模块二金属切削加工课题八精密加工和特种加工简介

机械制造工艺与装备模块二金属切削加工课题八精密加工和特种加工课题八精密加工和特种加工知识点精密加工特种加工技能点了解精密加工的方法及应用特点了解特种加工的方法及应用特点一、任务引入如图2-174所示为某航空发动机螺旋桨轴上的支承衬套，要求内、外表面粗糙度值分别为和，试确定内、外圆最终加工方法。图2-174隔离衬套二、任务分析在制造领域，要应用到很多精密零件，如机床导轨、检测平台、量仪、液压控制阀等零件，用普通的机械切割加工往往达不到机械加工精度及表面粗糙度要求，所以其最终加工还需要精密加工。隔离衬套是某航空发动机螺旋桨轴上的支承衬套。外圆与机体孔过盈配合，内孔与螺旋桨轴轴颈相配合(间隙0.01～0.05mm)。为保证达到内、外圆表面粗糙度和形状精度要求，内孔采用研磨，外圆增加抛光的加工工序，研磨和抛光属于精密加工范畴。精密加工中，精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra值小于0.1μm的加工方法称为超精密加工。常用的超精密加工方法有镜面车削、虹面车削,超精密磨削、镜面磨削等。三.相关知识（一）精密加工1、概述（1）机床设备条件精密加工必须在精密机床上进行。机床应具有高的运动精度、刚度和转速，以及小的进给量。（2）环境条件1）消除工艺系统内部和外部的振动干扰。加工表面的表面粗糙度与振动的频率和振幅有关。2）创造恒温条件。精密机床应置在恒温室内，应在20℃±1℃的条件下对零件进行加工和测量。超精密加工还要求工作间超净。

（1）精密车削概念加工外圆表面时，用很小的刃口圆弧半径的车刀进行高速、微量切削而获得高精度的工艺方法称为精密车削。（2）精密车削应用精密车削主要用于铜、铝及其合金制件的最终加工，其他如纯金属、塑料、玻璃纤维、合成树脂及石墨等不宜采用磨削而加工要求较高的零件，也常使用精密车削。对于表面粗糙度值要求很小的铜、铝及其合金制件的外圆表面或反射镜的曲面，使用金刚石车刀进行镜面车削，表面粗糙度Ra值可小于0.05μm。2.精密车削（3）精密车削的刀具及切削用量

精密车削除必须在精密车床上进行外，还需要对所用的三爪自定心卡盘、弹簧夹头和心轴等回转组件进行动平衡，并精密测定其跳动量，以及仔细选取刀具材料和切削用量。精密车削所用刀具主要有金刚石车刀和硬质合金精密车刀两种。

1）金刚石车刀金刚石刀具材料有天然单晶金刚石和人造聚晶金刚石两种。金刚石具有硬度高、耐磨性好、刃口锋利和摩擦系数小等优点，但韧性很差，刃磨困难。右图为在精密车床上加工黄铜H82所用的金刚石精密车刀，工件要求表面粗糙度Ra值为0.03μm。为加强刀尖和刃口部位强度，采用前角γO＝－5°～10°，过渡刃为0.05mm，后角为

2°～3°。金刚石精密车刀

金刚石刀具适用于有色金属及其合金（如铝、紫铜、黄铜、巴氏合金、铍铜、锌等）及非金属材料（如酚醛塑料、陶瓷等）的精密车削。由于金刚石与铁的亲和力很强，所以金刚石刀具不适于加工黑色金属。精密车削的进给量一般选ƒ＝0.01～0.04mm/r；双面加工余量为0.3～0.5mm；半精加工的背吃刀量aP＝0.05～0.1mm，精加工的背吃刀量aP＝0·02～0.05mm。超精密加工时，背吃刀量aP一般为0.003～0.006mm。

