新一代制造技术-精密与超精密加工技术.ppt

1,先进制造技术,青岛科技大学机电学院,精密与超精密加工技术,2,主要内容,精密与超精密加工概念 精密、超精密加工设备 加工工具和被加工材料 主要加工方法 精密、超精密加工环境 超精密加工发展趋势,3,1. 概念,按加工精度，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工。 精密加工：加工精度（包括尺寸精度和形位精度）在0.11m，表面粗糙度Ra小于0.1m的加工技术； 超精密加工：加工精度小于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。,4,超精密加工是以高精度为目标的技术，必须综合应用各种新技术、且在各方面要求精益求精。实现超精加工的主要条件包括以下各方面高新技术： （1）超精密加工机床与装、夹具； （2）超精密切削刀具、刀具材料、刀具刃磨技术； （3）超精密加工工艺； （4）超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等） （5）超精密加工的测控技术。,5,2. 超精密加工的发展、应用,超精密加工技术是在20世纪50年代初美国用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。 1977年日本精机学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的要求，对机床的加工精度标准提出补充IT1和IT2两个等级（见下表），比原来最高精度等级IT0提高了很多。,6,近年来，超精密加工精度从0.1m提高到0.01m。随着大规模集成电路的发展及微机械的要求，人们期望达到甚至突破0.01m的加工精度，使超精密加工技术从亚微米级向纳米级发展。 1980年，美国国防部空军兵器研究所和LLNL实验室提出了POMA精度提高计划：将直径800mm的大型非球面反射镜的形状精度由1.5m提高到0.1m数量级以上。 当前已经有了纳米级加工记录，但还只是一种实验阶段的实验数据，用机械去除法加工还不能超越0.01m的界限。,7,近年来，超精密加工技术的应用呈每年翻一番的增长率，这标志着精密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体。图1为精密与超精密加工的应用。,图1,8,3. 超精密加工方法机理,根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。,图2 超精密加工方法、机理,9,4 精密、超精密加工设备,加工机床是实现精密、超精密加工的首要条件。要实现超微量切削，必须配有微量移动工作台的微进给驱动装置和满足刀具角度微调的微量进给机构，并能实现数字控制。 （1）主轴及其驱动装置：主轴是超精密机床的圆度基准，要求极高的回转精度，范围为0.020.1m；还要有相应的刚度以抵抗受力变形。主轴广泛采用空气静压轴承，主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动的系统。,10,（2）导轨及其驱动装置：导轨是超精密机床的直线性基准，精度要求达到0.020.2m。有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨、空气静压导轨，用的最多的是液体静压导轨、空气静压导轨。利用静压支撑的摩擦驱动。 （3）微量进给装置：用于刀具微量调整，保证零件尺寸精度。有机械式、弹性变形式、热变形式、电致伸缩式、微致伸缩、流体膜变形微量进给装置。,11,5 加工工具和被加工材料,加工工具主要是刀具、磨具及其刃磨、修整装置： （1）切削加工： 刀具材料：金刚石、立方氮化硼、陶瓷等 （2）磨削加工： 主要磨具：金刚石、立方氮化硼（CBN）等粉末砂轮 其修整比较困难 （3）研磨和抛光： 为获得高精度和低表面粗糙度，采用铸铁、聚酯、呢毡等材料作为研具或抛光器，采用金刚石、CBN、铬刚玉、氧化铝等磨料。,12,被加工材料 工件材料的化学成分、物理性能、熔炼、塑性加工、热处理等工艺都有严格要求； 金属材料各金属元素必须混合均匀，通过正确的热处理控制晶粒细化； 材料必须无气泡，加工后残余应力小，能长期保持尺寸精度稳定性。,13,6. 超精密加工的主要加工方法,要求如下： （1）高精度：包括高的静精度和动精度，主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。 （2）高刚度：包括高的静刚度和动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，同时应考虑工件、车床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。 （3）高稳定性：机床在使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作，应具有良好的耐磨性、抗振性等。 （4）高自动化：为保证加工质量，减小人为因素影响，加工设备多用数控系统实现自动化。,14,超精密切削,主要借助于锋利的金刚石刀具对工件进行车削和铣削，用于加工要求高表面质量和高形状精度的有色金属和非金属零件。 超精密车削可达Ra0.05m粗糙度和0.1m非球面形状精度。,15,镜面加工大直径光学镜头； 双立柱立式车床结构； 六角刀盘驱动； 分辨力：0.7nm； 定位误差：0.0025m; 低热膨胀材料组合技术，恒温液体冷却，液体温度控制在200.0005,美国Lawrence Livemore 实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石超精密车床,16,美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究，下图为日本一台比较理想的盒式超精密立式车床。,图3,17,超精密磨削,在一般精密磨削基础发展而来； 提供镜面级的表面粗糙度，保证精确的几何形状和尺寸。 加工对象：玻璃、陶瓷等脆硬材料。 砂轮修整技术非常关键，砂轮表面容易被切屑堵塞。 加工精度：0.01m圆度、0.1m尺寸精度、Ra0.005m表面粗糙度的圆柱形零件。 图例：英国四面体超精密磨床,18,19,超精密研磨、抛光,研磨、抛光均是利用研磨剂使工件和研具之间通过复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。 超精密研磨加工方法包括：机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工、磁力研磨。 