1第一章精密切削加工

Precision&Non-traditionalMachiningTechnology,精密与特种加工王贵成主编精密与特种加工,绪论,精密加工在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。,超精密加工在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,包括：精密切削加工及精密磨削加工、特种加工。精车、精磨1m普通加工精密加工：0.10.01m；(0.1-1)超精密加工0.010.001m(天然花岗岩铸铁钢英国OAGM2500大型精密机床:床身钢焊接结构，中间用人造花岗岩填充，减振性很好,空气的洁净度尘埃尺寸与加工精度相比已经不能忽略如：硅晶体表面的超精加工时，尘埃会划伤加工表面手术室：0.5m以上的微粒5万以上（一立方英尺）洁净度级别的上限浓度见下页表气流速度要低，微正压,洁净室温度、湿度、微粒、流速、压力、气流分布等对洁净室的要求：发尘量小：不带入（人员、物品）、不产生及时排除尘埃：排气、喷淋、防静电材料供给洁净空气,气流类型乱流型：成本低，效果差（带走粉尘颗粒）层流型：垂直、水平，垂直式从上向下流动，效果好正压控制分层次的局部环境：一层比一层洁净：一般环境、精密环境、超精密环境,局部净化例：计算机硬盘表面涂层高点的铲刮：宝石铲刮头与磁盘的距离0.4m，可以铲刮掉0.40.8m的高点，产生的粉尘由流动的空气带走，加工区罩在有机玻璃内。,湿度空气中水蒸气分压力与同温度下饱和分压的比值湿度高（50%），锈蚀、镜头霉斑，冷却水管结露，电路故障，硅晶体表面吸潮、吸附微粒（难清除）湿度太低（30%以下）材料变脆易燃、静电力造成微粒在物体表面吸附，半导体易击穿3545%为好湿度的波动要小：10%、5、2、1,其他环境光环境：天然光源照明质量高（天然+人工，提高照度，照度越高，能识别的尺寸越小）静电环境：击穿、颗粒吸附，电击人体抗静电的材料、涂层噪声环境,精密测量与误差补偿：闭环控制。测量精度比加工误差高一个等级、激光干涉仪、多次光波干涉显微镜、原子力显微镜、隧道扫描显微镜（分辨率0.01nm，能看到原子0.1nm）,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住（不脱离表面），再搬运到另一个地方放下。,*扫描隧道显微测量技术1981，二瑞士人，获诺贝尔奖可以观察物体表面埃级的形貌还可以移动原子、去除、重组量子力学的隧道效应：电极的距离缩小到1nm时，由于粒子的波动性，电流会穿过绝缘壁垒电流密度变化极端敏感，距离减小0.1nm，电流密度增加一个数量级环境：恒温、真空、防振等高测量-电流变化恒电流测量常用分辨率0.01nm,探针对准某个原子，并非常接近时，针尖可以带动原子移动而不脱离试件表面对准原子，加上电压，可以使原子电离蒸发，去除原子美国用STM进行光刻，0.01m线宽的电路,X射线干涉测量技术二束X射线，其中一束与被测物体联结一体，汇合后产生干涉条纹，被测物体移动，干涉信号变化，可以实现0.005nm的分辨率，位移测量精度0.01nm测量范围0.2mm速度最大值3*10-3nm,原子力显微镜非导体的测量探针与被测量的表面接近到埃级时，产生原子力，先是吸引力后是排斥力用软弹簧0.01N/m，保证探针与试样的恒距离同时用扫描隧道显微镜测量弹簧的位移分辨率0.01nm,电化学腐蚀断裂的瞬间，切断电流或机械剪切，形成尖峰,5、精密测量与误差补偿,6、被加工材料因素材质均匀性能稳定，无外部及内部微观缺陷化学成分误差在10-210-3数量级，不含杂质物理力学性能，强硬度、膨胀系数、热导率等稳定,关键技术机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）刀具：材料；刃磨精密切削机理：精密与超精密加工环境精密测量误差补偿工件材料组织及性能的精确控制。,二、精密与超精密切削加工分类,三、精密超精密加工的经济性生产高精度零件的经济性好如大型反射镜、多棱镜、陀螺仪,第一章精密切削加工,1-2精密切削加工机理一、切削变形和切削力1.切削变形过渡切削最小切入深度毛刺与亏缺微量切削的碾压过程,金属切削过程的变形,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,图3-2金属挤压与切削比较,刃口的圆弧半径远小于切削深度,过渡切削,最小切入深度：刀具能够切除工件材料的最小切削深度,等于或小于加工精度、反应精加工的能力取决于刃口圆弧的半径、摩擦系数,正交切削：切削刃与主运动方向垂直，垂直屏幕方向没有作用力水平力pzi垂直力pyi,刨削加工,水平分力使材料向前流动、切除材料垂直分力将材料压向基体，不能切除材料的运动方向能否切除表面材料取决于二力大小比较。力的来源：正压力N和摩擦力F,越小(正压力及摩擦力的方向越偏向下而非偏水平，合力与铅垂方向的夹角越小），合力向下偏当（各点的值不同）足够大时(切削层厚度足够大)，合力的方向就可能变为45方向,水平力pzi垂直力pyi时最大剪切应力为水平，可以形成切屑（找到i点二力相等的点，就可以得出）,minh（1-cos）,（1-cos）约为0.3=3nm，min1，62,minh（1-cos）在一定时，刀尖圆角半径越大，最小切入深度增大；反之刀具刃磨的越锋利越小，能够切削的最小厚度越小，切削精度提高。,直观地：摩擦系数较小，接近0时，角接近45，min最大。