《精密与特种加工》大作业

大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：精密与特种加工学号：************姓名：***考试时间：***************1. 目前精密和超精密加工的精度范围分别为多少？答：（1）目前超精密加工技术是指加工尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面粗糙度达到纳米级的加工技术。

在某些领域已经延伸到纳米尺度范围，其加工精度已接近纳米级，表面粗糙度已经达到0.1nm 级，并且正向原子级加工精度逼近。

其中，超精密切削的加工精度高于0.01um ，表面粗糙度在0.02~0.005um 之间；超精密磨削的加工精度达到或高于0.1um ，表面粗糙度在0.025~0.003um 之间；超精密抛光的加工精度可达数纳米，加工表面粗糙度可达0.1nm 级。

（2）精密加工的加工精度为0.1~1um ，加工表面粗糙度为0.3~0.03um ；其中精密磨削的加工精度约为1um ，表面粗糙度为0.025um 。

2. 超精密切削对刀具有什么要求？答：（1）刀具刃口锋锐度ρ小，以实现超薄切削，减小切削刃表面的弹性恢复和表面变质层；（2）极低的切削刃粗糙度，0.1~0.2y R m μ=，以减少刀具刃口误差复映的影响，获得超光滑表面；（3）极高的硬度与耐磨性，极高的弹性模量，以保证刀具具有极高的寿命及很高的尺寸耐用度；（4）足够的强度，刃口无缺陷，耐崩刃，以抵抗切削时晶粒内部强大的分子、原子间结合力；（5）化学亲和力小，和工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。

3. 简述超精密切削时刀具刀刃锋锐度对切削过程和加工表面质量的影响。

答：在超精密切削条件下,刀具的刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量有直接的、很明显的影响。

（1）刀具刀刃锋锐度对切削变形有着很大的影响，特别是在背吃刀量和进给量较小的时候。

（2）金刚石刀具的刀刃锋锐度对加工表面粗糙度有一定的影响。

（3） 但它对加工表面变质层的冷硬和显微硬度有明显差别，使用较锋锐的刀具切削时加工表面变质层存在的冷硬较少。

（4）切削表面层的组织位错密度主要由切削变形决定，故刀具刀刃锋锐度对组织位错也有着很大的影响。

（5）刀具刀刃锋锐度对加工表面残留应力也有很大的影响，用锋锐的刀具切削时的残留应力要比用较钝的刀具切削时低得多。

背吃刀量和进给量也会影响加工表面质量，所以并不是越锋锐的刀具加工出的表面质量越高，要根据加工表面质量要求合理的选择刀具刀刃锋锐度。

4. 简述慢刀伺服车削和快刀伺服车削的特点及应用。

答：（1）慢刀伺服车削：切削时车床主轴与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。

应用：对主轴与进给轴、Z轴均进行位置控制且三轴联动插补运动，可以将光学阵列如微透镜阵列、微反射镜阵列等看成自由曲面，利用慢刀伺服车削技术可以一次加工成型，可以解决传统加工中将光学阵列分块加工后拼装和调整的困难。

（2）快刀伺服车削：在车床上安装具有快速响应能力的刀具微进给伺服系统，在车削过程中，主轴带动工件旋转，刀具在伺服系统的驱动下，以与主轴转速相关联的频率沿工件径向（对于非圆车削）或轴向（对于非轴对称车削）做往复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓或非轴对称截面。

它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。

应用：快刀伺服切削的应用实例有加工内燃机活塞轮廓、凸轮轴、凸轮、非圆轴承内轮廓等。

5. 为什么超精密磨削硬脆材料多采用金刚石砂轮？答：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，可能接近磨粒的剪切强度极限。

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。

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。

6. 固结磨料研磨与游离磨料研磨相比有什么优点？答：固结磨料研磨与游离磨料研磨相比有如下几方面优点：（1）工件的受力易于分析。

对于传统的游离磨料研磨，磨料的运动是随机的，磨料对工件的研磨切削力的大小和方向也是随机的，这就使得分折磨料对工件的作用力十分困难。

而在固结磨料高速研磨中，磨料与磨具一起运动，其运动规律是已知的，这就为我们研究磨料对工件的作用力提供了必要条件。

（２）磨料的密度分布具有可控性。

在游离磨料研磨中，磨料在磨盘上是随机分布的，而且随着磨盘的运动而不断的变化，因此磨料的密度分布不均匀且无法控制。

而在固结磨料研磨中，磨料被做成丸片粘结在磨盘的许多位置点上，磨料的密度分布是可控的。

因此，根据工件磨具间的相对运动轨迹密度分布，合理地设计磨具上磨料密度分布，以使磨具在研磨过程中所出现的磨损不影响磨具面形精度，从而避免修整磨具的麻烦。

（３）研磨速度快，研磨效率高，加工成本低。

有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比。

在游离磨料研磨中，由于磨料是离散的分布在磨盘上，研磨速度不能过快，以避免磨料飞溅，另外在研磨过程中，磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这就造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料的浪费，这就使得研磨加工效率低，加工成本高。

