高教版现代制造技术精密加工

1、现代制造技术精密加工和超精密加工现代制造技术3.1 概述 精密加工是指加工精度和表面质量达到精密加工是指加工精度和表面质量达到很高程度的精密加工工艺。超精密加工很高程度的精密加工工艺。超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺。随着加工技术的发展，的精密加工工艺。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。超精密加工的技术指标也在不断变化。现代制造技术n一般加工：一般加工：精度精度10m左右，左右，Ra0.30.8m；n精密加工：精密加工：精度精度100.1m左右，左右，Ra0.30.03m；n超精密加工：超精密加工：精度精度0.10

2、.01m左右，左右，Ra0.030.05m；n纳米加工：纳米加工：精度高于精度高于0.001m，Ra小于小于0.005m 。现代制造技术加工单位（尺寸）：要去除的材料的大小微米工艺纳米工艺现代制造技术超精密加工的主要高新技术n1）超精密加工机床与工装、夹具；）超精密加工机床与工装、夹具；n2）超精密切削刀具，刀具材料；）超精密切削刀具，刀具材料；n3）超精密加工工艺；）超精密加工工艺；n4）超精密加工环境控制）超精密加工环境控制(包括恒温、隔包括恒温、隔振、洁净控制等振、洁净控制等)；n5）超精密加工的测控技术。）超精密加工的测控技术。现代制造技术n超精密加工机床是超精密加工水平的标超精密加工

3、机床是超精密加工水平的标志，它应满足以下一些要求：志，它应满足以下一些要求： 1）高精度；）高精度；2）高刚度；）高刚度；3）高稳定性；）高稳定性；4）高自动化。）高自动化。现代制造技术n精密检测是超精密加工的必要手段，误精密检测是超精密加工的必要手段，误差补偿是提高加工精度的有效措施。关差补偿是提高加工精度的有效措施。关键技术主要有：键技术主要有： 1）几何尺寸的纳米级测量；）几何尺寸的纳米级测量；2）表面质量检测技术及其测量仪器的研）表面质量检测技术及其测量仪器的研究；究；3）测量集成技术的研究；）测量集成技术的研究；4）空间误差补偿技术的研究。）空间误差补偿技术的研究。现代制造技术n超精

4、密加工的工作环境是达到其加工质量的必要条件，超精密加工的工作环境是达到其加工质量的必要条件，主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求。主要有温度、湿度、净化和防振等方面的要求。 1）环境温度可根据加工要求控制在）环境温度可根据加工要求控制在(10.02)，甚，甚至达到至达到0.0005；2）在恒温室内，一般湿度应保持在）在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%；3）通常洁净度要求）通常洁净度要求l0000级至级至l00级；级；4）超精密加工设备要安放在带防振沟和隔振器的防振地）超精密加工设备要安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，并可使用空气弹簧基上，并可使用空气弹簧(垫垫)来隔离低频振动。来隔

5、离低频振动。现代制造技术精密、超精密加工的工艺特点n以精密元件为加工对象，并与之密切结合发展n保证很高的精度、表面质量、稳定性和保持性n精密的测量手段n与自动化密切相关n易于采用复合加工技术现代制造技术3.2 精密、超精密加工方法精密切削加工精密磨削加工精密研磨超精研超精密磨料加工电解磨削加工纳米加工现代制造技术3.2.1 精密切削加工刀具：立方氮化硼、人造金刚石、单晶金刚石立方氮化硼：切割难加工的黑色金属，耐1400高温人造金刚石：耐用度、耐磨性、寿命均有提高单晶金刚石：软金属材料的切削现代制造技术金刚石刀具的加工精度聚晶金刚石（硬质合金）单晶金刚石耐用度耐磨性寿命变形小刀尖和切削区温度低加

6、工精度高、表面粗糙度值低加工单位：小于纳米加工精度：10-7m数量级表面粗糙度： 10-8m数量级现代制造技术超精密切削机理n切削厚度很小（微米数量级），甚至在晶粒内部切削，因此切削力必须大于原子结合力，并且产生很大的热量，同时刀具受到很大的剪切力。现代制造技术影响金刚石精密切削的因素n刀具的刃磨质量-研磨n金刚石刀具的几何角度和对刀n被加工材料的均匀性和微观缺陷n工作环境n加工设备现代制造技术3.2.2 精密磨削加工n磨削尺寸公差小于10微米n精密磨削表面粗糙度值小于0.1微米n发展趋势：超硬磨料磨削nCBN砂轮的特点： 不易磨损保持被磨零件尺寸的一致性 磨削高速钢和轴承刚时，被加工材料耐磨

