精密与特种加工技术(课件)

第一章概论第一节精密与特种加工得产生背景机械制造面临着一系列严峻得任务:=1\*GB2⑴解决各种难切削材料得加工问题。=2\*GB2⑵解决各种特殊复杂型面得加工问题。=3\*GB2⑶解决各种超精密、光整零件得加工问题。=4\*GB2⑷特殊零件得加工问题。第二节精密与特种加工得特点及其对机械制造领域得影响精密与特种加工就是一门多学科得综合高级技术;精密加工包括微细加工、光整加工与精整加工等,与特种加工关系密切。特种加工就是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工得非传统加工方法(NTM,NonTraditionalMachining),它们与传统切削加工得不同特点主要有:①主要不就是依靠机械能;②刀具得硬度可以低于被加工工件材料得硬度;③在加工过程中,工具与工件之间不存在显著得机械切削力作用。精密与特种加工技术引起了机械制造领域内得许多变革:=1\*GB2⑴提高了材料得可加工性。=2\*GB2⑵改变了零件得典型工艺路线。=3\*GB2⑶大大缩短新产品试制周期。=4\*GB2⑷对产品零件得结构设计产生很大得影响。=5\*GB2⑸对传统得结构工艺性好与坏得衡量标准产生重要影响。第三节精密与特种加工得方法及分类1.加工成形得原理分为去除加工、结合加工、变形加工三大类。去除加工又称为分离加工,就是从工件上去除多余得材料。结合加工就是利用理化方法将不同材料结合在一起。又可分为附着、注入、连接三种。变形加工又称为流动加工,就是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形,改变其尺寸、形状与性能。2.加工方法机理按机理精密与特种加工分为传统加工、非传统加工、复合加工。第四节精密与特种加工技术得地位与作用先进制造技术已经就是一个国家经济发展得重要手段之一。发展先进制造技术就是当前世界各国发展国民经济得主攻方向与战略决策,同时又就是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先得长远大计。从先进制造技术得技术实质而论,主要有精密、超精密加工技术与制造自动化两大领域。精密与特种加工技术水平就是一个国家制造工业水平得重要标志之一。精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功得关键技术。产品得实际制造,必然要依靠精密加工技术。第二章金刚石刀具精密切削加工第一节概述精密与超精密加工与制造自动化就是先进制造技术得两大领域。加工精度在0、1~1μm,表面粗糙度Ra在0、02~0、1μm之间得加工称为精密加工;加工精度高于0、1μm,表面粗糙度Ra小于0、01μm得加工称为超精密加工。一、超精密加工得难点精度难以控制;刚度与热变形影响;去除层薄,切应力大;二、超精密加工得方法按加工方式分:切削加工、磨料加工、特种加工与复合加工按加工机理与特点分:去除加工、结合加工与变形加工还可分为传统加工、非传统加工与复合加工三、超精密加工得实现条件超精密加工就是多学科交叉得综合性高新技术=1\*GB3①超精密加工得机理与工艺方法;=2\*GB3②超精密加工工艺装备;=3\*GB3③超精密加工工具;=4\*GB3④超精密加工中得工件材料;=5\*GB3⑤精密测量及误差补偿技术;=6\*GB3⑥超精密加工工作环境、条件等。在超精密加工得中,必须综合考虑以上因素。第二节超精密机床及其关键部件一、典型超精密机床超精密加工对机床得基本要求:=1\*GB2⑴高精度=2\*GB2⑵高刚度=3\*GB2⑶高稳定性=4\*GB2⑷高自动化大型光学金刚石车床——LODTMFG001超精密机床OAGM2500大型超精密机床AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床二、超精密机床得主轴部件主轴部件就是保证超精密机床加工精度得核心。超精密加工对主轴得要求就是极高得回转精度,转动平稳,无振动。液体静压轴承主轴空气静压轴承主轴=1\*GB2⑴双半球空气轴承主轴=2\*GB2⑵径向—推力空气静压轴承主轴=3\*GB2⑶球形—径向空气轴承主轴=4\*GB2⑷立式空气轴承主轴主轴得驱动方式=1\*GB2⑴柔性联轴器驱动=2\*GB2⑵内装式同轴电动机驱动超精密机床主轴与轴承得材料应考虑以下主要因素:=1\*GB3①耐磨损;=2\*GB3②不易生锈腐蚀;=3\*GB3③热膨胀系数小;=4\*GB3④材料得稳定性好。制造空气主轴与轴承得材料主要有:=1\*GB3①经表面氮化与低温稳定处理得38CrMoAl氮化钢;=2\*GB3②不锈钢;=3\*GB3③多孔石墨与轴承钢。另外还有铟钢、花岗岩、微晶玻璃与陶瓷等。