精密与超精密加工试题和答案

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：精密与超精密加工的精度随着科学技术的发展不断提高，以目前的加工能力而言，精密加工的精度范围是0.1~1μm，加工表面精度Ra在0.02~0.1μm之间。

超精密加工的精度高于0.1μm，加工表面精度Ra小于0.01μm。

超精密加工领域：1）超精密切削，2）超精密磨削，3）超精密研磨和抛光。

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：超精密切削对刀具的要求：1) 刀具刃口锋锐度ρ刀具刃口能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径ρ极小，能实现超薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。

ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具5~30μm，金刚石刀具<10nm；从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限。

2) 切削刃的粗糙度。

切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。

普通刀刃的粗糙度Ry0.3~5 μm，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2 μm，特殊情况Ry1nm，很难。

3) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。

4) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。

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

单晶金刚石硬度极高。

自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高5~6倍。

摩擦系数低。

除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。

能磨出极锋锐的刀刃。

最小刃口半径1~5nm。

耐磨性好。

比硬质合金高50~100倍。

导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。

因此，天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。

人造单晶金刚石已经开始用于超精密切削，但是价格仍然很昂贵。

金刚石刀具不适宜切黑色金属，很脆，要避免振动而且价格昂贵，刃磨困难。

人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，切削刃钝圆半径ρ很难达到<1μm，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。

立方氮化硼现在用于加工黑色金属，但还达不到精密镜面切削。

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：超精密磨削主要用于加工难加工材料，如各种高硬度、高脆性金属材料，其中有硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等。

这主要是由超硬磨料砂轮的特点决定的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，从而磨粒上所承受的剪切应力就急速地增加，可能接近被磨材料的剪切强度极限。

磨粒切削刃处受到高温和高压作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度。

普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，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。

因此，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。

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

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）工件的受力易于分析。

6）磨料的密度分布具有可控性7）加工成本低，加工效率高，工时少，综合成本低。

8）磨具修整困难。

游离磨料研磨的特点：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，因此加上效率低。

2)磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分发挥切削用，而且为提高加工效率过要经常将磨料与这些碎屑一起清洗掉，这既很费了能源、又浪费了磨料。

3)磨料在磨盘上是随机分布的，只分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料均工件间的相对运动具有随性，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，即磨料磨磨料，加重了磨料和能源的浪费。

5)在研磨过程小，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，因此为提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀件要求较高。

6)在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，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，而修整磨散要求三个磨盘相万对研，既费事麻烦，又对上人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加工中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进ff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)较硬的磨料容易嵌人较软的工件表而内．影响工件的使用性能。

传统的游离磨料研磨正足因为存在着上述这些缺点，使得其应用受到了—定的限制。

5.简述影响超精密加工的因素。

答：影响超精密加工技术的因素很多，主要表现为以下几点：（一）加工机理近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新，尤其以快速成型为代表的“堆积”加工，在加工技术领域具有里程碑意义。

（二）被加工材料超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。

例如，要求被加工材料质地均匀、性能稳定、无外部及内部微观缺陷，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到一定数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。

（三）加工设备及其基础元部件对超精密加工所用的加工设备有下列要求：1.高精度。

包括高静精度和高动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等；2.高刚度。

包括高静刚度和高动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度；3.高稳定性。

设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持高精度、抗干扰及稳定性。

设备应具有良好的耐磨性、抗振性等；4.高自动化。

为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。

（四）加工工具加工工具主要是指刀具和磨具。

用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。

磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。

（五）检测与误差补偿超精密加工必须具备相应的检测方法，不仅要对工件表面质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度。

其尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪等来测量；表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。

检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。

误差预防是通过提高机床制造精度、保证加工环境等来减少误差源对其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响，其中静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。

（六）工作环境超精密加工的工作环境是保证加工质量的必要条件，环境因素主要指温度。

环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。

达到恒温的办法是采用多层套间，可逐步得到大恒温间、小恒温间，温度控制的精度愈来愈高，再采用局部恒温的方法，如恒温罩，罩内还可用恒温液喷淋，达到更精确的控制温度。

6.何谓慢刀伺服车削和快刀伺服车削？答：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。

慢刀伺服车削Z轴和X轴往往同时作正弦往复运动，需要多轴插补联动。

因此，在加工前需要对零件面形进行多轴协调分析，进而确定刀具路径和刀具补偿。

此外，慢刀伺服受机床滑座惯性和及电动机响应速度影响较大，机床动态响应速度较低，适合加工面形连续而且较大的复杂光学器件。

快刀伺服（Fast Tool Servo）车削与慢刀伺服的差别在于：将被加工的复杂形面分解为回转形面和形面上的微结构，然后将两者叠加。

由X轴和Z轴进给实现回转形面的轨迹运动，对车床主轴只进行位置检测并不进行轨迹控制。

借助安装在Z轴但独立于车床数控系统之外的冗余运动轴来驱动刀具，完成车削微结构形面所需的Z轴运动。

这种加工方法具有高频响、高刚度、高定位精度的特点。

快刀伺服的核心是伺服控制的刀架及其控制系统，金刚石刀具在压电陶瓷驱动下可以进行Z轴的往复运动。

控制系统在实时采集主轴角度信号的基础上，实时发出控制量，控制刀具实时微进给，从而实现刀具跟踪工件面形的起伏变化。

快刀伺服在加工前仅需对零件面形进行精确计算，生成能表征零件面形的数据文件。

此外，快刀伺服系统的运动频响高、行程只有数毫米，更适于加工面形突变或不连续、有限行程内的微小结构。