精密与超精密加工-机械制造技术

≤0. 1
主轴轴向圆跳动 / μ m
≤0. 1
滑台运动的直线度 / μ m
≤1/150
横滑台对主轴的垂直度 / μ m
≤2/100
主轴前静压轴承（φ100mm）的刚 径向
度 /（N/μm）
轴向
1140 1020
主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度 /（N/μm） 640
纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm）
基座
周缘 护板
T形布局的金刚石车床
11
➢ 金刚石车床主要性能指标
金刚石车床主要性能指标
最大车削直径和长度 /mm
400×200
最高转速 r/mm
5000～10000
最大进给速度mm /min
5000
数控系统分辩率 /μm
0. 1～0.01
重复精度(±2σ) / μ m
≤0. 2/100
主轴径向圆跳动 / μ m
3
◆ 精密加工与超精密加工的发展
加工误差（μm）
加工设备
测量仪器
102
普通加工
车床,铣床 精密车床
卡尺 百分尺
磨床
比较仪
101
精密加工
坐标镗床
气动测微仪
坐标磨床
光学比较仪
100
金刚石车床 光学磁尺
10-1 超精密加工
10-2
精密磨床
电子比较仪
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度
720
12
◆ 金刚石刀具
➢ 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石
➢ 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、 十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和 六根2次对称轴（图7-20）。
L4 （100）
L2
L3
（111）
（110）
a）4 次对称轴 和（100）晶面
b）2 次对称轴 和（110）晶面
8
第二节 金刚石超精密加工技术
◆ 机理、特点 ➢ 切削在晶粒内进行(吃刀量ap 1m)
➢ 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） ➢ 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 ➢ 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表 层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量
◆ 微量切削机理 背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切 削机理完全不同。
◆ 特种加工与复合加工方法应用越来越多 传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采 用新的方法。
7
◆ 形成综合制造工艺 要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工 设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复 杂的系统工程，难度较大。
糙度Ra0.03～0.005μm的加工超精密加工；
纳米加工----加工公差小于0.01μm、表面粗糙度Ra
小于0.005μm的加工称为纳米加工。
◆微细加工 —— 微小尺寸的精密加工 超微细加工 ——微小尺寸的超精密加工
2
◆ 几种典型精密零件的加工精度
几种典型精密零件的加工精度
零件 激光光学零件
多面镜 磁头 磁盘 雷达导波管 卫星仪表轴承 天体望远镜
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◆ 电泳磨削
金刚石砂轮 （铁纤维结合剂）
电刷
电源
冷却液
＋－
进给
冷却液
ELID磨削原理
➢使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂 轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削 力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解 修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
工具运动方向 抛光液
抛光工具 磨粒
工件
小间隙
液体动力抛光
★ 机械化学抛光
➢ 工作原理（右图）
18
◆ 塑性（延性）磨削
➢ 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材 料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后 工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。
➢ 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和
磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。 为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因
➢砂 带 ： 带 基 材 料 为聚碳酸脂薄膜， 其上植有细微砂粒。
➢砂 带 在 一 定 工 作 压力下与工件接触 并作相对运动，进 行磨削或抛光。
➢有 开 式 （ 右 图 ） 和闭式两种形式， 可磨削平面、内外 圆表面、曲面等。
硬磁盘— 装在主轴 真空吸盘 上
砂带轮
f-径向振动
接触轮 F-径向进给
V砂带
磨粒 粘接剂 规格涂层 基带 静电植砂砂带结构
3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量 之比）高，有“高效磨削”之称。
4）制作简单，价格低廉，使用方便。
5）可用于内外表面及成形表面加工。
23
◆ 游离磨料加工
★ 弹性发射加工
➢ 工作原理（右图） 抛光轮与工件表面形 成小间隙，中间置抛 光液，靠抛光轮高速 回转造成磨料的“弹 性发射”进行加工。
机械制造技术
第五章 精密与 超精密加工
1
第一节
概述
在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同， 可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个 档次。
精密加工----加工公差为10.0～0.1μm，表面粗糙
度Ra0.30～0.03μm的加工精密加工
超精密加工----加工公差为0.1～0.01μm、表面粗
超精密研磨机 测长仪 10-3
离子束加工 扫描电镜
分子对位加工 电子线分析仪
1900 1920 1940 1960 1980 2000 年份
精密加工与超精密加工的发展
4
精密与超精密加工地位
➢ 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路 最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm
★ 加工设备
刀具夹持器 刀具 工件 主轴
➢ 要求高精度、高刚度、 良好稳定性、抗振性及
回转工作台
数控功能等。
➢如 美 国 Moore 公 司 M18AG 金 刚 石 车 床 ， 主 轴采用空气静压轴承， 转速5000转/分，径跳＜ 0.1μm；液体静压导轨， 直线度达 0.05μ/100mm； 数控系统分辨率0.01 μ。
➢ 抛光轮： 由聚氨基甲酸（乙） 酯制成，磨料直径 0.1～0.01μm
微粉(磨粒)
加压
抛光轮
悬浮液
工件
小间隙
弹性发射加工原理
➢ 机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用
24
★ 液体动力抛光
➢ 工作原理（右图） 抛光工具上开有锯齿槽， 靠楔形挤压和抛光液的反 弹，增加微切削作用。
➢ 机理：微切削作用。
传动带
主轴电机 空气垫
Moore金刚石车床
10
➢ T形布局（如图）
车床主轴装在横向 滑台（X轴）上， 刀架装在纵向滑台 （Z轴）上。可解 决两滑台的相互影 响问题，而且纵、 横两移动轴的垂直 度可以通过装配调 整保证，生产成本 较低，已成为当前 金刚石车床的主流 布局。
X轴滑台
主轴
刀架 z轴滑台
光路护罩
砂带磨削示意图
卷带轮
20
用于磨削管件的砂带磨床（带有 行星系统）
21
➢ 几种常见砂带磨削方式
工件 接触轮 主动轮 工件 接触轮 主动轮
接触轮 主动轮
导轮
砂带
a）砂带无心外圆磨削 （导轮式）
工件
砂带 b）砂带定心外圆磨削