摩擦系数越大，min越小刃口圆弧半径越大，最小切入深度也越大,切削深度大于最小切入深度才能形成切屑左图：切除的金属层厚度不等于理论的切削深度,有没有最小进给量？一个切削周期内，最小进给量小于一定值不会产生切削作用，但进给方向的切削参数是可以累加的。,毛刺与亏缺：降低加工质量（精密加工需要考虑）,切削终端处的毛刺和亏缺：刀具前角的大小影响毛刺和亏缺,前角小,向下的推挤就越严重，易形成亏缺,前角大，塑性材料易形成毛刺,Ra值的30,副偏角也影响Ra跳动也影响Ra,滞留在工件边角棱等部位上，超出工件理想尺寸的多余金属材料影响尺寸精度，形状精度，影响精密加工质量的关键因素之一。,上世纪七十年代，开始对毛刺的专门研究,毛刺的有害作用降低工件的尺寸精度，形状精度，表面质量影响后续的加工定位降低测量精度影响装配影响操作安全毛刺脱落造成亏缺降低液压件气压传动件的工作效率降低机器的使用可靠性，如电气短路等去除毛刺降低加工生产率,亏缺,微量切削时的碾压,的范围内，实际前角0，挤压摩擦作用强烈,切削厚度变化：0max，接近0时，挤压摩擦作用强烈,主切削刃：切削平面内碾压，切削力增加，工件，刀具变形增加轴的半径方向碾压,刀尖在轴向碾压，已加工表面残余应力切削力也增加,精密超精密加工的刃口圆弧半径相对切削厚度较大，所以碾压作用更明显，单位切削力增加，工件刀具变形严重，刃口圆弧半径减少，有利于降低切削力刀尖圆弧半径越小也有利于减少残余压应力。,刀尖处的碾压,主偏角、负偏角在圆弧段小于理论值、且是变化的挤压；切削厚度也是变化的：0max，接近0时，挤压摩擦作用；碾压在微量切削时作用大、对表面质量影响大；工件变形影响加工精度。,2.切削力18切削力的来源3个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力前刀面上的正压力及摩擦力后刀面上的正压力及摩擦力,Fx,Fy,前刀面上的力,后刀面上的力,合力及合力分解水平及垂直力,水平力分解为Fx、Fy,切削力的合成与分解,2.切削力的分解主切削力、径向切削力、轴向切削力,Fy,Fz,Fx,2.切削力（为何要把切削加工分成粗加工、半精加工、精加工三个阶段）影响因素切削速度进给量切削深度刀具材料工件材料,2.切削力影响因素切削速度无积屑瘤时使用切削液、或速度很低、很高对硬质合金刀具：刃口圆弧半径大，前刀面受力小（切屑不流经前刀面，与前刀面没有挤压变形及摩擦）；刃口圆弧对工件的挤压为主；切削速度对切削力影响小,对金刚石刀具：刃口圆弧半径小，前刀面受力较大，切削速度增加，前刀面受力减小，总切削力减少。,刀具不锋利时，切削速度对切削力的影响很小；刀具锋利：切削速度增加，切削力降低；刀具越锋利，切削力越小,有积屑瘤时：低速时，积屑瘤高，切削力大，速度增加，积屑瘤高度降低，切削力降低。与常规切削加工相反。,常规切削加工：积屑瘤高，切削力小。,常规切削加工积屑瘤对切削力的影响,积屑瘤成因,一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化,滞留粘接长大,积屑瘤对普通切削加工的影响,增大前角，保护刀刃粗加工影响加工精度和表面粗糙度,精密切削加工时，积屑瘤造成实际：刃口半径增加，切削深度增加，摩擦严重积屑瘤粗糙、摩擦系数大,精密加工：不允许积屑瘤产生，使用切削液,为何低速干切硬铝，表面粗糙度值大？,积屑瘤高度大,进给量对切削力的影响(硬质合金刀具),Fz随进给量的增加明显当进给量小时，FzFy,对Fz影响大,2.切削力影响因素进给量增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能径向切削力Fy（刃口半径小，碾压轻）精密切削时，进给量远大于切削深度，所以进给量对切削力的影响远大于切深,一般主切削力最大,切削深度对切削力的影响(硬质合金刀具),切削深度对切削力的影响(金刚石刀具),对Fz影响大,对Fz影响大,2.切削力影响因素切削深度增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能径向切削力（刃口半径小，碾压轻）,一般主切削力最大，但精密切削时，当切削用量与刃口半径比小时，主切削力可能径向切削力此外，一般切削加工，切削深度对切削力的影响大，但精密切削时，进给量远大于切削深度，所以，进给量对切削力的影响大于切削深度。,锋利的车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刃口半径越小，刀刃越锋利，切削力越小。背吃刀量很小时，刃口半径增加，切削力增加更显著。背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变形已经占到总切削变形的很大比例，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。背吃刀量很小的精切时，应该采用刃口半径很小的的锋利金刚石车刀。,刀刃锋锐度对切削力的影响,刀具锋锐度对加工表面残余应力的影响,刃口半径越小，残留应力越低背吃刀量越小，残余应力越小；但背吃刀量减小到一定临界值时，背吃刀量越小，残留应力越大,传统切削加工对切削力影响的大小：apfv精密加工：f的影响大（ap影响小，f的绝对值比ap大得多）精密加工：当切削深度及进给量与刃口圆弧半径比较小时，主切削力Fz可能小于吃刀抗力Fy非金刚石刀具,2.