精密和超精密加工基础试题

《精密超精密加工技术》期末试题
1～6题为必答题（每题10分）。

1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领
域？
答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。

超精密加工领域包括：
（1）超精密切削加工。

如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。

它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。

（2）超精密磨削和研磨抛光加工。

如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。

（3）精密特种加工。

如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。

2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人
造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？
答：超精密切削对刀具性能的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。

2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。

3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷能得到超光滑的镜面。

4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。

天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。

虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。

人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。

人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。

立方氮化硼（CBN）刀具现在用于加工黑色金属，但还达不到超精密镜面切削。

3.超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用超
硬磨料砂轮？
答：超精密磨削加工主要针对各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢，以及铜铝等有色金属及其合金等。

超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而使磨粒上所承受的剪切应力急速地增加，可能接近磨粒的剪切强度极限。

另外磨粒切削刃处受到高温和高压作用要求磨粒有很高的强度和高温硬度。

普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削质量。

综上，在超精密磨削时，一般采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮来克服上述不良条件。

4.固结磨料加工和游离磨料加工各有什么特点？
答：固结磨料加工的特点：
（1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料。

（2）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。

（3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。

（4）磨削效率高，有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比。

（5）加工成本低，加工效率高，工时少，综合成本低。

游离磨料加工的特点：
（1）磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效率低。

（2）磨料与从工件上磨下的碎屑混在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高加工效率要经常将磨料与这些碎屑一起洗掉，这既浪费了能源、又浪费了磨料。

（3）磨料在磨盘上是随机分布的，分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。

（4）在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨粒，加重了磨料和能源的浪费。

（5）在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为了提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀性要求较高。

（6）在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。

（7）在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘则要求三个磨盘相对研，既费事麻烦，又对人的操作技术水平要求高。

（8）为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗。

（9）污染环境。

（10）工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。

（11）较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面肉内，影响工件的使用性能。

5.简述影响超精密加工的因素。

答：影响超精密加工的因素主要有:
（1）加工机理。

（2）被加工材料的性能。

（3）机床设备及其基础元部件。

（4）刀具、磨具等加工工具。

（5）检测与误差补偿系统。

（6）温度、湿度等工作环境。

（7）加工工艺过程设计。

（8）夹具设计。

（9）工人的技术等级等。

6.何谓慢刀伺服车削和快刀伺服车削？
慢刀伺服（Slow Tool Servo）车削是对车床主轴与Z轴均进行控制，使机床主轴变成位置可控的C轴，机床的X、Z、C三轴在空间构成了柱坐标系，同时，高性能和高编程分辨率的数控系统将复杂面形零件的三维笛卡尔坐标转化为极坐标，并对所有运动轴发送插补进给指令，精确协调主轴和刀具的相对运动，实现对复杂面形零件的车削加工。

快刀伺服（Fast Tool Servo）车削加工技术是通过设计高频响、高精度的刀具驱动装置，在主轴角度反馈的基础上，控制刀具实时跟踪工件面形的变化，以实现复杂面形零件的精密高效加工技术。