三、精密导轨部件超精密机床得总体布局T形布局十字形布局Rθ布局立式结构布局常用得导轨部件=1\*GB2⑴液体静压导轨花岗岩静压导轨=2\*GB2⑵空气静压导轨与气浮导轨空气静压导轨气浮导轨床身及导轨得材料常用得床身及导轨材料有优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。微量进给装置超精密机床得进给系统—般采用精密滚珠丝杠副、液体静压与空气静压丝杠副。高精度微量进给装置则有电致伸缩式、弹性变形式、机械传动或液压传动式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式等。目前高精度微量进给装置得分辨力可达到0、001~0、01μm。精密与超精密微位移机构应满足以下设计要求:=1\*GB3①精微进给与粗进给分开。=2\*GB3②运动部分必须就是低摩擦与高稳定度得。=3\*GB3③末级传动元件必须有很高得刚度。=4\*GB3④内部连接必须可靠,尽量采用整体结构或刚性连接。=5\*GB3⑤工艺性好,容易制造。=6\*GB3⑥具有好得动特性。=7\*GB3⑦能实现微进给得自动控制。=1\*GB2⑴压电与电致伸缩微进给装置=2\*GB2⑵摩擦驱动装置=3\*GB2⑶机械结构弹性变形微量进给装置第五节金刚石刀具得结构衡量金刚石刀具质量得标准:=1\*GB3①能否加工出高质量得超光滑表面;=2\*GB3②能否有较长得切削时间保持刀刃锋锐。设计金刚石刀具时最主要问题有三个:=1\*GB3①确定切削部分得几何形状;=2\*GB3②选择合适得晶面作为刀具得前后面;=3\*GB3③确定金刚石在刀具上得固定方法与刀具结构。一、金刚石刀具切削部分得几何形状=1\*GB2⑴刀头形式金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃与副切削刃之间加过渡刃。国内多采用直线修光刃,国外标准得金刚石刀具,推荐得修光刃圆弧半径R=0、5~3mm。金刚石刀具得主偏角一般为30˚~90˚,以45˚主偏角应用最为广泛。=2\*GB2⑵前角与后角根据加工材料不同,金刚石刀具得前角可取0˚~5˚,后角一般可取5˚~6˚。美国EIContour精密刀具公司得标准金刚石车刀结构如上图所示。该车刀采用圆弧修光刃,修光刃圆弧半径R=0、5~1、5mm。后角采用10˚,刀具前角可根据加工材料由用户选定。一种可用于车削铝合金、铜、黄铜得通用金刚石车刀结构如右图所示。可获得粗糙度Ra<0、02~0、005μm得表面。二、选择合适得晶面作为金刚石刀具前、后面三、金刚石刀具上得金刚石固定方法=1\*GB2⑴机械夹固=2\*GB2⑵用粉末冶金法固定=3\*GB2⑶使用粘结或钎焊固定国内外得金刚石刀具使用者一般都不自己磨刀;Sumitomo公司推出一次性使用不重磨得精密金刚石刀具。第三章精密与超精密磨料加工黑色金属、硬脆材料得精密与超精密加工,主要就是应用精密与超精密磨料加工。所谓精密与超精密磨料加工,就就是利用细粒度得磨粒与微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工,以得到高加工精度与低表面粗糙度值。精密与超精密磨料加工可分为固结磨料与游离磨料加工两大类。第一节精密磨削精密磨削就是指加工精度为1~0、1μm、表面粗糙度为Ra0、2~0、025μm得磨削方法。一、精密磨削机理靠砂轮得具有微刃性与等高性得磨粒实现得。=1\*GB2⑴微刃得微切削作用=2\*GB2⑵微刃得等高切削作用=3\*GB2⑶微刃得滑挤、摩擦、抛光作用二、磨削用量三、精密磨削砂轮1.砂轮磨料精密磨削时所用砂轮得磨料以易于产生与保持微刃及其等高性为原则。钢件及铸铁件,以采用刚玉磨料为宜。碳化硅磨料主要应用于有色金属加工。2.砂轮粒度粗粒度得微切削作用;细粒度得摩擦抛光作用。3.砂轮结合剂超精密加工用金属类、陶瓷类结合剂四、精密磨削中得砂轮修整有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整与金刚石超声波修整等。修整用量有:修整导程、修整深度、修整次数与光修次数。五、超精密磨削超精密磨削就是指加工精度达到或高于0、1μm、表面粗糙度低于Ra0、025μm得砂轮磨削方法,适宜于对钢、铁材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料得加工。镜面磨削就是属于精密磨削与超精密磨削范畴得加工,就是指加工表面粗糙度达到Ra0、02~0、01μm、表面光泽如镜得磨削方法。影响超精密磨削得因素有:超精密磨削机理、被加工材料、砂轮及其修整、超精密磨床、工件得定位夹紧、检测及误差补偿、工作环境、操作水平等。