而在固结磨料研磨中，因为不存在磨料飞溅问题，所以可以采用较高的转速，一般在400--700r／min，从而提高了研磨加工效率，降低了加工成本。

（４）工件表面加工精度高。

对于游离磨料研磨，磨料的尺寸不可能完全一致。

在研磨时磨料置于磨盘上，当放上工件后，工件表面主要与尺寸较大的磨料参与较大的磨料接触，这使得参于磨料的磨料数量少，每个参于研磨的磨料承担的压力大，压强大，研磨加工量大，而且它们之间的间距也大，研磨加工产生的划痕深，而且宽，所以游离磨料研磨加工的工件表面比固结磨料研磨加工的工件表面粗糙。

而固结磨料研磨时磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。

7. 简述精密磨削时砂轮修整对加工表面质量的影响。

答：砂轮的修整分为整形和修锐。

精密磨削时主要采用细粒度的高硬度砂轮进行磨削，砂轮经过长时间使用后砂轮会被磨损和堵塞。

这时就需要对砂轮进行整形和修锐。

修锐是使去除磨粒间的结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成一定的容屑空间。

整形是使砂轮达到一定精度要求的几何形状。

砂轮修锐常用的方法有金刚石车、磨削法、气压喷砂、电解法、激光法等。

砂轮堵塞后锋利的磨粒被切屑埋没，降低了砂轮对工件的切削作用。

对砂轮进行修锐可以提高砂轮的锋利度，提高砂轮的切削作用，但是此时滑挤，摩擦抛光作用不强，表面粗糙度较高；随着砂轮的使用钝化，切削作用减弱，滑挤，摩擦抛光作用增加，磨削区的高温使得金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，减小表面粗糙度；随着砂轮的继续磨损对工件的切削作用下降，对工件的挤压作用增强，使得磨削温度急剧上升。

使得工件表面粗糙度下降，甚至产生磨削烧伤，改变材料晶相组织。

砂轮常用的整形方法有金刚石车，金刚石滚轮，电化学法，超生震动，激光法等。

砂轮再长时间使用之后形状精度会下降，砂轮母线的形状会直接复印到工件上，尤其是用磨削做仿形加工是砂轮精度的下降会严重的影响零件的加工精度，所以需要对砂轮进行修整，提高砂轮的形状精度，从而提高零件的形状精度。

8. 研磨加工和抛光加工的机理和特点有何不同？答：研磨加工的机理：利用硬度比被加工材料更高的微米级磨粒，在硬质研磨盘作用下产生微切削和滚扎作用，实现被加工表面的微量材料去除，使工件的形状、尺寸精度达到要求值，并降低表面粗糙度，减小加工变质层的加工方法。

其特点：（1）微量切削。

众多磨粒参与研磨，单个磨粒所受载荷很小，控制适当的加工载荷范围可得到小于1微米的切削深度。

（2）多刃多向切削。

磨粒形状不一致，分步随机，有滑动、滚动，可实现多方向切削。

（3）按进化原理成形。

当研具与工件接触时，在非强制性研磨压力作用下，能自动旳选择局部凸出处进行加工，故仅切除两者凸出处的材料。

而抛光加工是利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学加工液，电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减小或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法，其加工机理以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但它仅利用极少磨粒强制压入产生作用，借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。

9. 简述超精密加工机床特点及超精密机床主轴的主要形式和优缺点。

答：超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件。

其具有极锋利的刀具或微细磨具，机床具有较好的动态刚度和精度以及微量进给系统。

超精密机床技术目前已经发展成为一项综合性的系统工程，其发展综合利用了基础理论(包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能器件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术和运动控制技术等。

因此，技术高度集成已成为超精密机床的主要特点。

超精密机床主轴的主要形式有液体静压轴承主轴和空气静压轴承主轴。

液体静压轴主轴承优点:刚度和回转精度很高，转动平稳，无振动。

缺点：（1）液体静压轴承的油温升高将造成热变形，影响主轴精度；（2）静压油回油使将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，将降低液体静压轴承的刚度和动特性。

静压轴承主轴的优点：回转精度很高，高速转动时温升甚小，因此造成的热变形误差很小。

缺点：刚度低，只能承受较小的载荷。

10. 超声加工和超声辅助加工有何不同？简述超声辅助磨削技术的原理、特点及其应用。

答：超声加工是利用超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料被蚀除而成粉末，以进行穿孔、切割和研磨等，以及利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。

超声辅助加工将超声加工与传统的切削加工结合所形成新的加工技术是一种典型的复合加工技术即，这一复合加工技术既充分发挥了机械加工和超声加工这两种加工技术的优点，又弥补了两种技术的局限和不足，因而具有一些突出优点。