精密与超精密复习(1至6章)

1、精密超精密加工复习知识总结第一章精密和超精密加工技术及其发展展望精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。什么叫精密加工？加工精度在0.11µm，加工表面粗糙度在Ra0.020.1µm之间的加工方法称为精密加工。什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。影响精密与超精密加工的因素有哪些？（1）超精密机床设备 （2）金刚石刀具 （3）切削加工工艺（4）计算和误差补偿技术 （5）操作者的技术水平 （6）环境支持条件

2、 我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？(1) 超精密切削、磨削的基本理论和工艺(2) 超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性(3) 超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿(4) 超精密加工的环境条件(5) 超精密加工的材料第2章 超精密切削与金刚石刀具举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。超精密切削速度是如何选择的？ 超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的

3、动特性选取，即选择振动最小的转速。金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。切削速度对积屑瘤产生的影响 切削速度较低时，积屑瘤高度最高，当切削速度大于314/min时，积屑瘤较小且趋于稳定。进给量和背吃刀量对积屑瘤生成的影响 进给量很小时，积屑瘤的高度较大，在进给量等于5um/r时高度最小，进给量再增大时，高度稍有增高。（由切削温度变化引起） 背吃刀量小于25um时，积削瘤的高度变化不大，但在背吃刀量大于25um后，积屑瘤高度将随其增加而增加。（由切削温度变化和积屑瘤底部粘附面积的变化造成）积屑瘤对切削力

4、的影响 经实验证明，积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小，和普通切削切钢时的规律正好相反。积屑瘤造成切削力增加的原因（1） 由于超精密切削的切削层极薄，实际切削是由积屑瘤半径R起作用，这将导致切削力明显增加。（2） 积屑瘤存在时，它代替金刚石切削刃进行切削，积屑瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面之间的摩擦都很严重，摩擦力很大，大大超过金刚石和这些材料之间的摩擦力，这将导致切削力的增加。（3） 积屑瘤呈鼻形并自切削刃前伸出，这导致实际切削厚度超过名义值。超精密切削的切削厚度原来就甚小，增加切削厚度将使切削力明显增加。积屑瘤对加工表面粗糙度的影响积屑瘤高度大，表面粗糙度大；积屑瘤小时加工表面

5、粗糙度亦小。减小加工表面粗糙度的方法使用切削液减小积屑瘤切削参数对加工表面质量的影响 1.切削速度的影响在常用的超精密切削速度范围内，切削速度对加工表面粗糙度的基本无影响 2.进给量和修光刃的影响超精密切削中，采用很小的进给量，刀具制成带修光刃，可减小加工表面粗糙度。 3.切削刃的形状的影响刀具有直线修光刃时，可减少残留面积，减小加工表面的粗糙度值。为易于对刀，将修光刃制成曲率半径较大的圆弧刃，由于超精密切削进给量都取得很小，故用圆弧刃车刀时仍可切出高质量的超光滑表面。4. 背吃刀量的影响 实验发现，背吃刀量对粗糙度的影响与刀具切削刃钝圆半径大小有关。当半径足够小时，在超精密切削范围内，背吃刀

6、量变化对加工表面粗糙度影响甚小，若半径较大，被吃刀量减小使加工表面粗糙度加大。5.背吃刀量对加工表面残留应力的影响 背吃刀量减小，表面残留应力也减小，但小过临界值时，背吃刀量减小时反而使加工表面残留应力增加。临界值和切削刃锋锐度有关，即切削刃锋锐时临界值就要小些。切削刃锋锐度对加工表面粗糙度的影响 刃口锋锐度对加工表面有一定的影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响刀刃锋刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大。背吃刀量很小时，切削力显著增大。切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响刃口半径越

7、小，加工表面变质层的冷硬度越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。切削刃锋锐度对加工表面残留应力的影响刃口半径越小，残留应力越低；背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大超精密切削时极限最小切削厚度1nm 金刚石刀具不同晶面的摩擦因数（1）（100）晶面的摩擦因数曲线有4个波峰和波谷；（110）晶面有两个波峰和波谷；（111） 晶面有三个波峰和波谷（2）如都以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低；（111)晶面次之；（110）晶面最高(3)如比较同一晶面的摩擦因数值的变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）晶面次之；（1

8、11）晶面最小超精密切削对刀具有要求（1） 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。（2） 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。（3） 刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。（4） 与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。金刚石的晶系 立方晶系金刚石晶体的晶轴与晶面 晶轴：3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴 晶面：（100）、（111）、（110） 金刚石刀具晶面的面网及面网密度面网：晶体内部分有原子的面面网密度：面网单位面积上的原子数金刚石晶体各晶面的耐磨性在高磨削率方向上，（110）晶面磨削率

