精密加工技术-第二章.ppt

1、精密加工技术,授课教师：赵岩 单位：机械制造及其自动化系 机械工程学院,联系方式：,2011-4,一、什么是精密切削加工？,第二章 精密切削加工,精密切削加工,精密/超精密车削,精密/超精密铣削,精密/超精密磨削,精密切削加工的分类,？如果要求把一个直径100mm的铝棒料的端面加工出镜面等级的表面质量，怎么办,微孔加工（异型孔）,起源,一、什么是精密切削加工？,第二章 精密切削加工,精密切削加工的成本（经济性）,在过去，精密加工总与高成本,小批量 相联系,昂贵的精密机床 专门配备超净室 对操作人员要求高 对工件材料要进行特殊处理 使用专门的工具,现在随着各种精密器件（精密导轨，静压轴承，激光干

2、涉仪）价格的降低，精密超精密加工已经开始走向批量生产，加工成本下降，生产率大幅提升。,加工一块直径100mm的抛物面反射镜，使用超精密车削比过去“研磨-抛光-手工修补”的方式效率提高四倍，成本降低90%以上,例如,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,精密/超精密切削加工与普通切削加工就其本质而言是一致的： 被加工材料在刀具的作用下，产生挤压摩擦、滑移变形、剪切断裂直至成为切屑。,精密与超精密切削的不同之处：,尺寸精度和表面质量要求不同,极微量去除（切削用量比常规切削要小的多）,精密/超精密机床 单晶金刚石刀具 严格控制加工环境 精密检测与误差补偿,切削变形与切削力,切削热与切

3、削液,刀具磨损与刀具寿命,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,切削变形：过渡切削过程、最小被吃刀量、微毛刺与碾压现象,最小背吃刀量现象*：零件最终工序的最小背吃刀量应加工精度 当背吃刀量过小时，被切金属之产生弹塑性变形， 不能形成切屑,1,2,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,切削变形：过渡切削过程、最小被吃刀量、微毛刺与碾压现象,精密切削中由于极小的切削用量带来的碾压效应*：,刃口圆弧处的碾压效应：过小的背吃刀量造成的负前角切削,刀尖圆弧处的碾压效应：过小的背吃刀量造成主副偏角减小，刀尖上各点的实际切厚在变化,3,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章

4、精密切削加工,切削力：来源、三分力、影响切削力大小的因素,来源：,*,三个分力*：,1,2,切削力,发热,刀具磨损，并在工件中产生热应力,工件的精度与质量,切削力的影响,切屑、已加工表面及切削层金属的变形抗力 刀具与切屑之间以及刀具与已加工表面之间的剧烈摩擦,主切削力Fc：垂直于基面，与切削速度方向一致，最大 背向力Fp：处于基面内，垂直于进给方向，不做功。引起切削振动的主要原因 进给力Ff：又称轴向力，与进给方向平行,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,切削力：来源、三分力、影响切削力大小的因素,影响切削力大小的主要因素：,3,切削速度,进给量,背吃刀量,刀具材料,硬质合金

5、车削与金刚石车削的不同*,精密切削时进给量的影响背吃刀量，常规切削则相反*,天然金刚石刀具摩擦系数小，可以刃磨的极锋利，所以相同情况下，切削力小*,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,切削热：来源、切削温度、切削热的影响与控制,切削热的来源：,1,三个切削变形区的弹塑性变形及刀具与切屑和已加工表面的摩擦。变形及摩擦所做的功均转变为热。,切削温度：,2,切削热通过改变切削温度来影响切削，切削温度是指切屑、工件和刀具接触面上的平均温度；,刀尖部位温度最高；,精密/超精密切削中单位切削面积小，平均应力大，所以要选用耐热，耐摩擦，高温硬度强度好的刀具材料；,二、精密切削加工的材料去除

6、机理,第二章 精密切削加工,切削热：来源、切削温度、切削热的影响与控制,切削热的影响与控制：,3,精密加工中热变形引起的加工误差占总误差的40%-70%,若要求确保0.1um的加工精度，则加工环境及工件的温度变化必须控制在0.05,例如,控温措施：采用超净室，使用空调系统控制温度； 对工件采用淋浴式浇注切削液；切削液箱中设置螺旋铜管，中间同循环冷却水，以冷却切削液。,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,切削热：来源、切削温度、切削热的影响与控制,精密切削中切削液的作用*：,4,抑制积屑瘤的产生 冷却作用，降低加工区温度 润滑作用，减小摩擦力 减小发热，减小刀具磨损，延长刀具寿