（接触轮式）
支承板 主动轮
砂带 工件 c）砂带定心外圆磨削
（接触轮式）
砂带
接触轮
分子定向
精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工 精密铸造、压铸、注塑 液晶定向
6
精密与超精密加工特点
◆“进化”加工原则 ➢ 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具， 通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用 于单件、小批生产。 ➢ 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则， 生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适 用于批量生产。
◆ 与高新技术产品紧密结合 精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一 特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车 床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。
◆ 与自动化技术联系紧密 广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技 术，以减小人的因素影响，保证加工质量。
◆ 加工与检测一体化 精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精 密与超精密加工的关键。
磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚 性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性 低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。
（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件 材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化 （已有试验作支持）。
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◆ 精密与超精密砂带磨削
➢ 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点 精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术， 其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展
5
精密与超精密加工分类
分类
加工机理
加工方法示例
去除加工
电物理加工
电火花加工（电火花成形，电火花线切割）
电化学加工
电解加工、蚀刻、化学机械抛光
力学加工
切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工
加工精度 形状误差 0.1μm 平面度误差 0.04μm 平面度误差 0.04μm 波度 0.01 ～0.02μm 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm 圆柱度误差 ＜0.01μm 形状误差 ＜ 0.03μm
表面粗糙度
Ra 0.01～0.05μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.002μm Ra ＜0.01μm
◎在两个相邻的加强 （ 111 ） 面 之 间 劈 开 ， 可得到很平的劈开面， 称之为“解理”。
劈开面
（111）面网C原子分布和解理 劈开面
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➢ 金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）
➢金刚石刀具角度（如图）
热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工
化学
附着加工 电化学 热熔化
化学镀、化学气相沉积 电镀、电铸 真空蒸镀、熔化镀
结合加工
注入加工
化学 电化学 热熔化 力物理
氧化、氮化、活性化学反映 阳极氧化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长 离子注入、离子束外延
连续加工
热物理 化学
激光焊接、快速成形 化学粘接
热流动 变形加工 粘滞流动
c）3 次对称轴 和（111）晶面
图7-20 八面体的晶轴和镜晶面
13
➢ 金刚石晶体的面网距和解理现象
◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。
◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网 的面间距一宽一窄（如图）
◎ 在 距 离 大 的 （ 111 ） 面之间，只需击破一个 共价键就可以劈开，而 在 距 离 小 的 （ 111 ） 面 之间，则需击破三个共 价键才能劈开。
6.4
单晶金ห้องสมุดไป่ตู้石
450
120 R=1.6～4.8
R 350
AA
6.4
50 R=0.5～1.2
B
R 110～1200 B
6.4
6.4
A-A 60
10 B-B
60
60
金刚石刀具角度
15
金刚石车床
加工4.5mm陶瓷球
金刚石车床及其加工照片
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第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削
◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点：
➢ 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命 中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工 误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到 94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍
砂带
接触轮 d）砂带内圆磨削
（回转式）
工件
工件
砂带
工作台
e）砂带平面磨削 （支承板式）
支承轮 f）砂带平面磨削
（支承轮式）
几种砂带磨削形式
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➢ 砂带磨削特点
1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受 力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02μm）。
2）静电植砂，磨粒 有方向性，尖端向 上（右图），摩擦 生热小，磨屑不易 堵塞砂轮，磨削性 能好。
◆ 应用
➢ 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合 作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） ➢ 加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等 ➢ 加工有机玻璃和各种塑料 ➢ 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投 影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等
9
◆ 关键技术
➢ 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属 用CBN） ➢ 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 ➢ 磨削力小，磨削温度低，加工表面好
◆ 砂轮修整：
➢ 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 ➢ 常用方法 —
① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； ② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可 在线修整