超精密切削加工技术的现状与发展毕业论文

哈尔滨工业大学

金属工艺学课程论文

题目：超精密切削加工技术的现状与发展

院系：能源学院

专业：能源与动力工程专业

班级：

学号：

姓名：

超精密切削加工技术的现状与发展

摘要：随着航空、航天、仪表和微电子技术的的发展，对零件的尺寸精度和形位精度及表面粗糙度的要求越来越严格，本世纪六十年代产生了超精密加工技术。超精密切削加工是在传统切削加工的基础上，汇集了大量的新技术所形成的近年来发展较快的一项重要技术，是超精加工技术的一个重要分支。到目前为止，超精密切削加工的尺寸精度已达到1微米以内，表面粗糙度为Ra0.001~0.002。加工平面度低于波长的1/2以下。具有超高精度、高刚度的机床，超精密级的切削刀具，超稳定的切削加工条件是实现超精密切削加工的先决条件。在这里，就结合课上所学知识，对超精密切削加工技术进行详细介绍。

关键词：超精密切削加工技术；液体静压导轨；金刚石刀具；

1 超精密切削加工概况

超精密切削以SPDT技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。所用刀具为大块金刚石单晶，刀具刃口半径极小，可以加工出光洁度极高的镜面。金刚石刀具的优点在于其与有色金属亲和力小，硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利，其刃口圆弧半径可小于0.01微米，实际应用的一般为0.05微米，可加工出优于0.01微米的表面粗糙度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件（如空气轴承、气浮导轨等）、高精度的定位检测元件（如光栅、激光检测系统等）以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可达0.05微米。加工直径800mm的非球面透镜，形状精度可达0.2微米。最先用于铜的平面和非球面光学元件的加工，随后，加工材料拓展至有机玻璃、塑料制品（如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等）、陶瓷及复合材料等。

2超精密切削加工技术现状

超高精度、高刚度的机床是实现超精密切削加工的必备设备.近年来，超精密切削加工机床发展趋势是大型化和超精密化.具有代表性的超精密切削机床有：

2.1美国伦斯实验室的DTM-3机床

该机床的主轴部件首次采用了高压液体静压轴承，并采用了液体静压导轨。大幅度地提高了机床的动态精度.利用恒温油浴系统来消除机床工作时产生的变形误差，其加工精度可达到0. 025μm，运动平直度0. 025μm/1000mm.位移误差可以控制在0. 013μm/1000mm 以内。机床加工最大直径2100mm，工件允重4500kg，从而导致了重型精密机床的新潮流.

2.2英国Cranfield大学生产工程研究所研制的大型超精密车床

该机床采用立式空气主轴.用于加工大型X射线天体望远境的非球面反射镜，机床回转精度为0. 05μm，重复精度达0. 1μm，加工零件表面粗糙度为0. 05μm，是目前世界上较大的超精密机床之一。

2.3日本丰田等公司联合研制的超精密车床

该车床主轴，工作台及导轨均采用陶瓷制造，以减轻重量、减少热变形。而床身则采用铁氧体树脂混凝土制造，以提高抗振性和增加重量。并还将液压油温度控制在士0. 1℃以内，

用以冷却机床的内部结构.试验表明:工作台的运动精度在130mm行程上最大误差为0. 03μm。

此外，美国劳伦斯国家实验室的BODTM超精密车床。中国北京机床所研制的JCS-027. 0. 31车床、铣床。沈阳第一机床厂开发的SI-222,235.255型机床的加工精度，加工表面粗糙等指标也达到微米或亚微米级超精加工水平。

3影响超精密切削加工质量因素分析

超精密切削加工的质量取决于机床的刚度和精度、切削用刀具的精密等级、被加工工件的物理机械性能及其形状和精度的要求，切削加工条件等。根据其加工过程可以列出如图1所示的影响超精密切加工质量因素控制图.由图1可以看出：影响超精密切削加工质量的因素有很多.它们互相影响，相互制约，其切削加工质量的高低则取决于各因素的综合作用效应。

图1：影响超精密切削加工质量因果控制图

4 超精密切削用金刚石刀具的特性及使用条件

超精密切削加工最关键的间题是切除极微薄的金属层，也就是超微量切除技术。最小切削量与刀具刀刃钝圆半径有关。其大小主要取决于刀具材料的微观结构。由于金刚石刀具具有硬度高、耐磨性好、刀刃直线度极微小、导热率高、与工件粘合力低等特点，故单晶体金刚石刀具是目前超精密切削中最常用的切削刀具。

4.1天然金刚石晶体的激光定向法

切削加工实践表明:金刚石刀具前刀面发生破损的概率因其结晶方位不同有108数量级的差异。而金刚石晶体定向的常用方法有目测法和X射线定向法.所谓目测法（亦称为经验定向法）是根据金刚石晶体的外形生长情况确定其结晶方位，定向方法简便，不需借助辅助设备，但定向粗糙，完全依赖于操作者经验，因而很难达到理想的定位精度。而X射线定向法则是利用X射线在晶体中的衍射原理来定向的，这种方法定向精度很高，但由于投入设备

费用晶贵，测定程序繁琐，直观感差等缺点，很少应用于生产实际.为提高金刚石刀具的耐用度及其刃磨工艺性，1985年中国哈尔滨工业大学袁哲俊教授在世界上首先将激光技术引入金刚石晶体的激光定向理论与方法.其原理是当激光束射在金刚石的不同晶面上时，会产生不同的两叶、三叶、四叶反衍射图形，从而可确定其面网的空间位置.这种方法简单、实用、投资少、对人体无害.尤其适合推广到实际场合使用。1990年日本大坂市立大学上神谦次郎教授将Mercator表示方法引入单晶金刚石刀具结晶方向的确定上(如图2所示)。并用该方法所测定的金刚石刀具对铜、黄铜及铝合金等进行了实际切削实验。得出了许多重要结论.该方法为金刚石刀具的广泛应用开辟了新的途径。

图2：金刚石晶体参考球及Mercator图

4.2金刚石刀具刀尖钝回半径r的测定

随着近年来超精密切削加工技术的迅速发展，测量金刚石刀具刀尖钝圆半径r的新方法也相继出现。日本东芝机床公司用两个辅助电子检测器，分别放在射线束的两边，建立了一个用扫描电子显微镜测量刀具刀尖钝圆半径r的系统。大阪金刚石公司的也用扫描电子显微镜对金刚石刀具刀尖钝圆半径r进行测定，他们从金刚石阴极发光所显示出的不同颜色、不同发光强度的区域来判定r的数值，其测量值可在20nm以下.但应用此方法必项将刀具从小刀架上卸下来才能测定。为克服这一弊端，日本横滨国立大学中山一雄教授等提出了用银线复映法来测量金刚右刀具的刀尖钝圆半径r值的新方法。其原理见图3。应用该测定方法可直接测量出刀具的刀尖钝圆半径r的值。其测定值可以达到0.07μm左右。它的提出把自动化、高精度切削加工中刀具的测定实用化向前推进了一大步。

图3银线复映法测量系统