切削力影响因素刀具材料、刀具结构、工件材料金刚石刀具：切削力小原因：刃口半径小，碾压轻；与被切削材料摩擦力小其他刀具：切削力较大,第一章精密切削加工,二、切削热和切削液切削热：刀具磨损、生产率、加工质量切削热的来源：变形（弹、塑性）及摩擦切削温度：切屑、工件、刀具接触面的平均温度。精密切削：刀尖受力大，温度高,常规加工切削温度及分布,切削塑性材料前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料后刀面靠近刀尖处温度最高。,温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；,精密加工时，刀尖受力很大、温度最高。因为：工件材料的变形不依靠位错的移动，而是晶面的整体移动，变形抗力很大，接近晶体的理论强度,二、切削热和切削液切削热的影响及控制热变形误差占总误差的50左右如100mm的铝件，温度变化1，产生尺寸变化2.25m。而精密加工的精度要求可以达到0.1m，所以要求温度变化很小。0.05（0.12.25）生产中采用切削液控制温度、此外刀具角度及切削用量也影响切削温度切削液的冰水冷却、多层恒温系统、加工前的恒温、加工过程中的冷却,切削液及作用,精密加工的切削液：豆油、橄榄油、煤油、氯化石蜡、二烷基二硫化磷酸锌、酒精等渗透、吸附减少摩擦形成物理膜豆油较好化学吸附膜氯化物、硫化物等可能与刀具反应，降低刀具的表面质量降低加工质量吸附膜不完整作用：除降温、润滑、清洗、防锈外，精密切削还有以下作用：抑制积屑瘤减少刀具磨损，提高刀具耐用度,三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度难点：晶面的确定（哈工大激光方法测量）、刃磨、测量刀具磨损形式/主要是：机械磨损、粘结磨损、相变磨损、马氏体变为珠光体扩散磨损、碳化磨损、破损(晶面解理劈开),金刚石刀具：机械磨损、破损(晶面解理劈开)碳化磨损（很少）1、机械磨损：硬质点、切屑磨损刃口圆弧半径增加成为斜面副后刀面上的阶梯磨损前刀面上的磨损凹槽机械磨损及微观破损，机理都是微观的解理断裂,金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带,零件工作中的磨损，和磨削加工中的磨损有何不同？,金刚石刀具的耐用度与切削速度无关,金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合由于实际测量不便，所以金刚石磨钝的标准是工件的表面质量能否达到要求。,后刀面前刀面*10000倍,金刚石刀具的耐磨性最好,直线刃刀具副后刀面的阶梯磨损,前刀面的磨损：加工Al合金，100km切削距离，前刀面磨损0.1微米,比例尺不同,20km后，Ra仍在0.01m以下，加工质量很高美国LLL实验室的试验,单晶金刚石车刀,三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度2刀具破损冲击、振动加工裂纹疲劳破坏破损碎裂：冲击、振动(精密机床)解理：密排面间的断裂，（100）晶面作前后刀面好,金刚石刀具,精密切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,（二）常见的晶格类型,金刚石刀具的结构切削部分的几何形状前后刀面的选择金刚石刀具的固定方法,刀头形式：a尖刃：强度低，易磨损，加工质量低。不用。b小圆弧刀头：刃磨对刀困难。c、d、直线刃（多棱刃）刀头：刃磨方便、对刀困难；表面质量好，Ra0.02以下；直线刃0.1-0.2mm、国内用e、圆弧刃：安装方便、刃磨难、加工残留面积小（进给量很小），国外用。f、单直线刃：加工安装难、残留面积最小。径向分力大、磨损快，少用。,主偏角30-90，多用45,天然圆弧刃金刚石刀具是加工球曲面、非球曲面零件的重要工具,由于金刚石各向异性,使圆弧刃刃磨技术成为金刚石刀具制造中的难点和关键。,金刚石刀具的前后刀面前后角：要求大的楔角，保证强度；前后角越大，加工质量越好；前角0-5后角5-8刀面（100）（110）（111）不用（111）易破损用（110）（100）为多：易加工研磨、耐用度较好,单晶金刚石在小刀头上的固定方法：机械加固法(将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上)；大颗粒粉末冶金法(将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上)；小颗粒粘结和钎焊法(使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石)。钎焊技术保密,金刚石刀具刃磨通常在铸铁研磨盘上用金刚石粉进行研磨预加工晶向选择应使晶向与主切削刃平行圆角半径越小越好（理论可达到1nm）刃磨和晶向选择二个难点,过程：粗研、精研、精抛等阶段,表1金刚石的物理性能物理性能-数值硬度10000，随晶体方向和温度而定抗弯强度-210490MPa抗压强度-15002500MPa弹性模量-(910.5)1012MPa热导率-8.416.7J/cms质量热容-0.156J/(g)(常温)开始氧化温度约630开始碳化温度650(在惰性气体中)和铝合金、黄铜间的摩擦系数-0.050.07(在常温下),天然金刚石：透明（贵）、半透明、不透明无色、浅绿、浅黄、褐色（硬度最高）,金刚石超精密加工技术应用用于铜、铝及其合金精密切削（不能切铁合金，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）,金刚石刀具适合切削的材料,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,精密与超精密加工技术,图金刚石车床及其加工照片,加工4.5mm陶瓷球,T形布局,3.