球面度：0.025m；Ra0.003m，弹性发射加工可达Ra0.5nm。,20,21,机械零件外圆超精研机 3MZ系列超精研机以无心贯穿方式对轴承套圈、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针、油针、柱塞、阀芯等外表面进行超精加工。 本设备可在磨削的基础上显著改善表面质量，提高几何精度，具有高效率、高精度、高可靠性等特点，广泛应用于轴承、汽车、摩托车、油泵油嘴、液压件等行业，尤其适用于圆柱和圆锥滚子的凸度超精，通过导辊的特别设计与加工，可获得对数型、圆弧全凸型等多种滚子凸度形式。,22,23,无锡华康机床厂,24,7 加工环境,要求恒温、恒湿、洁净、隔绝振动 （1）洁净度：在高洁净室内进行加工，无灰尘。通常要求洁净度为100级（每立方英尺空气内大于0.5m的灰尘粒不超过100个）以上的洁净室。 （2）温度：环境温度控制在200.06之间。 （3）湿度：在4050RH之间。低于40，会产生静电，高于50会生锈。 （4）气流和压力：室内气流以均匀速度向同一个方向流动；室内压力高于室外，保持正压。 （5）振动：带防振沟的隔振地基；把机床放在地下室；使用隔振气垫。,25,8 发展趋势,不断探索新型超精密加工方法的机理。 向高精度、高效率方向发展。 研究开发加工、测量一体化技术。 在线测量与误差补偿。 新材料研制。 向大型化、微型化方向发展，分别满足航天、MEMS需要,26,超高速加工技术,超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为： 铝合金已超过1600m/min， 铸铁为1500m/min， 超耐热镍合金达300m/min， 钛合金达1501000m/min， 纤维增强塑料为20009000m/min。,一、技术概述,27,各种切削工艺的切速范围为： 车削7007000m/min， 铣削3006000m/min， 钻削2001100m/min， 磨削250m/s以上等等。 超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。,28,工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。 在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。 目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。,二 现状及国内外发展趋势,29,切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。 砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国GE公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。 90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。 因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。,30,在超高速切削技术方面，1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了20000rpm。 特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作，自八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。,31,瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达3600040000r/min，工作台快速移动速度为3640m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。,32,在高速和超高速磨削技术方面，人们开发了高速、超高速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削（即HEDG）、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削，这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及应用。 德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床，Vs达到140160m/s。 德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、因康镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。,33,德国Bosch公司应用CBN砂轮高速磨削加工齿轮齿形，采用电镀CBN砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺，加工16MnCr5材料的齿轮齿形，Vs155m/s，其Q达到811mm3/mm.s 德国Kapp公司应用高速深磨加工泵类零件深槽，工件材料为100Cr6轴承钢，采用电镀CBN砂轮，Vs达到300m/s，其Q140mm3/mm.s，磨削加工中，可将淬火后的叶片泵转子10个一次装夹，一次磨出转子槽，磨削时工件进给速度为1.2m/min，平均每个转子加工工时只需10秒钟，槽宽精度可保证在2m，一个砂轮可加工1300个工件。,34,目前日本工业实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心，1996年其无心外圆高速磨床上，最高砂轮磨削速度达250m/s。 近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。,35,三、“十五”目标及主要研究内容,1目标 超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达4060m/min，砂轮磨削速度达100150m/s；超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。,36,2主要研究内容 （1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。 （2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。,37,（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究