9、最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之；（111）晶面磨削率最低，最不容易磨。其磨削率之比为（100）：（111):(110)=5.8:1:12.8在低磨削率方向上，三者磨削率都极低。金刚石晶体各晶面的好磨难磨方向 高磨削率方向成为好磨方向，低磨削率方向称为难磨方向，如图金刚石晶体研磨时摩擦因数的各向异性（1）研磨金刚石晶体时，（110）晶面摩擦因数最大，（100）晶面次之，（111）晶面最小。（2）晶面摩擦因数随摩擦方向不同而有明显差别。（100）晶面有4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，(111）晶面有3个波峰和波谷。（3）摩擦因数高时磨削率也高，摩擦因数低时磨削率也低。波

10、峰方向是磨削率最高的好磨方向，波谷方向是磨削率最低的难磨方向。金刚石的解理和破损机理当垂直于某晶面的拉力超过某特定值时，两相邻的晶面分离，产生解理劈开，这是解理现象机理。金刚石主要产生于（111）晶面的解理，这种产生于（111）晶面的机理也是金刚石破损机理。 金刚石各晶面的微观破损强度（1）对金刚石刀具，切削刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式。故切削刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。（2）当作用应力相同时，（110）面破损机率最大，（111）面次之，（100）面破损机率最小。金刚石晶体定向方法（1）人工目测定向 简单易行，但定向精度低，使用有局限性。对于不规整的晶体或已经磨制加工过的

11、金刚石，这种方法无法使用。（2） X射线晶体定向 定向精度高。对已经加工过的金刚石也能很方便进行晶体定向，但X光晶体定向仪只能在实验室中使用，且价格较高；X光对人体有害，对操作者要求防护，因此操作比较费事。（3） 激光晶体定向金刚石晶体的新定向方法，所用设备价格低，操作方便，有足够的定向精度。 衡量金刚石刀具的标准首先看其能否加工出高质量的超光滑表面（Ra0.0050.02m）；其次是看能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米），切出极高质量的加工表面。直线修光刃和圆弧修光刃金刚石刀具的优缺点。直线修光刃制造研磨容易，这种刀要求对刀良好，直线修光刃应严格和进给方向一致。圆弧修光刃刀具

12、对刀容易，使用方便，但刀具制造研磨麻烦，价格要高些。金刚石刀具小刀头的固定方法 机械夹固；粉末冶金法固定；粘结或钎焊固影响金刚石刀具精研的因素磨料粒度 研磨盘质量 研磨方向 精抛第3章 精密磨削和超精密磨削精密和超精密磨料加工精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，得到高加工精度和小表面粗糙度值。固结磨料加工主要种类精密和超精密砂轮磨削、精密和超精密砂带磨削等精密和超精密砂轮磨料主要种类普通磨料：包括碳化物系，如碳化硼、碳化硅；刚玉系。超硬磨料系：包括金刚石，如天然金刚石和人造金刚石；立方氮化硼超硬磨粒优越性(1)磨具在形状和尺寸上易于保持，使用寿命高，

13、磨削精度高；(2)磨料本身磨损少，可较长时间保持切削性，修整次数少，易于保持精度；(3)磨削时，一般工件温度较低，可减小内应力、裂纹和烧伤等缺陷；(3)能加工各种高硬的难加工材料，可磨削陶瓷、光学玻璃、宝石、硬质合金以及高硬度合金钢、耐热钢、不锈钢等。精密磨削的加工精度和表面粗糙度范围和主要用途加工精度为10.1m、表面粗糙度达到Ra0.20.025m。多用于机床主轴、轴承、滚动导轨、量规等精密加工精密磨削机理（1）微刃的微切削作用（2）微刃的等高切削作用（3）微刃的滑挤、摩擦、抛光作用精密磨削砂轮选择原则以易产生和保持微刃及其等高性为原则超硬磨粒砂轮磨削的特点（1）可用来加工各种高硬度、高脆

14、性金属材料和非金属材料（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；磨削效率高（4）加工成本低超硬磨料砂轮修整的方法车削法 磨削法 滚压挤轧法 喷射法 电加工法 超声波振动修整法超硬磨料砂轮的平衡静平衡：又称力矩平衡，用于窄砂轮的平衡，是在一个平面上的平衡。方式有三种：机外静平衡架上平衡、机上动态平衡、机外动态平衡动平衡：又称力偶平衡，用于宽砂轮和多砂轮轴的平衡，这时不是在一个面上而是在一个一定长度的体上进行力偶平衡，是动平衡，一般都在动平衡机上进行。超精密磨削的加工精度和表面粗糙度范围加工精度达到或高