磨损对加工质量的影响：金刚石刀具机械磨损很微小、刀具表面保持很光滑，对加工质量影响很小。,磨损不到12m,Ra基本不变，在0.08左右,磨料磨损时的情形,修光刃,4.刀具磨损三阶段：初期、正常、急剧磨损,金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带,金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合,磨钝极限：工艺磨损极限：根据加工质量确定合理磨损极限：根据磨损量确定耐用度：金刚石刀具耐用度：切削路程的长度表示几百公里避免振动、冲击等造成崩刃细小的崩刃超硬刀具,第一章精密切削加工,1-3精密切削加工机床及应用一、精密机床发展概况二战后、美国、导弹、核技术，早在20世纪50年代末，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。,1984年:大型光学金刚石车床(LargeOpticsDiamondTurningMachine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工设备的最高水平，该机床可加工直径为2.1m，重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨，在1.07m1.12m范围内直线度误差小于0.025m(在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013m(激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.057(通过两路激光干涉仪测量，压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统，不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在（200.0025）。采用摩擦驱动，运动分辨率达0.005m。最终可实现加工大型光学零件直径达1.4m，面形精度为0.025m，表面粗糙度Ra5nm。,进入80年代后，随着民用光学应用范围的扩大，超精密加工技术在民用行业得到了应用。高精度、高效、大型、微型化发展中国，60年代开始，8/90年代出成品、欧美国家开始解禁,正在进行加工的Nanosys300非球面复合加工系统,精密机床的特征,高精度：高静态精度，高动态精度。包括几何精度、定位精度、重复精度及分辨率高刚度：静态刚度、动态刚度、接触刚度工件、机床、刀具夹具等整个工艺系统的刚度高稳定性：保持精度、耐磨性、抗振性、热稳定性等高自动化：质量的一致，人为干扰的减少,1、按加工方法分：超精密切削机床超精密磨削机床超精密研抛机床超精密特种加工设备2、按通用化程度分：专用超精密加工机床通用型超精密加工机床,超精密切削机床：采用天然金刚石刀具加工软金属材料超精密磨削机床：加工黑色金属及硬脆的陶瓷、半导体材料超精密研抛机床：机床的精度不高，依靠特殊的原理方法加工，如弹性发射抛光、磁性抛光等超精密特种加工机床：加工难加工的材料和形状，微细加工等,1-3精密切削加工机床及应用二、精密机床的精度指标主轴、导轨、进给驱动三方面普通机床：径向跳动导轨直线度0.01mm、0.02/1000mm精密车床：0.003mm(3m)0.01mm/1000mm超精密车床：0.5m0.25m/250mm,超精密机床的精度指标,零件精度要求与精密机床精度关系,机床回转跳动为零件尺寸精度的1/4、进给误差与工件形位误差接近工件粗糙度为工件精度的10,精密机床精度等级和指标,精密与超精密加工的关键技术（基本条件）机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）旋转精度液体静压轴承、空气静压轴承导轨滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨微量进给电致伸缩或弹性变形式,超精密加工机床的关键部件超精密主轴超精密床身及导轨超精密进给驱动部件超精密微量进给装置超精密运动检测系统超精密数控系统,第一章精密切削加工,1-3精密切削加工机床及应用三、精密主轴部件液体静压轴承主轴空气静压轴承主轴主轴的驱动方式静压轴承的原理：轴颈和轴承被外界供给的一定压力的承载介质完全隔开，从而减低轴颈和轴承间相对摩擦、振动,内腔用电火花共轭回转加工浅槽用离子束加工,液体静压轴承,液体静压轴承主轴,径向轴承,止推轴承,真空吸盘,液体静压轴承主轴压力0.6-1.0MPa,主轴实物,液体静压轴承优点：无固体摩擦摩擦力小、运动平稳无振动（滚动轴承有误差振动）刚度和承载能力强变形、振动小，保证加工质量液体静压轴承的缺点：油温升高，（速度变化，温升也变化）主轴热变形强制冷却（对油和轴承冷却）油内气泡会降低轴承的性能加大压力6-8MPa,气体静压轴承,止推轴承,径向轴承,气体静压轴承：回转精度高、运转平稳、振动小无固体摩擦，摩擦小、温升小使用寿命长,可以在极高和极低的温度、速度下,以及辐射环境中工作,因此在航空、航天领域以及精密测量和惯性测试设备上得到广泛应用。