精密与特种加工作业

1.目前精密和超精密加工的精度范围分别为多少

答：精密加工：加工精度为~1μm，加工表面粗糙度为Ra=~μm；

超精密加工：加工精度为>μm，加工表面粗糙度为Ra<μm。

超精密切削对刀具有什么要求

答：为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：

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。

切削刃钝圆半径要极小才能实现超薄切削厚度。

切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。

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。

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金刚石砂轮答：超精密磨削主要用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石等。

多采用金刚石砂轮的原因：

1）可以加工各种高硬度高脆性的材料。

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,由于金刚石有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高的切除率和磨削比。

5）加工成本低，虽然金刚石砂轮比较昂贵，但其寿命长，加工效率高，工时少，综合成本低。

4.固结磨料加工与游离磨料加工相比有什么特点

答：固结磨料加工与游离磨料加工相比其特点如下：

1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、铜铝等有色金属及合金等。

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。

5.简述精密磨削获得高精度和低粗糙度表面的机理。

答：精密磨削主要是靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性。磨削后，被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨削阶段的作用，获得高精度和低表面粗糙度的表面。

6.超精密加工中为什么需要采用微量进给装置常用的微量进给装置有哪些类型答：采用微量进给装置的原因：

1）使机床微位移的分辨力进一步提高。

2）进行机床和加工误差的在线补偿，以提高加工精度。

3）进行某些特殊的非轴对称表面的加工都需要使用微量进给装置。

常用的微量进给装置

1）机械传动或液压传动式

2）弹性变形式

3）热变形式

4）流体膜变形式

5）磁致伸缩式

6）电致伸缩式

7.简述对超精密切削刀具刀刃锋锐度和粗糙度的理解，分析其对超精密切削过程影响。

1）超精密切削刀具刀刃锋锐度

当其他条件不变时，机床加工所能达到的几何精度是由有效切削厚度精确性来决定的，即切削刃从工件表面上有效的切除工件材料的未变形厚度。由于名义切削厚度是由机床上横向进给切削刃给定的，所以有效切削厚度不总是等于名义切削厚度。在非常小的切削厚度下，有效切削厚度的精度可看作是最小切削厚度，该处的临界点发生在切屑形状从“稳定到不稳定”状态，这个最小切削厚度被看作是决定能够达到切削精度的可能极限。

金刚石刀具刀刃锋锐度与超精密切削时能达到的极限最小切削厚度有密切关系。由图1可以看出存在极限点A，在A点以上被加工材料将堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹塑变形形成加工表面。由实验计算得出，图1中正常切削时的最小切削厚度h Dim=1nm，所用的金刚石刀具刃口半径为3~4nm，这是极为锋利的金刚石刀具。

因此，切削刃的锋锐度是影响切削深度的主要因素。切削刃越锋利，亦即切削刃半径越小，切削深度也就越小，表面粗糙度值就越小。实际加工中心，金刚石刀具的前角取为-25°，切削速度v=3000r/min，切削深度αp=5μm，此时的加工表面粗糙度和平面度最好。金刚石刀具的刃口半径影响最小切削深度，即最小切削厚度。刀刃刃口半径ρ越小，刀刃锋锐度越好，天然金刚石刀具的刃口半径可达μm。超精密加工就是使最小切削厚度尽可能的小，对工件表面进行极微量的切除。

另一方面，刀具切削刃钝圆半径越大，刀具强度越大；刀具切削刃钝圆半径越小，刀具越锋利。因此，合适地选择金刚石刀具切削刃钝圆半径可以使加工时的切削力更小，刀具寿命更长。

图1极限最小切削厚度h Dim和刃口半径ρ的关系

2）超精密切削刀具刀刃粗糙度

被加工表面轮廓是由刀具轮廓转换到垂直切削方向平面上而形成的。由于切削刃和工件材料间的界面复杂，难以辨别，因此这种轮廓转换过程取决于分界面的亲和性。实验表明，金刚石对各种材料的亲和性均较小，因而能够较好的把切削刃的轮廓转化到工件的表面上。但是，由于微量修整或粘附颗粒的影响，金刚石切削刃上即使有很小的凹凸不平都会引起被加工表面上的损伤。金刚石的转换精度估测小于10nm。

目前，金刚石表面的粗糙度可以被研磨到1nm的数量级。因此，金刚石刀具切削刃前面和排屑面交叉处的粗糙度就可以达到10nm以下。这样，我们就可以认

为，金刚石刀具能够对某些金属精加工到10nm以下的粗糙度，超过其切削刃的有效长度。

超精密切削刀具刀刃锋锐度和粗糙度对切削过程的影响

由于刀刃锋锐度和粗糙度对切削过程的影响是相反的过程，因此只需分析其中之一即可。下面分析刀刃锋锐度对切削过程的影响

在普通切削加工中，由于切削厚度远大于刀具切削刃的钝圆半径，因此可以不考虑刀具切削刃钝圆半径对切削过程的影响。而超精密切削不同于普通切削，其切削层极薄，刀具切削刃的钝圆半径将明显影响切削变形、已加工表面粗糙度和表面波纹度等，对切削过程有着很大的影响。

刀刃锋锐度对加工表面粗糙度的影响

金刚石刀具刃口锋锐度对加工表面粗糙度有一定影响。例如，用ρ=μm的金刚石刀具在机床条件较好时切铝合金，仅在进给量和切深较小的情况下（a p=1~2μm，f≤μm/r）可切出R max<μm；而更锋锐的刀具（ρ=μm）可在较宽的切削条件下切出R max<μm的表面。故在进行超精密加工时，使用刃口半径小的锋锐刀具可有效提高加工表面的质量，减小表面粗糙度值。

在超精密切削过程中，刀刃的磨损使得刃口半径ρ值逐渐增大，加工表面粗糙度也逐渐增大。图2为刀具磨损对加工表面粗糙度影响的切削实验结果。从图中可以看出，新刀时（刀刃锋利）加工表面粗糙度R max=μm；但当切削路程超过300km 时，加工表面粗糙度已超过μm。超精密切削时，金刚石刀具磨损不能继续使用的标志是加工表面质量超差，如果新刀磨得锋利，则刀具的耐用度亦会相应提高，可切削较长时间。

图2刀刃磨损对加工表面粗糙度的影响

刀刃锋锐度对切削变形的影响

在进行超精密切削时，由于切削深度和进给量都很小，直接测量切削变形很困难。一般是通过测量主切削力来间接说明刀具刀刃锋锐度对切削变形的影响。刀刃锋锐度对切削力的影响如图3所示。

从图3中我们可以看到，由于刀刃的锋锐度不同，切削力有明显的差别。在a p 较小时，差别更明显。在切削深度很小时，单位切削力急剧增大，这是因为在切削深度和进给量都很小的情况下，刃口半径不同将明显影响切削变形。刃口半径的微小变化将使切削变形产生很大的变化，因此在超精密切削时要特别注意这一点。