15、于0.1m，表面粗糙度低于0.025m，是一种亚微米级的加工方法超精密磨削的特点（1）超精密磨床是超精密磨削的关键（2）超精密磨削是一种超微量去除加工（3）超精密磨削是一个系统工程超精密磨床的特点高精度、高刚度、高稳定性、微进给装置、计算机数控超硬微粉砂轮磨削的特点及其应用（1） 粒度很细，可同时获得极小的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度。（2） 是一种固结磨粒的微量去除加工方法，加工效率高。（3） 容屑空间很小，磨削容易堵塞，需要进行在线修整。（4） 磨削机床应有微进给装置，设备价格高。 用于加工各种非金属材料和有色金属及其合金材料零件的各种表面加工。砂带磨削方式 从总体上可以分为：闭式

16、砂带磨削和开式砂带磨削两大类。（1）按砂带与工件接触形式可分为：接触轮式、支承板（轮）式、自由浮动接触式和自由接触。（2）按照加工表面类型可分为：外圆、内圆、平面、成形表面等磨削方式。精密砂带磨削机理 砂带磨削时，除有砂轮磨削的滑擦、耕犁和切削作用外，由于有弹性，还有磨粒的挤压使加工表面产生的塑性变形磨粒的压力使加工表面产生的加工硬化和断裂、以及因摩擦升温而引起的加工表面热塑性流动等。因此从加工机理来看，砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光作用，是一种复合加工。第4章 精密和超精密加工的机床设备精密主轴部件的要求能高速旋转；高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长；主轴本身及其驱动系统振动极小；发热少，且

17、热平衡性能好；维护保养方便。精密与超精密中轴承的使用种类及特点滚动轴承液体静压轴承主轴有较高的刚度和回转精度。但有些缺点：高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。空气静压轴承主轴很高的回转精度，在高速转动时温升甚小，因此造成的热变形误差很小，但刚度低，只能承受较小的载荷。超精密切削时切削力甚小，空气轴承能满足要求。超精密机床主轴和轴承材料选取原则不易磨损，不易生锈腐蚀，材料稳定并且热膨胀系数小，且主轴和轴套应用线膨胀系数接近的材料。主轴的驱动方式（1） 电动机通过带传动驱动机床主轴（2） 电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴（3） 采用内装式同轴电

18、动机驱动机床主轴超精密机床的总体布局十字形滑板工作台布局、T形布局、R-布局、偏心圆转角布局、立式结构布局超精密机床导轨的要求和常用的种类要求：有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨耦合面不能有磨损。种类：滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨进给驱动系统的种类精密数控系统、滚珠丝杠副驱动、摩擦驱动机床的稳定性各部件尺寸稳定性好、刚度高、变形小、结构的抗振减振性能好减少机床内振的措施（1） 各运动部件都应经过精密动平衡，消灭或减少机床内部的振源（2） 提高机床结构的抗振性（3） 在机床结构的易振动部分，人为的加入阻尼，减小振动（4） 使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件减小机床外振

19、的措施（1） 超精密机床应尽量远离振源（2） 超精密机床采用单独地基、隔离沟、隔振墙等（3） 使用空气隔振垫减小机床热变形的措施（1） 尽量减少机床中的热源（2） 采用热膨胀系数小的材料制造机床部件（3） 结构合理化使同样的温度变化条件下，机床的热变形最小（4） 使机床长期处于在热平衡状态，使热变形量成为恒定（5） 使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地区小环境的精密恒温第5章 精密加工技术中的测量技术精密测量的环境条件恒温条件、隔振条件直线度测量1. 零件表面直线度的检测 （1）检测长度较短时，可用刀口形直尺检测（2） 检测长度较长时，可采用分段检测其水平倾角，经数据处理而得到表面直线度。

20、2. 直线运动的直线度检测 在溜板上安放高精度平尺，用测微仪检测其直线运动的直线度误差。当精度很高时，应按此法先检测一次，然后将平尺在原位翻转再测一次，两次测量结果同位置相加，平尺本身误差正负相消，余下误差为直线运动的直线度误差。平面度测量（1） 小面积高精度测量，常用光学平晶观察其干涉条纹而测出其平面度误差（2） 面积较大时，将被测表面划定不同方向的直线若干条，检测其直线度，综合后得到该表面的平面度误差垂直度检测 在测量平台上用直角尺检测。常用直角尺有L形、T形和圆柱形。圆柱形容易制成很高精度，常用作基准直角尺。角度基准角度尺规、多面体、多齿分度盘精密测量的转台（1） 精密蜗杆副再加凸轮误差补偿的机械式转台（2） 有圆刻度尺和显微镜读数的光学转台（3） 使用圆光栅的转台（4） 使用圆感应同步器的转台多齿分度盘的标定（1） 使用精度更高的测角仪器对多齿分度盘进行标定（2） 利用两个多齿分度盘互检标定圆度误差的定义指包容同一正截面实际