,单边间隙6-15m空气静压轴承的缺点：刚度和承载能力差可以满足超精密加工；多孔质气体静压轴承能明显提高轴承的承载能力,超精密空气静压轴承主轴,水静压轴承与油静压轴承相比，发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。,超精密机床主轴和轴承的材料材料选择的原则考虑不易磨损，偶尔的不通气会发生接触转动，材料不易腐蚀生锈，空气轴承无润滑剂，工作空气干燥，但不工作时潮湿空气会进入材料要稳定且线膨胀系数小温升仅1-3，仍然会影响正常工作精度，主轴和轴承应选用线膨胀系数小，接近的材料，且可以用恒温油喷淋降温。制造空气主轴和轴套的材料：38CrMoAl，表面氮化、低温稳定处理不锈钢多孔石墨和轴承钢,轴向轴承,径向轴承,电机,径向轴承,轴向轴承,利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。高速、真空、超净等特殊环境,主轴的驱动方式电动机带传动驱动电动机柔性联轴器驱动内装式同轴电动机,电动机带传动驱动无接缝丝带动平衡、无齿轮（减少振动）、直流或变频电机调速早期的驱动方式,带轮径向及止推轴承电磁联轴器径向轴承轴球轴承,电磁联轴器,电动机柔性联轴器驱动（如电磁联轴器减少振动）电机、主轴同轴线；回转精度高、超精密机床用柔性联轴器可以消除安装误差引起的振动和回转误差电机严格的动平衡应用最多,电磁联轴器,内装式同轴电动机：定子主轴箱；转子主轴空气轴承、无刷电机（减小摩擦振动）、电机强制冷却无丝带、无联轴器,无刷电机是利用位置传感器感应到转子的具体位置，然后控制触发电路，依次触发均匀分布于定子上的由晶体管控制的多相绕组（一般为三相），使之产生类似于“旋转磁场”的动磁场，在转子上产生感应电流后使之产生转矩。,电机无轴承，依靠主轴的空气轴承支撑；主轴采用水冷却,四、床身和精密导轨部件机床要求：高稳定性各部件尺寸稳定尺寸稳定性好的陶瓷、花岗岩、铟钢、合金铸铁零件要消除应力、时效、冷处理、缓冷刚度高、变形小、抗振减振运动件的位置的变化（如刀架）、工件的装卸、受力的变化变形要求高刚度接触面接触良好、接触刚度高，变形小,接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。,1.材料/优质耐磨铸铁、花岗岩优质耐磨铸铁：膨胀系数小、耐磨、减振、易生锈花岗岩（多用）：稳定性、膨胀小、耐磨（硬度高）、减振、耐腐蚀吸潮变形（岩石）、加工困难（铸石）人造花岗岩：树脂黏结花岗岩颗粒，可以浇筑成型，吸潮性小，减振更好切削磁盘基片的机床，采用铸铁床身，变形0.1um，采用树脂混凝土几乎测不到变形氧化铝陶瓷、合金铸铁、铟钢、零膨胀玻璃。,花岗岩由石英、长石（铝硅酸盐）、云石等组成大理石又称云石（云南大理石），是重结晶的石灰岩，主要成分是CaCO3,CF5日本新型铸铁普通FC20铸铁,新型铸铁的性能,2.导轨结构形式：,2.精密导轨结构形式：滚动导轨进给速度低，振动小液体（气体）静压导轨、气浮导轨滚动导轨：直线滚动轴承、再循环滚动组件(滚柱、滚珠滚道凹陷提高承载能力12倍）,滑动摩擦导轨的特点：结构简单接触刚度大摩擦阻力大磨损快易产生爬行（周期性时停时走或时慢时快的运动现象）,滚动摩擦导轨的特点：摩擦系数小定位精度高（可微小的位移）磨损小，寿命长，润滑简便结构较复杂，加工较困难，成本较高对脏物及导轨误差敏感,速度,1）滚动导轨,再循环滚动导轨块,第一章精密切削加工,预紧螺钉：保证侧面导向准确,滚动摩擦导轨,2）静压摩擦导轨特点：摩擦系数很小没有磨损承载能力大，刚度好摩擦发热小抗振性好，液体可压缩结构复杂,第一章精密切削加工,液体静压导轨（进给速度比主运动低、适用）刚度高、承载能力强、运动精度高、平稳无爬行,平面型：多用,双圆柱型（二圆柱的平行度低）,液体静压导轨,气浮导轨：高压空气使得运动件浮起，承载能力强导轨要自重大,空气静压导轨上下左右都有高压空气，刚性好,气浮导轨、空气静压导轨：很高的直线运动精度、平稳，摩擦接近零，不发热，应用广泛,空气静压导轨是目前最好的导轨，但若不能保证防尘条件，则须改用液体静压导轨,第一章精密切削加工,五、进给驱动系统精密数控系统滚珠丝杠副驱动液体（空气）静压丝杠摩擦驱动微量进给装置,第一章精密切削加工,五、进给驱动系统精密数控系统需要纵向和横向的双坐标精密进给联动精密回转工作台，其上的金刚石刀具始终垂直被加工的曲面，减少圆弧刃刀具可能带来的误差分辨率很高（国外禁运，买不到）单脉冲移动量0.01m，闭环控制加工高精度的空间曲面直流或交流伺服电机、精密的双频激光测量系统,正在进行加工的（三零三所研制的）Nanosys-300Nanosys300非球面复合加工系统,2.滚珠丝杠副驱动：丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动丝杠的螺纹槽精密磨削,滚珠螺杆支撑座),滚珠丝杠轴承,2.滚珠丝杠副驱动,可以实现微进给启动力矩极小,不易出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性已有标准的产品，选用方便,2.滚珠丝杠副驱动,摩擦小，滑动丝杠副的1/3需注意爬行，注意微小振动要求正反转无回程间隙，有一定的预载过盈螺距误差0.51m，累积螺距误差35m/300m不同位置的预应力不同；预紧力太小有间隙，太大卡死；都有激光检测反馈消除累积误差，但螺距误差造成丝杠副松紧程度变化，进给运动不稳定（丝杠和螺母的配合松紧有变化），仍有相当多的超精密机床使用。