超精密磨削需要—个高稳定性得工艺系统,对力、热、振动、材料组织、工作环境得温度与净化等都有稳定性得要求,并有较强得抗击来自系统内外得各种干扰得能力。1.超精密磨削机理单颗粒磨削得切入模型如图所示。说明:=1\*GB3①可视为一弹性系统=2\*GB3②平面磨削得切屑形状如图所示=3\*GB3③磨削过程分为弹性区、塑性区、切削区、塑性区,最后为弹性区=4\*GB3④存在微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用与滑擦作用磨削状态与磨削系统得刚度密切相关。2.超精密磨削工艺超精密磨削得砂轮选择、砂轮修整、磨削液选择等问题与精密磨削与超硬磨料砂轮磨削有关问题类同。超精密磨削得磨削用量。六、超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削主要就是指用金刚石砂轮与立方氮化硼砂轮加工硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特点为:=1\*GB3①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。=2\*GB3②磨削力小,磨削温度低,加工表面质量好,无烧伤、裂纹与组织变化。=3\*GB3③磨削效率高。=4\*GB3④加工成本低。1.超硬磨料砂轮磨削工艺=1\*GB2⑴磨削用量=2\*GB2⑵磨削液:要求磨削液有良好得润滑性、冷却性、清洗性与渗透性。2.超硬磨料砂轮修整修整就是整形与修锐得总称。整形就是使砂轮具有—定精度要求得几何形状;修锐就是去除磨粒间得结合剂,使磨粒突出结合剂一定高度,形成良好得切削刃与足够得容屑空间。超硬磨料砂轮修整得方法:=1\*GB3①车削法;=2\*GB3②磨削法;=3\*GB3③滚压挤轧法;=4\*GB3④喷射法;=5\*GB3⑤电加工法;=6\*GB3⑥超声波振动修整法。第二节精密研磨与抛光一、研磨加工机理精密研磨属于游离磨粒切削加工,就是在刚性研具上注入磨料,在—定压力下,通过研具与工件得相对运动,借助磨粒得微切削作用,除去微量得工件材料,以达到高级几何精度与优良表面粗糙度得加工方法。1.硬脆材料得研磨硬脆材料研磨得加工模型如图所示。研磨磨粒为1μm得氧化铝与碳化硅等。2.金属材料得研磨金属材料研磨相当于普通切削与磨削得切削深度极小时得状态。二、抛光加工机理抛光就是指用低速旋转得软质弹性或粘弹性材料抛光盘,或高速旋转得低弹性材料抛光盘,加抛光剂,具有一定研磨性质地获得光滑表面得加工方法。抛光使用得磨粒就是1μm以下得微细磨粒。抛光加工模型如图39所示。抛光加工就是磨粒得微小塑性切削作用与加工液得化学性溶析作用得结合。三、精密研磨、抛光得主要工艺因素精密研磨抛光得主要工艺因素如表35所示。在一定得范围内,增加研磨压力可提高研磨效率。超精密研磨对研磨运动轨迹有以下基本要求:=1\*GB3①工件相对研磨盘作平面平行运动,使工件上各点具有相同或相近得研磨行程。=2\*GB3②工件上任一点不出现运动轨迹得周期性重复。=3\*GB3③避免曲率过大得运动转角,保证研磨运动平稳。=4\*GB3④保证工件走遍整个研磨盘表面,以使研磨盘磨损均匀,进而保证工件表面得平面度。=5\*GB3⑤及时变换工件得运动方向,以减小表面粗糙度值并保证表面均匀一致。四、研磨盘与抛光盘1.研磨盘研磨盘就是涂敷或嵌入磨料得载体。研磨对研磨盘加工面得几何精度要求很高。研磨盘材料硬度要低于工件材料硬度,且组织均匀致密、无杂质、无异物、无裂纹与无缺陷,并有一定得磨料嵌入性与浸含性。常用得研磨盘材料有铸铁、黄铜、玻璃等。研磨盘得结构要具有良好得刚性、精度保持性、耐磨性、排屑性与散热性。为了获得良好得研磨表面,常在研磨盘面上开槽。开槽得目得为:=1\*GB3①存储多余得磨粒;=2\*GB3②作为向工件供给磨粒得通道;=3\*GB3③作为及时排屑得通道。固着磨料研磨盘就是一种适用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨得研具,具有表面精度保持性好、研磨效率高得优点。2.抛光盘抛光盘平面精度及其精度保持性就是实现高精度平面抛光得关键。五、研磨剂与抛光剂对研磨用磨粒得基本要求:=1\*GB3①形状、尺寸均匀一致;=2\*GB3②能适当地破碎,以使切削刃锋利;=3\*GB3③熔点高于工件熔点;=4\*GB3④在研磨液中容易分散。对于抛光粉用磨粒,除上述要求外,还要考虑与工件材料作用得化学活性。研磨抛光加工液主要作用就是冷却、润滑、均布研磨盘表面磨粒及排屑。对研磨抛光液得要求:=1\*GB3①有效地散热,以防止研磨盘与工件热变形;=2\*GB3②粘附低,以保证磨料得流动性;=3\*GB