7、性提高20%40%。现代制造技术精密磨削的加工原理n砂轮工作面上整修出大量等高的磨粒微刃，从工件表面上切除极微薄的，尚具有一些微量缺陷的微量形状、尺寸误差的余量。现代制造技术影响精密磨削表面粗糙度的因素机床砂轮磨削用量加工工艺影响因素现代制造技术机床n主轴径向圆跳动误差小于0.001毫米n滑动轴承间隙在0.010.015毫米之间n径向进给机构灵敏度及重复精度要高n工作台低速平稳性要求高现代制造技术砂轮微刃切削-Ra值0.160.04微米半钝化微刃摩擦- Ra值0.040.01微米陶瓷结合剂砂轮修正砂轮时进给量与粗糙度的关系：Ra值0.160.04微米，纵向进给1550毫米/minRa值0.04

8、0.01微米，纵向进给1015毫米/minRa值不大于0.01微米，纵向进给610毫米/min现代制造技术磨削用量n进给量范围：0.00250.005毫米n镜面磨削：0.0025毫米左右n无进给光磨，次数越多光磨效果越好现代制造技术加工工艺n工件磨削之前修研中心孔，保证接触面足够大n仔细修整砂轮，做好砂轮的静平衡n磨削前要进行空转，使机床各项性能处于稳定状态，然后才能研磨加工。n严格控制径向进给，刻度不准安装千分表n冷却液严格过滤现代制造技术3.2.3珩磨、超精研、研磨和超精密磨料加工现代制造技术珩磨n珩磨工作原理： 通过珩磨工具，对工件表面施加一定的压力，同时珩磨工具做相对旋转和直线往复运动

9、，切除工件上的极小的余量。n珩磨加工后的工件圆度和圆柱度0.0030.005，尺寸精度达到IT6 IT5，表面粗糙度Ra值为0.20.025m 现代制造技术珩磨主要工艺参数的选择n1）油石的选择：n钢件-刚玉n铸铁、不锈钢有色金属-碳化硅n粒度与表面粗糙度n油石的工作行程和越程量n油石的数量现代制造技术珩磨主要工艺参数的选择n2）珩磨切削参数的选择：n网纹交叉角 ，其值越大，切削效率越高，表面粗糙度值变大。n油石的工作压力，压力越大，加工精度越低，不同的材料工作压力不同。n珩磨加工余量n珩磨切削液-降低表面粗糙度现代制造技术珩磨孔尺寸的自动控制现代制造技术超精研n超精研工作原理： 在良好的润滑

10、冷却和较低的压力条件下，用细粒度油石以快而短促的往复振动频率，对低速旋转的工件进行光整加工。现代制造技术工件低速回转运动（表面线速度一般为630m/min）n磨头轴向进给运动n油石往复运动 振幅15mm，振动频率1025赫兹超精研运动现代制造技术超精研的四个阶段n一、初级切削阶段 油石与粗糙工件表面接触，压力不大，接触面积小，因此压强大，工件与油石之间不能形成完整的润滑油膜；油石磨粒的切削方向变化大，磨粒破碎的机会多。现代制造技术超精研的四个阶段n二、正常切削阶段 少数凸峰磨平以后，接触面积相应增大，压强减小，油石磨粒破碎的几率降低，进入正常的切削阶段。现代制造技术超精研的四个阶段n三、微弱切

11、削阶段 接触面积逐渐增大，压强进一步降低，油石磨粒变钝，切削力减弱，细小的切屑形成的氧化膜嵌入到油石的气孔中使得油石表面逐渐变光滑，逐渐有微弱切削过渡到研磨抛光作用。现代制造技术超精研的四个阶段n四、停止切削阶段 油石与工件表面已经很光滑，压力很小，接触面积增加，磨粒不能穿破工件表面的油膜，油膜使得工件和油石不能直接接触，切削作用停止。现代制造技术n超精研一般用来对工件表面进行光整加工，使得表面粗糙度Ra值为0.10.01微米的加工表面。n超精研广泛应用于加工内燃机的曲轴、凸轮轴、刀具、轧辊、轴承、精密量仪及电子仪器等。能够加工不同的材料，例如钢、铸铁、黄铜、磷青铜、铝、陶瓷、玻璃、花岗岩等等