,滚珠丝杠传动副的联接丝杠伺服电机螺母工作台（溜板）相连螺母和工作台可以柔性联接，以减少滚珠丝杆径向和轴向跳动对导轨直线度的影响，柔性联接过渡块在导轨直线运动方向刚度很大，而和直线运动方向垂直的方向的刚性很低，滚珠丝杠的跳动被柔性过渡块吸收。,静压丝杠丝杠与螺母由于不直接接触，而是有一层高压液体膜或气膜相隔，所以没有由于摩擦而引起的爬行和反向间隙，因此可以长期保持精度，进给分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高进给精度，在较长的行程上可以达到纳米级的定位分辨率。运动平稳。但是静压丝杠装置较大，结构复杂，且必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，另外还存在环境污染问题。应用较少。液体丝杠副的间隙大些、气体丝杠副的间隙小,3.空气静压丝杠：运动平稳、刚度低；变向时有空行程(可压缩）；进给精度高，维护容易，加工难,3.液体静压丝杠：进给精度高，运动平稳、装置大，辅助设备多和维护难，油污染,五、进给驱动系统4.摩擦驱动使用效果优于滚珠丝杠,精度高，结构简单。需要适宜的预压和管理,一个重要问题是预压，若预压力过小，则接触面有可能产生滑动；若预压力过大，由于弹性变形，则很难实现正确的驱动。另外由于预压力的存在，还容易产生磨损问题。,技术难点：超精密机床在精切时，导轨的运动速度极低，摩擦轮直径很小，结构设计很难二个摩擦轮最好都采用静压轴承，结构体积较大，设计难度高目前国外大型超精密机床采用摩擦驱动，导轨直线运动精度高，运动平稳。,5.微量进给装置作用：进给（更主要的是切深方向）误差补偿加工曲面0.0010.01m（1-10nm）,设计要求：精微进给和粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨力和稳定性运动部分必须是低摩擦和高稳定性的，以便实现很高的重复精度末级传动元件必须有很高的刚度、即夹持金刚石刀具处必须是高刚度的为了进给机构内部连接可靠、尽量采用整体结构或刚性连接，否则为了进给机构很难实现高的重复精度工艺性好，易制造。进给机构本身各部分的精度，应是能够制造的精度微量进给机构具有很好的动特性，即具有很高的频响。能自动控制,第一章精密切削加工,微量进给装置机械传动或液压传动弹性变形式：成熟技术热变形式流体膜变形式磁致伸缩式电致伸缩式：成熟技术，应用最多,稳定可靠、重复精度高，适合手动分辨率0.01m，重复精度0.02，最大行程20m，刚度70N/m。变形与切削力有关，弹性元件要求足够的刚度,电致伸缩式传感器微量进给装置,三大关键技术：电致传感器、微量进给装置的机械结构、驱动电源传感器材料：压电陶瓷有逆压电效应电致伸缩效应变形量和电场强度的平方成正比，和表面的电荷量成正比,电致伸缩传感器的电压-伸长量的关系,优点：能实现高刚度无间隙的位移能实现极精细的微量位移，分辨率12.5nm变形系数较大足够的变形很高的频响，响应时间100微秒没有空耗电流发热问题,陶瓷片一侧通正电，一侧通负电，陶瓷片变长，电压大，伸长量大为增加总伸长量，多片陶瓷叠加二片一对，中间通正电，二侧通负电。四川研究所的传感器：耐压强度低、会蠕变美国生产的新型陶瓷性能最好,动特性好（加工非轴对称工件），可自动化电压增加，长度增加,二片一组、中间接正电、二边接负电；多片叠放获得需要的运动量。,电压变化时变形量滞后,变形与极性无关；也有滞后，但很小,电致伸缩式微量进给装置的机械结构要求：刚度较高，自振频率高大于300Hz（反应不能太慢）；位移时无摩擦,外侧面：薄壁，开孔，开槽刚性低，易随电致伸缩传感器变形,美国LLL实验室的微量进给装置位移部分380g，分辨率2.5nm，最大位移1.27m/100v,英国公司超精密机床的微量进给装置,整体结构的电致伸缩微量进给装置,整体结构避免装配接合面的接触刚度对位移精度的影响。传感器后端有调节螺钉预紧钢球保证传感器二端受力平行使用15cm长度的美国AVX公司电致伸缩传感器，分辨率0.01，最大位移5.2微米，系统在200Hz下正常工作。,电致传感器的电源,良好的动特性、高度的稳定性、和极小的波纹系数波纹系数:直流电中交流分量和直流电压之比称为波纹系数,多用来衡量滤波品质.,波纹电压,铁电材料：其最基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，伴随产生尺寸变化,对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷水晶,1-4在线检测与误差补偿技术一、概述保证零件加工精度的途径蜕化（母性）原则机床的精度高进化（创造性）原则误差补偿（机床精度低于工件)在线检测、误差补偿技术：双频激光随机检测系统，闭环控制测量误差小于0.1m,在线检测（主动检测、动态检测）能连续检测加工过程的变化补偿检测结果能反映实际加工过程中的状态（如工件的热变形的大小）技术难度高特点：非接触式电容测距离、圆度；激光测距、角度；红外线（测温）自动化检测（信号采集、处理、反馈）,精密测量的环境条件：恒温：标准温度20，隔振条件：避免振动带来的误差气压、自重、运动加速度和其他1m的钢棒真空长0.3m100mm长的钢棒垂直放置短0.002m在线测量时，运动加速度影响尺寸、形状,量具材料的选择：根据材料的热膨胀系数选择恒温室内：用小膨胀系数的材料车间内：材料与被测材料的热膨胀系数相近（量块常用淬火轴承钢，硬质合金反而不好）根据材料的稳定性和耐磨性选择用GCr15制造的量具，硬度高、耐磨。