超精密加工--表面测量技术

《精密超精密加工技术》试题

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：（1）精密加工的加工精度为1~0.1μm,加工表面粗糙度为0.3~0.03μm;超精密加工的加工精度为0.1~0.01μm，加工表面粗糙度为0.03~0.005μm。 (2)精密与超精密加工所包含的主要领域有

超精密切削加工：超精密金刚石切削，可加工各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工；

精密与超精密磨削：光盘、光学镜头、晶体等硬脆材料的精密加

工；精密研磨抛光：集成电路、光学元件等高精度加工；精密特种加工：激光、超声波及电子束、离子束加工。

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：为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）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。2）切削刃钝圆半径要极小才能实现超薄切削厚度。3）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。4）和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。

天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。二者等同称为SPDT。大颗粒人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。

人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，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（CBN）刀具现在用于加工黑色金属，但还达不到超精密镜面切削。

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：（1）主要针对玻璃与陶瓷等硬脆材料进行加工。（2）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。 4、固结磨料加工和游离磨料加工各有什么特点？答：固结磨料研磨方法优点：

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）加工成本柢，加工效率高，工时少，综合成本低。

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，因此加工效率低。

2）磨料与从工件上磨下的碎屑混在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高加工效率要经常将磨料与这些碎屑一起洗掉，这既浪费了能源、又浪费了磨料。

3)磨料在磨盘上是随机分布的，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；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，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，即磨料磨磨粒，加重了磨料和能源的浪

费。

5）在研磨过程中，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性要求较高。

6）在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以愕然冲走磨料，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，而修整磨盘则要求三个磨盘相对研，既费事麻烦，又对人的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中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗

9）污染环境10）工人劳动强度大，对工人技术水平要求高11）较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面肉内，影响工件的使用性能。5、简述影响超精密加工的因素。

答：主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等，

详细的说超精密的加工技术的影响因素很多，主要表现为以下几个方

面

(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、精密砂带磨削等己占有重要地位;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、超声晰磨等，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