12、；能够加工外圆、内孔、平面以及特殊轮廓表面。现代制造技术研磨n研磨误差达到0.10.3m n表面粗糙度Ra值为0.040.01m n研磨法制造精密块规、精密量规、钢球、轧辊、喷油嘴、滑阀、柱塞油泵、精密齿轮等等精密零件。光学仪器制造业中，研磨制造精加工透镜镜头、棱镜、光学平镜等等。电子工业中，研磨法精加工石英晶体、半导体晶体和陶瓷元件的精密表面现代制造技术研磨原理n研具在一定的压力下与加工表面做复杂的相对运动，磨粒和研磨剂在相对运动中分别有机械切削和物理化学作用，使磨粒从工件表面上切去极微薄的一层材料，从而得到尺寸精度和表面质量极高的表面。现代制造技术n塑性材料，滚动和刮擦时的切削作用；n研磨

13、脆性材料时，磨粒使工件表面产生裂纹，并使裂纹扩大交错，以至于形成碎片，脱离工件。n干研磨刮擦切削；湿研磨滚动切削；粗研磨机械损伤；精研磨热的局部挤压和研磨剂的化学作用现代制造技术n超精密光整加工方法特点：n软磨粒研磨硬工件；n加工单位：埃数量级；n表面粗糙度Ra值小于10埃。n原理：相对运动磨粒大加速度高温高压原子相互扩散形成缺陷点再次撞击移除工件表层原子。现代制造技术研磨方法手工研磨和机械研磨手工研磨研具的速度：n平面：30100 m/min；n外圆与内孔：2070 m/min；n螺纹：20100 m/min。n机械研磨 平面、圆柱面、球面、半球面现代制造技术研磨方法嵌沙研磨无嵌沙研磨n23

14、次研磨精度：Ra值为0.080.04m n45次研磨精度：Ra值为0.020.01m n磨料：人造氧化铝和碳化硅n研磨液：煤油和机油现代制造技术研磨参数：n研磨压强：n滑动速度：粗研4050 m/min 精研612 m/min现代制造技术超精密研磨n加工精度0.1mn表面粗糙度Ra值0.02m现代制造技术3.2.4纳米级加工现代制造技术原子分子加工单位的超精密微细加工的分类n分离加工n沉淀及结合加工n变形加工现代制造技术微观结构缺陷n晶体缺陷、点缺陷、位错缺陷、微裂纹、晶界空隙、裂纹和缺口。现代制造技术变形加工定义：加工方法：离子束加工四种碰撞过程现代制造技术3.3精密圆柱齿轮加工n精密齿轮加

15、工的关键问题：n齿形精度及齿面的表面粗糙度n精度的稳定性，热处理时防止产生残余奥氏体n保证定位、装配的内孔和齿面的同轴度现代制造技术3.3.1 齿轮的精度要求n运动精度n工作平稳性n齿接触精度n齿侧间隙精度现代制造技术1、运动精度n要求：准确传递运动，传动比恒定。n评定标准：齿轮一转中传动比的最大变 动量（包括：齿圈径向跳动及公差，公法线长度变动及公差，周节累积误差及公差，切向综合误差及公差，径向综合误差及公差。）n因素：几何偏心，运动偏心现代制造技术2、工作平稳性n影响局部传动比的变动量，具有短周期性n因素：齿形误差，基节偏差n检验标准：切向-齿综合误差及公差，径向-齿综合误差及公差，齿形误

16、差及公差，基节偏差及其极限偏差，周节偏差及其极限偏差。现代制造技术3、齿接触精度n影响载荷分布的均匀性，避免应力集中和局部磨损，保证接触面积。n检测标准：齿向误差和公差现代制造技术4、齿侧间隙n作用：储存润滑油，补偿温度变形和弹性变形以及制造安装中的误差。n检验标准：齿厚偏差及其两个极限偏差，公法线平均长度偏差及其两个极限偏差，齿轮副的切向综合误差及公差，齿轮副的切向-齿综合误差及公差，齿轮副的接触斑点，齿轮副的侧隙及安装误差。现代制造技术3.3.2精密圆柱齿轮的加工方法n根据运动特性分类：n包络法：刀具生产面的包络线形成齿面n展成法：特殊的包络法，刀具生产面和工件有相对运动。n成形法：齿面有

