子溅射沉积溅射沉积、离子镀离子镀以及利用注入效应的以及利用注入效应的离离子注入子注入。前两种属于成形加工，后两种属。前两种属于成形加工，后两种属于特殊表面层制备于特殊表面层制备 超精密加工机床设备超精密加工机床设备 超精密加工机床应具有：高精度、高刚超精密加工机床应具有：高

58、精度、高刚度、高稳定性、高自动化的特征度、高稳定性、高自动化的特征 精密主轴部件精密主轴部件超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气静压轴承静压轴承典型液体静压轴承主轴结构原理图典型液体静压轴承主轴结构原理图 超精密加工机床设备超精密加工机床设备 床身和精密导轨床身和精密导轨床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，精度，不能有

59、爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的使用使用超精密加工机床设备超精密加工机床设备 微量进给装置微量进给装置 高精度微量进给装置是超精密机床的一个关高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键装置，它对实现超薄切削、高精度尺寸加键装置，它对实现超薄切削、高精度尺寸加工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用。工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用。目前，高精度微量进给装置分辨率已可达到目

60、前，高精度微量进给装置分辨率已可达到0.0010.0010.010.01微量进给装置有机械或液压传动式、弹性变微量进给装置有机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、压电陶瓷式等多种结构形式式、压电陶瓷式等多种结构形式m微细加工技术微细加工技术 微机械概述微机械概述 微机械概念微机械概念微机械微机械在美国常称之为微型机电系统在美国常称之为微型机电系统( (Micro Micro Electro-Machanical SystemsElectro-Machanical Systems，MEMSMEMS) )，在日，在日本称为微机械本称