7～16题为选答题（40分），每人选答自己学号末位数字与下列题号末位数字一致的题，并列出相关参考文献5篇以上。

15.超精密加工对机床主轴有哪些要求？针对超精密机床主轴的回转精度
指标，提出主轴回转误差检测方案。

超精密加工对机床主轴的要求：
超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。

因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。

因此要保证超精密加工的精度，必须使机床主轴满足以下要求：
（1）高的精度保持性。

主轴组件要求要有能长时间保持制造精度的能力。

主轴组件主要因主轴轴颈表面和主轴轴承的磨损、刀具的定位表面和装夹工件的磨损，润滑和防护的使用条件恶化等因素，会失去初始加工精度。

所以只有提高主轴组件的耐磨性才能长时间保持其精度。

主轴和轴承的材料、轴承类型、热处理方式、润滑方式等对主轴组件的耐磨性有较大影响。

（2）高的旋转精度。

主轴的旋转精度是指装配后，在无荷载、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。

主轴部件的旋转精度取决于主轴部件的主要零件，如主轴、轴承等的制造精度和装配质量等。

机床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。

机床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。

机床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。

（3）高的刚度。

主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义。

主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。

高速电主轴单元结构的静态特性是主轴受抵抗静态外载荷变形能力的反映，其内容主要就是主轴单元的静刚度和临界转速的计算。

（4）良好的抗振性。

主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。

在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。

由于材料的硬度不均匀或加工余量的变化会产生冲击力和交变力，在其作用下主轴组件如过存在不平衡量、轴承存在缺陷或切削过程中有颤振都会引起振动。

主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命，并产生噪声，同时机床导轨和轴承承受的动态载荷增加，降低了其精度保持性和寿命。

随着机床技术的发展，高速高精度加工机床对抗振性要求越来越高。

主轴组件的质量分布、静刚度和阻尼是影响抗振性的主要因素。

衡量主轴组件抗振性的主要评价指标是其低阶固有频率和振型。

低阶固有频率要比激振频率高，主轴组件才不容易发生共振。

目前，抗振性能指标还没有统一标准，但一些实验数据可以作为设计时的参考。

（5）低的温升和变形。

主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等式主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。

主轴热变形了能引起轴承间隙变化，润滑油温度升高后会使粘度降低，这些变化都会影响主轴部件的工作性能。

针对超精密机床主轴的回转精度指标，提出主轴回转误差检测方案。

机床主轴是机床上的一个主要部件。

由于机床主轴用于安装刀具或工件，因此它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准。

机床主轴回转精度是机床的主要精度指标之一，直接影响着被加工零件的加工精度及表面粗糙度。

机床主轴的回转误差是一项综合性的误差，是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移。

机床主轴回转误差主要包括主轴径向跳动和轴向跳动误差两个方面。

在对工件进行切削加工时，主轴径向跳动误差使被加工零件的径向尺寸精度和形状精度（圆跳动和圆柱度）明显下降；主轴轴向跳动误差使被加工零件的端面跳动量增大，轴向尺寸精度难以控制。

因此，主轴回转误差会降低零件的加工精度。

另外，由于主轴径向跳动和轴向跳动量大，使工件或刀具产生较大的动载荷，工艺系统不稳定，在零件切削加工时引起振动，使零件的加工精度下降，也造成零件表面粗糙度明显增大。

机床主轴的回转精度不但对于精加工零件的形状精度和表面光洁度有着很大的影响，而且也是评价机床精加工能力的重要指标之一。

通过回转误差运动的测试，可预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度；也可用于机床加工补偿控制和评价车床主轴的工作精度；还可判断产生加工误差的原因；可用于机床的状态监测和故障诊断，因此超精密机床的主轴回转误差运动的测量非常重要。