7、命,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,金刚石刀具的磨损、破损及刀具寿命,什么是金刚石？,C元素，硬，脆，耐磨，导热性好，热膨胀系数小，天然金刚石稀少！,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,金刚石刀具的磨损、破损及刀具寿命,金刚石刀具的磨损：,1,机械磨损：机械摩擦造成的磨损。切削初期，刀具、工件及切屑的表面高低不平，在相对运动中高点被磨平；另外切屑或已加工表面上的微小硬质点会在刀具前刀面上划出沟纹。,机械磨损，破损及碳化磨损,金刚石刀具的机械磨损量一般很小，前后刀面的磨损表面非常平滑，不会显著影响工件加工质量。因为金刚石刀具一般用于切削铜、铝等有色金属，切

8、削稳定，无冲击振动。,提示：,二、精密切削加工的材料去除机理,第二章 精密切削加工,金刚石刀具的磨损、破损及刀具寿命,2,金刚石刀具的破损：,裂纹,碎裂,解理,刀具本身的结构缺陷以及切削过程中的冲击振动都会使金刚石刀具产生微裂纹，裂纹的加剧会导致刀具失效。,金刚石自身较脆，在长期的冲击振动下会产生微细解理，最终导致刀具表层的微碎裂。,若垂直于111晶面的拉力超过特定值，会将相邻两111晶面分离，产生金刚石解理劈开。,磨刀时应选用强度最高的110晶面作为金刚石刀具的前后刀面,提示：,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,精密/超精密切削加工机床,精密切削机床的关键部件,精密机床的精度指

9、标,精密主轴,床身及精密导轨,精密进给驱动系统,国际上著名的精密机床,精密机床的发展,A,B,C,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,A 精密/超精密机床的发展,二战后，美国首先研发金刚石精密切削技术，是目前精密/超精密机床的领军人物 日本在精密机床领域也有不凡的成绩，多家公司具备精密设备的上产能力。日本的Funac公司是著名的精密机床生产厂家 国内在精密机床领域有一些产品，但是在超精密机床制造上可以说是空白。,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,B 精密/超精密机床的关键部件,B-1 精密机床的主要精度指标,普通车床,精密车床,主轴径向跳动0.01mm 导轨直线度0.

10、02mm/1000mm;,主轴径向跳动0.003-0.005mm 导轨直线度0.01mm/1000mm,指标高一个量级,通常来说，机床的精度应该比要加工零件的精度高一个量级才能加工出合格的产品！,提示：,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,B 精密/超精密机床的关键部件,B-2 精密主轴部件,早期的精密机床使用精密滚动轴承，现代的精密/超精密机床普遍采用液体静压轴承与空气静压轴承,精密机床对主轴的要求*：转动平稳，无振动，关键在于其选用的轴承,液体静压轴承：刚度好，承载能力强，但是高速下温升多，不适合太高的主轴转速,气体静压轴承：刚度低，承载能力相对小，但是高速下温升也小，可以承载

11、很高主轴转速,比较*,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,B 精密/超精密机床的关键部件,B-2 精密主轴部件,电主轴,瑞士TDM-1型电主轴,瑞士IBAG公司电主轴,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,B 精密/超精密机床的关键部件,B-3 床身与精密导轨,精密机床对床身的要求*：热膨胀系数小，抗震动能力强，耐磨，易加工,常用的精密床身材料*,铸铁（传统材料）：抗腐蚀能力一般，易生锈。,花岗岩：抗腐蚀，但具有吸湿性，可加工性不如铸铁。,人造花岗岩：吸湿性低，可铸造，抗振好。使用花岗岩碎块经树脂粘接而成。国外已有成功应用。,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工

12、,B 精密/超精密机床的关键部件,B-3 床身与精密导轨,精密机床对导轨的要求*：直线度要小,常用的精密导轨*,滚动导轨：使用最广泛，但精度稍差,液体静压导轨：刚度高，承载能力强，无爬行，直线运动精度高,气浮导轨与空气静压导轨：基本不发热，无爬行，直线度好。刚度小，承载能力小。,气浮导轨的刚度低于空气静压导轨*,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,B 精密/超精密机床的关键部件,B-4 精密机床中的进给驱动系统,数控系统：必须为闭环，脉冲当量小于0.01um,滚珠丝杠驱动：精度不会太高，存在回程间隙，螺距误差全程存在,液体静压与气体静压丝杠驱动：运动平稳，但气体静压方式刚度不足，液体静压方式制造困难。,摩擦驱动：新型的驱动方式，去掉了传统的丝杠等中间环节，电机直接与导轨连接。,电致伸缩式微量进给装置：通过控制电压来控制伸长量,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,C 国外著名超精密机床,DTM-3超精密车床,Nanosys 300 非球面复合加工,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,C 国外著名超精密机床,Nanotech 250upl 超精密车床,超精密车削非球面反射镜,三、精密切削加工机床设备,第二章 精密切削加工,C 国外著名超精密机床,Nanotech 450upl 超精密车床,