但因残余奥氏体的分解，0.02m/100mm年用38CrMoAl尺寸稳定,分光镜分激光为两路，分别测量纵向、横向的进给。,纵溜板,横溜板,分辨率0.01m,安排在花岗岩床上的后侧面,图7-34双频激光测量系统,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量（扫描隧道显微镜做不到），在线测量，并易于实现测量自动化。激光在线测量精度目前可达0.01m-10nm,激光测量,二平动+转动,三坐标测量机用激光位移测量系统,分光镜分激光为三路实现加工、测量的自动化（在FMS柔性制造系统中装备较多）,几十秒内可以完成粗糙度的测量，并画出形貌可以测量尺寸精度形位精度、表面粗糙度测量效率极高。,美国LLL国家实验室LODTM,对于大部件的运动，为防止歪斜，用多路激光测量其运动大溜座1.8吨、刀座200kg，氦氖激光器7路双频激光测量系统可以得到刀尖的空间精确位置，反馈、提高加工精度,X方向四路激光,刀架上下运动，三路激光,哈工大：电容传感器检测误差误差补偿可以减少误差20-40%,1-5典型精密与超精密机床,1、UnionCarbide公司的半球车床1962年，100半球，精度0.6m，Ra0.025m空气轴承主轴：回转精度0.125m多孔石墨衬套,主轴,刀架,刀架轴,主轴,径向、轴向,工件,进气孔,止推板,调整螺钉,外壳,空气轴承,径向推力空气静压轴承主轴,圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承,结构简单，前后径向轴承的同轴度、径向与轴向轴承的垂直度要求很高，制造工艺水平很高,多孔石墨轴衬代替输入空气的小孔节流，在没有高压空气的时候，主轴和轴套不会咬死。,多孔石墨组织均匀，各处透气率相同，制造技术难度很高,2、Ex-Cell-O公司的2m镜面立车,1976，空气轴承、,主轴回转精度约0.1m轴向圆跳动0.15m，2000r/min，8小时，温升5.6,加工激光核聚变所用的金属反射镜,径向轴承圆弧状，自动定心,3、美国LLL实验室DTM-3大型精密车床1983，纳米级位移、流体温度200.0006，空气温度200.005,p25图,数控系统激光测量静压轴承摩擦驱动进给压电微量进给精密温度控制流体温度控制DTM3及LODTM最先进的大型金刚石精密车床,加工光学零件的大型光学金刚石车床（LODTMLargeOpticalDiamondTurningMachine）,造价1300万美元加工最大直径1200mm最大重量4500kg,LODTM由美国国防部高等研究计划局投资，LLL实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制,空气隔离垫需要自动找水平的控制系统，检测其水平变化，通过改变气垫内的压力实现。技术难度很高。,中小型a方案，LODM采用b方案（机床重心低，刀具受外界振荡影响产生的振幅小）,4、美国Pneumo公司的MSG-325型超精密车床,T形布局，主轴下有导轨，作Z向运动，刀架溜板作X向运动，二个方向的运动互不影响,空气主轴的径向跳动，轴向跳动小于0.05,花岗岩床身、溜板、床身7t的2m*1.2*0.6的花岗岩，气浮导轨,滚珠丝杠、分辨率0.01的双坐标精密数控系统驱动,双频激光检测位移，闭环控制精密的圆弧刃刀具，加工非球曲面反射镜,英国1991年OAGM2500大型超精密机床,5.英国OAGM2500大型超精密,用于X射线天体望远镜的大型曲面反射镜的精密磨削和坐标测量。,有高精度回转工作台；由精密数控系统驱动；,导轨采用液体静压，磨轴头和测量头采用空气轴承,床身结构高刚度、尺寸高度稳定，有很强的振动衰减能力。,6、日本TOYOTA公司的AHNIO车削、磨削精密机床,加工非球曲面、可车铣磨，,加工钢制模具形状精度0.05m，Ra0.025,刀架可x前后、y上下二向移动，工作台可转动，刀尖放大显示在屏幕上,刀架X及Y向平动，及转动,磨头,主轴,机床主轴由空气轴承支承，,砂轮轴转速为100000r/min，,采用激光测量反馈系统，,直线移动分辨力为0.01m，定位精度全行程0.03m，,工作台B轴回转分辨力为1.3。,日本以微电子、光电子、民用光学设备和通讯设备制造为背景，大力发展中小型超精密加工机床，和美国并驾齐驱,多功能和高效专用机床以及微电子、家电领域处于领先地位。,日本在声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，具有优势，甚至超过了美国。,日本数码相机使用了非球面透镜，1枚非球面透镜至少可替代3枚球面透镜,1.6超精密切削加工简介,精度0.01m（0.1以下），Ra0.01m一、超精密切削加工发展概况与应用20世纪60年代军事：导弹火控系统、精密雷达、哈勃望远镜、激光核聚变系统、惯导级陀螺民用：高密度磁盘、磁头（Ra0.1nm以下）、超大规模集成电路精密机床、精密仪器、录象机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术要求：机床、刀具、检测、误差补偿、加工环境,二、超精密切削加工的特殊性1、切削层极薄，切削速度对金刚石刀具的磨损影响小主运动的转速避免机器共振，低、高速都可以得到高质量。