17、刀具生产面直接形成。现代制造技术n根据齿轮传动精度分类：n超精密n精密n普通精度n低精度现代制造技术精密齿轮加工工艺n精密齿轮加工工艺分为：n齿坯加工：保证内孔与外圆的同轴度；断面与内孔中心的垂直度。n齿形加工：淬硬和非淬硬齿轮。现代制造技术3.3.3滚齿加工滚刀误差滚齿机误差滚刀安装及对刀误差工件安装误差及制造误差切削过程中的受力受热变形及刀具的磨损精度分析现代制造技术滚刀误差p设计误差：线形；铲齿；螺旋角不同产生干涉。p滚齿方法误差：滚刀头数不能与齿轮齿数有大于1的公约数。p制造重磨误差：齿形角误差影响齿轮的基节偏差，从而影响基圆半径和齿形误差；严格控制滚刀端面的轴向窜动；滚刀分头误差、滚

18、刀刀槽的周节误差以及滚刀前脚误差等等，引起齿形误差。现代制造技术滚齿机误差u传动链不准确：影响基圆半径的变化、齿形误差、基节偏差以及周节累积误差u心轴径向跳动：影响周节累积误差和K个周节累积误差。u滚齿机主轴与刀杆的径向跳动和轴向窜动：引起齿形误差、基节偏差和齿厚偏差u刀架导轨的倾斜：齿厚偏差和齿向误差现代制造技术滚刀在滚齿机上的安装误差和对刀误差n原因：滚刀与刀杆的配合不好引起几何偏心。n径向位置偏移齿厚偏差、公法线平均长度偏差、中心距偏差和齿侧间隙。n轴向位置偏移齿形误差n滚刀转角误差齿形误差和齿厚偏差现代制造技术工件安装与制造误差l工件存在偏心距周节累积误差l内孔和端面不垂直周节累积误差

19、或齿面波度和表面粗糙现代制造技术切削过程中的受力受热变形及刀具的磨损n滚齿过程是连续切削，振动较大，容易引起齿面波度；滚齿机的热变形影响加工精度，滚齿机应在恒温室进行工作；刀具磨损影响齿面粗糙度，应定期更换刃磨。现代制造技术J滚齿精度的关键是滚齿机的精度，特别是传动链的精度、刚度和热变形。J部分因素可能相互抵消J精密滚齿在恒温室中进行加工，并配以精密测量现代制造技术提高滚齿生产率的方法大直径小压力角滚刀切齿采用硬质合金滚刀进行高速滚齿采用多头滚刀滚齿对角滚刀（切向进给）（大直径滚刀）径向切入代替轴向切入顺铣代替逆铣现代制造技术3.3.4 插齿加工z插齿加工的运动：z插齿刀往复运动z让刀运动z展

20、成运动z径向进给现代制造技术滚齿加工 插齿加工周节累积误差小齿形误差大齿向误差小表面粗糙度和波度值大生产率高不能加工内齿轮和齿条周节累积误差大齿形误差小齿向误差大表面粗糙度和波度值小生产率低（小模数、薄工件）能够加工内齿轮和齿条现代制造技术滚齿加工 插齿加工不能加工多联齿轮加工扇形效率低加工斜齿轮方便加工蜗轮能够加工多联齿轮加工扇形效率高加工斜齿轮要专门的螺旋导套不能加工蜗轮现代制造技术提高插齿生产率的方法n高速插刀n提高周向进给n多件加工（薄工件）n循环工位加工现代制造技术3.3.5 剃齿n剃齿刀具与工件之间做螺旋齿轮副运动，啮合时依靠齿面的滑动获得切削。现代制造技术剃齿精度分析F齿圈径向跳动有一定的校正能力F周节累积误差校正能力差F基节偏差校正能力强F齿形误差校正能力强F齿向误差校正能力强现代制造技术3.3.6 磨齿应