主轴回转误差测量中轴向回转误差的测量相对比较简单，只需在机床主轴端面安装微位移传感器，进行一维位移量的测量即可。

因此机床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上。

下面将重点讨论机床主轴径向误差的测量方法、误差分离原理及其实现。

一、误差的测量方法
测量方法主要有打表测量法、单向测量法、双向测量法。

早期机床主轴回转精度不太高时，测量机床主轴误差的常用方法是将精密芯棒插入机床主轴锥孔，通过在芯棒的表面及端面放置千分表来进行测量。

这种测量方法简单易行，但却会引入锥孔的偏心误差，不能把性质不同的误差区分开，而且不能反映主轴在工作转速下的回转误差，更不能应用于高速、高精度的主轴回转精度测量。

除此之外也
有采用测量试件来评定主轴的回转误差。

单向测量法又称为单传感器测量法。

由传感器拾得“敏感方向”的误差信号，经测微仪放大、处理后，送入记录仪，以待进一步数据处理。

然后以主轴回转角作为自变量，将采集的位移量按主轴回转角度展开叠加到基圆上，形成圆图像。

误差运动的敏感方向是通过加工或测试的瞬时接触点并平行于工件理想加工的表面的法线方向，非敏感方向在垂直于第三方向的直线上。

单向测量法测量的主轴回转误差运动实质上只是一维主轴回转误差运动在敏感方向的分量。

因此单向测量法只适用于具有敏感方向的主轴回转精度的测量，例如工件回转型机床。

车床就是工件回转型机床的一个典型代表。

这种测量方法同样不可避免地会混入主轴或者标准球的形状误差，在机床主轴回转精度不太高、混入的形状误差可以忽略时，用单向测量法得到的车床主轴回转精度圆图像的外缘轮廓与工件的外缘很相似，所以这样得到的圆图像能很好地用来评价车床主轴的加工精度及加工质量。

主轴的回转误差运动是一个二维平面运动，需要至少两个传感器在机床主轴横截面内相互垂直的两个方面同时采集数据，再将两组位移数据合成才能复现主轴的实际回转误差轨迹。

故称为双向测量法，又称为双传感器测量法。

传统的双向测量法忽略了机床主轴或者标准球的形状误差，而且还混入偏心误差，从而影响测量结果的精确性。

因此我们这里选用双向测量法测量主轴径向回转误差。

二、误差分离原理既误差分析
（1）回转误差产生的原因
机床主轴回转误差产生的原因是多种多样的，各种原因对机床主轴运动的影响也不尽相同。

机床主轴回转误差产生的原因，一方面有机床主轴传动系统的几何误差、转动轴系质量偏心产生的误差、所受惯性力变形产生的误差、设备热变形产生的误差等确定性误差。

如机床主轴轴系中的轴套、机床主轴轴颈及滚动体的形状误差，特别是滚动件有尺寸误差时，机床主轴将产生有规律的位移。

在一定时间内，机床主轴轴心位移量和位移方向不断变化，这种变化一般不是简单的正余弦周期信号，习惯上称为“漂移”。

另一方面，机床主轴回转误差产生的原因还有许多随机误差，如工艺系统的振颤对机床主轴回转的影响等。

（2）回转误差运动组成部分
从概率和数理统计的角度分析，可将机床主轴回转误差分为系统性（确定性）误差和随机性误差两大类，回转误差表示δ为
δ=δsys+δrand
式中，δsys为系统回转误差；δrand 为随机回转误差。

回转误差的测量和分析参阅了有关资料。

大量的结果显示：机床主轴回转精度中以周期性成分为主，并且主要是以1～4 阶的低阶谐波为主；随机误差成分也占有一定的比重，对于高精度测量不能忽视。

以非简单正弦信号的周期性成分为主，同时含有相当比重的随机误差成分以及噪声的复合信号称为准周期信号。

广义的准周期信号包括：周
期长度无规律变化的信号；周期固定而幅值无规律变化的信号；没有确定重复模式(周期或幅值等)的信号。

由以上分析可知，机床主轴回转误差信号是由叠加了白噪声的多个准周期信号组合而成的。

（3）数据采集及处理
机床主轴回转精度动态检测是根据国家地方共建实验室项目所自行设计的测试实验系统。

实验主要完成两个测试项目：
1）径向跳动量测试实验。

采用双向测量方法，在相互垂直的x 和y 两个方向上分别输出跳动值，机床主轴径向误差可以近似看成是周期运动，每转一圈运动误差呈现一个周期，用周期函数表示其机床主轴回转运动误差。

通过检测得到评定误差曲线图和实时数据曲线，通过仿真软件绘制适当的运动误差圆图像，然后采用最小二乘圆法来评定回转运动误差。

2)轴向窜动量测试实验。

在机床主轴端部旋转一个位移传感器，测出轴端与传感器之间的间隙变动量，用径向跳动量相同的测量方法，输出窜动值，以极坐标的形式显示出来，通过仿真软件绘制适当的运动误差圆图像，调试后得到轴向窜动实时数据曲线图。