避免积屑瘤：很低、或高速可以径向切削力往往大于主切削力2、工件材料的成分、组织、性能对加工质量影响大组织不均匀、晶粒粗大、与金刚石刀具亲和力大、残余变形、残余应力对加工质量产生影响,材料对超精密加工的影响：表面出现不纯物，造成不规则的空穴和划伤结晶的晶界出现阶梯加工工件有残留变形和应力对金刚石刀具有亲和力措施：高纯度合金元素（如99.99%Al）高真空冶炼高速冷却长时间再结晶退火（晶粒不均匀，对Ra影响很大）,1-7精密与超精密切削技术应用,一、磁盘基片的精密切削飞行高度0.3m，要求Ra0.015以下，加工方法：研磨、抛光、超精密车削玻璃铝合金，表面涂磁粉车床床身为花岗岩，热变形小，减振好；主轴采用空气轴承，带传动；从内向外恒速切削（自动变速系统）导轨：空气静压导轨磁性联轴器、内装电机主轴减少振动喷淋控温,切削工艺：切削速度：500m/min以上，太低易产生积屑瘤，进给量小，质量好，f小于0.02mm/r切削深度：0.01mm冷却润滑：喷煤油202真空吸盘夹紧,二、光学元器件的精密切削,六个棱面的精度要求最高,玻璃材料采用研磨，生产率低,有色金属或塑料，可以车削,二个主轴：一个可以夹持工件精确分度，另一个带动刀具切削，空气轴承；空气静压导轨,镜面粗加工可以用聚晶金刚石刀具，精加工用单晶金刚石刀具（直线刃最好，有挤光的作用）恒温、减振（空气弹簧垫）效率为研磨加工的几十倍,平面镜的切削,三、晶须铝基复合材料的加工聚晶金刚石刀具切削效果较好，Ra可以达到0.01硬度高、耐磨性好，摩擦系数小、热导率高刀具磨损机理：粘着磨损及机械磨损,四、陶瓷材料的精密切削指特定的陶瓷：可以切削加工的陶瓷硬度依然很高，刀具磨损快；工件表面易产生微裂，表面质量不高刀具材料以金刚石及CNB为好,日本球形反射镜的加工,精密加工的零件,精密加工的实物,微细加工概述,1.精密机械仪器仪表零件的微细加工2.电子设备微型化和集成化的需求3.大规模集成电路的制作技术,六英寸的飞机,44克的小飞机,六英寸直升机（HR-1)_1,微型涡喷发动机_1,微型涡喷发动机_2,大小：5510mm,微细加工方法,微型马达，轴径0.1mm，转速1200,微型齿轮，外径0.1125mm,微细加工的概念,微细加工技术是指微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来说，微细加工包括：切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等。从狭义的角度来说，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，是大规模集成电路和计算机技术的基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。在微细加工时，由于加工尺寸很小，精度是用去除材料大小的绝对值来表示，引入了加工单位尺寸的概念。加工单位尺寸简称加工单位，它表示去除材料的大小，例如：原子加工单位表示能去除一个原子。,微细尺寸加工和一般尺寸加工的不同点,1.精度的表示方法一般尺寸加工时，精度是用加工误差与加工尺寸的比值来表示的。在微细加工时，精度是用尺寸的绝对值来表示的。2.微观机理一般加工允许的吃刀量比较大，切屑比较大；微细加工，由于强度和刚度都不允许有大的吃刀量，切屑很小。当吃刀量小于材料晶粒直径时，切削就得在晶粒内进行。3.加工特征一般加工多以尺寸、形状、位置精度为加工特征，微细加工却以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。,微细加工的特点,1.微细加工和超微细加工是一个多学科的制造系统工程2.微细加工和超微细加工是一门多学科的综合高新技术3.平面工艺是微细加工的工艺基础4.微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密5.微细加工技术和精密加工技术的互补6.微细加工检测一体化,微细加工的机理,一、微切削去除机理,微细切削去除时，为保证工件尺寸精度要求，最后一次的表面切除层厚度必须小于尺寸精度值。由于工件尺寸小，切屑必须很小，因此吃刀量可能小于材料的晶粒大小，切削就在晶粒内进行，这时称之为微切削去除。在微切削去除时，切削力一定要超过晶体内部的分子、原子结合力，刀刃上所承受的剪切力非常大，产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度极高，因此要求采用耐热性高、高温硬度高、耐磨性强、高温强度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金刚石。由于材料内部存在许多的微观缺陷，在微切削去除时，当应力作用的区域在某个缺陷空间范围内，则将以与该区域相应的破坏方式而破坏。而且必须达到破坏所需的加工能量,二、原子、分子加工单位时的加工机理,用加工单位为0.1nm的微细加工方法进行加工原子、分子加工单位的微细加工方法。从加工机理来看，微细加工可分为：分离、结合、变形三大类。分离加工：又称为去除加工，是从工件上去除一部分材料的加工，又可分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工。结合加工：利用物理和化学方法，将不同材料结合在一起。按结合的机理、方法、强弱等，又可分为附着、注入、接合三种。典型的方法有电镀、蒸镀、氧化、渗碳等。变形加工：又称为流动加工，利用力、热、分子运动等手段，使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。不长生切屑，典型的加工方法是压延、拉拔、挤压等。,大规模集成电路的制作技术：外