超高速超精密加工技术ppt

高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
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（3）模具制造。
10 1
0.1 0.01 0.001
粗加工
传统加工方法 精加工
各种焊接的PCBN刀具
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精密与超精密加工技术
精密与超精密加工的定义 精密与超精密加工的地位 金刚石刀具镜面切削 精密与超精密磨削
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精密与超精密加工定义
加工设备
测量仪器
加工误差（μm）
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普通加工
车床,铣床
精密车床
卡尺 百分尺
磨床
比较仪
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精密加工
坐标镗床
气动测微仪
坐标磨床
光学比较仪
100
大家好
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超高速及超精密加工技术
工程训练中心 姓名：党长春 学号：2162224026
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超高速加工技术
高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术
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高速加工的概念与特征
高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自
电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装 在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。
转速： CAK6136V/750主轴最高转速：3000m/min. VMC650立式加工中心主轴最高转速：8000r/min. VCN510C-数控立式加工中心转速：15000r/min.
应用 光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、 照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等
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金刚石车床 金刚石车床及其加工照片
加工4.5mm陶瓷球
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精密与超精密磨削
磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。 超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉对硬 脆材料进行加工的方法。
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1、 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）
砂带 工件 c）砂带定心外圆磨削
（接触轮式）
砂带
砂带
接触轮 d）砂带内圆磨削
（回转式）
接触轮
工件
工件
砂带
工作台
e）砂带平面磨削 （支承板式）
支承轮
f）砂带平面磨削 （支承轮式）
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➢ 砂带磨削特点
1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受 力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02μm）。
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高速切削加工应用
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。
波音公司的F15战斗机的起动减速板
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高速铣削典型工件
铝合金整体零件： 整体零件“掏空”，
切除量大 零件有薄壁，要求小
切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸
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（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速切削 少量手工精修
手工精修
加工时间
100 %
采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
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电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修
b）高速模具加工的过程
两种模具加工过程比较
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金刚石刀具镜面切削
刀具刃口半径可达到纳米级水平，可实现切削厚 度为纳米级的连续切削 机理、特点 切削在晶粒内进行 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表 层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量
金刚石砂轮
（铁纤维结合剂）
电源
电刷
冷却液
＋－
进给
冷却液
图2-8 ELID磨削原理
使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂 轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削 力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解 修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
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2、超精密砂轮磨削技术
硬磁盘— 装在主轴
真空吸盘 上
接触轮
F-径向进给
V砂带
卷带轮
曲 面 等 （ 图 2-11 ） 。
图2-9 砂带磨削示意图
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➢ 几种常见砂带磨削方式
工件 接触轮 主动轮 工件 接触轮 主动轮
接触轮 主动轮
导轮
砂带
a）砂带无心外圆磨削 （导轮式）
工件
砂带
b）砂带定心外圆磨削 （接触轮式）
支承板 主动轮
36
谢谢
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用浮游的细小磨粒进行加工，并对磨粒作用部分所产生的热 有极好的冷却效果，对研磨时产生的微小冲击也有缓冲效果。 利用微细的磨刃、磨粒和聚氨酯研具研磨硅片时，可以得到 无损伤高质量的镜面。
（４）机械－化学研磨 机械－化学研磨加工机制是利用化学反应进行机械研磨， 有湿式和干式两种研磨方法。 （５）化学－机械抛光 化学－机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机 械作用双重作用的研磨方法。 不使用磨粒而只利用具有腐蚀效果的加工液进行摩擦抛光 的研磨，更适合化合物半导体晶片的加工。
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金刚石刀具
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立方氮化硼刀具
1957年美国通用电器(GE) 公司采用与金刚石制造方法相似的方法，合成 于第二种超硬材料——立方氮化棚(CBN)。CBN有单晶体和多晶体之分 ，即CBN 单晶和聚晶立方氮化棚( 简称PCBN)。CBN与金刚石的硬度相 近，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性。
② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可
在线修整
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3、 精密与超精密砂带磨削
➢砂 带 ： 带 基 材 料 为聚碳酸脂薄膜， 其上植有细微砂粒。
砂带轮
➢砂 带 在 一 定 工 作 压力下与工件接触
f-径向振动
并作相对运动，进 行磨削或抛光。
➢有 开 式 和 闭 式 两 种形式，可磨削平 面、内外圆表面、
金刚石车床 光学磁尺
10-1 超精密加工
10-2
10-3
精密磨床
电子比较仪
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
离子束加工 扫描电镜
1900
分子对位加工 电子线分析
1920 1940 1960 1980 2000
年份
仪
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精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）
工作进给速度：高规格的加工中心快速进给速度可达到 60m/min.