本节将讨论的数理统计法就是根据本试验机床主轴的特点及机床主轴轴心运动的统计规律特性而提出的一种简单易行且能有效进行误差分离、满足实时测量要求的一种回转精度测量方法。

使用数理统计误差分离技术进行机床主轴回转误差的测量，可用传感器直接对机床主轴的外圆采集数据。

一个方向使用一个微位移传感器，对于二维的机床主轴回转误差运动，需使用垂直布置的两个微位移传感器同时对机床主轴外圆轮廓采集数据，数理统计误差分离技术进行机床主轴回转误差的测量分为两个阶段，第一阶段通过数理统计法采集数据中的机床主轴回转误差成分，得到精确的圆度误差数据，其具体步骤如下：机床主轴旋转时，n个采样标记点顺次通过两个传感器，两个传感器依次记录下n个点的位移数据，连续m转，为了保证机床主轴回转满足统计规律，m必须足够大。

m越大，误差分离越精确，同时采集时间越长。

为了避免引入温升漂移误差、供气压力变化和其它环境随机误差等，实际上m 并非越大越好，需要根据测量及所达到的测量精度适当选取。

为了更好的误差分离避开机床主轴形状误差与机床主轴回转误差，严格同频叠加情况，从而影响测量结果，可以在机床主轴的上升或下降时间里进行数据采集。

有了这个精确的机床主轴形状误差数据后，即可进行第二阶段的测量。

两个传感器实时采得的数据减去对应位置的机床主轴形状误差数据即得主轴的回转误差数据。

然后采用适当的误差评定计算方法对误差数据处理得到对应的误差精度数值。

三、控制系统仿真与分析
仿真分析是一种低成本、高效、高安全性的科学研究方法。

仿真分析可以节约硬件投资、节省时间，并可以尽早发现问题，而且可以使研究人员免除实际实验中各种各样琐碎事情的干扰，集中精力解决核心理论问题。

仿真分析还可以方便地设置仿真条件为
任何期望值，使研究人员能深入、透彻地分析问题，多角度多条件地验证理论。

对于一些难度大、时间长、成本高的实验，仿真分析方法更有其不可替代的地位。

这些都是实际实验远所不能及的。

为了对数理统计法误差分离技术的有效性进行仿真验证，对其分离精度进行仿真评定，并把误差值用极坐标的形式表示出来，学生们能够直观的进行误差分析。

必须选择专门的开放性机床主轴回转误差仿真软件系统，并在该仿真系统上应用数理统计误差分离技术对几种机床主轴回转误差进行了仿真测量。

为了使仿真结果有意义，必须使住址条件尽量符合实际情况，笔者参考实际的机床主轴回转误差测量原理，将原来需要硬件采集的传感器数据通过软件计算来实现，从而实现传感器数据的仿真，其它过程与实际测量完全一致。

机床主轴回转误差仿真系统通过误差分离技术计算轴回转误差得到主轴回转误差数据、偏心运动数据和圆度误差数据后，将这三组数据分别与仿真输入的原始机床主轴回转误差数据、偏心运动数据和圆度误差数据进行比较，以此评价误差分离技术的分离效果。

此外，还有一些高精度的检测方法可以使用，如使用激光干涉仪测量回转误差。

众所周知，激光的波长极其稳定，因此在国际标准中激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的仪器。

它可以测量各种规格尺寸的机床，甚至长达几十米的机床，并可诊断和测量各种几何误差。

其精度比传统技术至少高10倍以上。

激光干涉仪可自动进行数据采集，节省时间，避免操作者误差。

光动公司的激光干涉仪使用的是激光多普勒原理和光学外差原理，它只有激光头和反射镜两个光学部分，因此在使用过程中对光非常方便。

同时由于它是单孔设计，出射光和回射光进入同一光孔，使得利用该仪器非常容易地进行机床各项误差（包含主轴误差）测量成为现实。

参考文献
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