工作进给速度低于40m/min.
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3.超高速加工用刀具、磨具
超高速加工用刀具、磨具主要指超高速铣削 用刀具和超高速磨削用砂轮。
技术要求：较强的硬度和耐磨性、较高的强 度和韧性、高的耐热性和抗冲击性。
刀具切削刃主要材料：聚晶金刚石（PCD）、 立方氮化硼（CBN）、氧化硅陶瓷材料。
精密与超精密加工的地位
精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路 最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm
精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命 中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工 误 差 从 60μm 降 至 12μm ， 发 电 机 压 缩 效 率 从 89% 提 高 到 94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍
◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点：
➢ 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金 属用CBN）
➢ 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 ➢ 磨削力小，磨削温度低，加工表面好
◆ 砂轮修整：
➢ 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行
➢ 常用方法:
① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；
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•
活性抛光液和磨粒与工件 表面产生固相反应，形成
活性 抛光液
软粒子，使其便于加工。
• 机理：机械+化学作用， 称为“增压活化”。
工具运动方向 抛光工具
加压
工件
小间隙
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机械美学
精于心，美于形，在专注的平凡之路上，能够发 现旁人不易察觉的美好与快乐 数控机床设备并不是冰冷的机械，它们在精准与 秩序之中，蕴藏着力量与乐趣。
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4.超精密研磨与抛光 研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具之间通过相对 复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。 1、研磨加工的机制和特点 研磨加工，通常是使用在1μm到十几μm大小的氧化铝和 碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具之间并借助机床提供 的复杂运动，实现零件表面加工轨迹高度不重合。 研磨时磨粒的工作状态有以下三种： 1）磨粒在工件与研具之间进行转动。 2）由研具支承磨粒研磨加工面。 3）由工件支承磨粒研磨加工面。
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
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➢ 高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程
图4 热传导来自百度文库比图
➢ 减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为 “一次过”技术（One pass machining）。
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（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
高速切削加工医用药盒
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高速切削加工的关键技术
1. 高速主轴
动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和 加工质量的现代制造加工技术。
超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度 高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。
➢以切削速度和进给速度界定： 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。
➢以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
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在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线” 和高速切削理论。
图2 切削速度变化和切削温度的关系
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高速加工的特点
➢切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；
图 3 加工零件
2）静电植砂，磨粒 有方向性，尖端向 上（图2-12），摩擦 生热小，磨屑不易 堵塞砂轮，磨削性 能好。
磨粒 粘接剂 规格涂层 基带 静电植砂砂带结构
3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量 之比）高，有“高效磨削”之称。
4）制作简单，价格低廉，使用方便。
5）可用于内外表面及成形表面加工。
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磁浮轴承主轴结构
前径向轴 电主轴 后径向轴
前辅助轴 承
承
承
双面轴 向推力 轴承
后辅助轴 承
前径向传感 器
后径向传感 轴向传感
图18 磁浮轴承高速主轴 器
器
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2.快速进给系统
具有大的加减速度以及高的定位精度。 普遍采用交流伺服电机代替直流伺服电机。
快速进给速度：VCN510C-加工中心进给速度：36m/min. VMC650立式加工中心进给速度：10m/min. CAK6136V/750快速进给速度：7.6m/min
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2、抛光加工的机制和特点 抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件 进行抛光加工。但是，抛光使用是磨粒是1μm以下的微细磨 粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂、人造革、等 软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没 有的镜面。
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3、超精密研磨和抛光的主要新技术 （1）超精密研磨 研磨普通的硬脆材料时，由于有微细的破碎，生成的切屑 参于研磨。但是，如果研磨金属材料时，则没有破碎，而由 磨粒取代进行研磨。由于塑性变形生成切屑，利用微细的磨 粒研磨经热处理研化的金属材料和经烧结的超硬材料时，加 工单位变小，可用于抛光那样表面零件的加工。由于研具是 硬质材料，对工件来说，塌边越小，加工精度越高。 （2）超精密抛光 （3）液中研磨 液中研磨法是将经过超精密抛光或研磨的零件浸入在含磨 粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利