2）硬质合金精密车刀

用细颗粒的硬质合金（如YG6x、YG6A、YG3X等）车刀进行精密车削，可以达到的表面粗糙度R。值为0.05µm左右；用超细颗粒的硬质合金（如YHl、YHZ、YG10H等）车刀进行精密车削，可以达到的表面粗糙度Ra值为0.03µm。下图为YG6A或YG6x硬质合金精密车刀。车刀前面、后面的表面粗糙度Ra值应≤0.02µm；刃倾角为10°，以利排屑；车刀采用6°后角和3°副后角，可以减小振动并使刀具后面对工件有轻微的挤压作用。用于精密车削铜料，曾获得镜面。硬质合金精密车刀用硬质合金精密车刀进行精密车削时，一般采用高的切削速度：车铝合金材料vcmax＝350m/min，车青铜等铜合金材料vcmax＝400m/min；车镁合金材料vcmax＝1000m/min。切削速度越高，获得的表面粗糙度值越小，但刀具磨损及振动也随之加剧，所以应根据实际情况来合理选择。一般取进给量ƒ＝0.02～0.04mm/r；背吃刀量一般取aP

＝0·2～0.3mm。（1）精密磨削概念及其应用

在精密磨床上用经过精细修整的细粒度砂轮进行的一种磨削方法称为精密磨削。精密磨削是一种高精度、小表面粗糙度值的精密加工方法，主要用于淬硬的黑色金属材料精密加工，它可以获得IT5级的尺寸精度和高的几何形状精度，如圆度误差小于0.5µm，圆柱度误差小于0.001mm/300mm，平面度误差小于0.003mm/1000mm，可使同轴度误差小于1µm，表面粗糙度Ra值一般在0.16µm以下，最小可达0.008µm。

3.精密磨削

精密磨削按磨削后所获得的表面粗糙度值的大小，通常可细分为精密磨削（Ra值0.16～0.04μm）、超精密磨削（Ra值0.04～0.01μm）和镜面磨削（Ra值小于或等于0.01μm）三种。精密磨削主要用于机床主轴、高精度轴承、航空、航天中的精密零件、计算机磁盘等元件的磨削。（2）精密磨削用机床及砂轮

1）对精密磨床的要求

砂轮主轴的回转精度高于1µm，内圆磨具采用静压；应有对传动部分的减震措施；横向进给机构的重复精度高，误差小于2µm，刻度值不得大于0.005mm，最好配有数字控制或其他控制尺寸的装置；工作台运动平稳，在一定范围内无爬行。

2）精密磨削用砂轮

①磨料

钢和铸铁零件进行精密磨削时，砂轮磨料应选用刚玉（单晶刚玉最好），而不选用碳化硅。对于精密磨削含有大量硬质点的耐热钢、高强度而难加工材料，砂轮磨料可采用立方氮化硼。精密磨削硬质合金及其他硬脆材料，则应采用人造金刚石磨料。

②粒度应选用粒度号60或更细的磨啦或儆粉。③硬度砂轮硬度根据工件硬度而定，对于淬火后钢件，一般用K、L（中软）级，对镜面磨削应使用D、E、F（超软）级砂轮，以利于充分发挥摩擦抛光作用。④结合剂一般采用陶瓷结合剂，以利于充分发挥粗粒度磨料的微刃切削作用。镜面磨削时，一般选用树脂结合剂，并加人一定量的石墨添加剂。⑤组织砂轮组织应均匀且紧密，一般选用组织号为0～3号。精密磨削用砂轮需经精细修整，以使砂轮表面上的微刃等高。

精加工后，从正件上不切除或切除极薄金属层，用以减小工件表面粗糙度值，提高工件表面质量或强化工件表面的加工过程称为光整加工。常用的光整加工方法有：超精加工、珩磨、研磨、抛光等。4.光整加工简介（l）超精加工

超精加工是用细粒度的磨具对工件施加很小的压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。超精加工主要适用于轴类零件外圆表面的光整加工。可以获得表面粗糙度Ra值为0.1～0.01μm的表面，但不能提高工件的形状和位置精度。超精加工只能切去工件表面微观不平的凸峰，加工余量很小，只有0.005～0.01mm。由于切削速度低，油石压力小，加工时发热少，不会使工件表面烧伤或产生残余拉应力。

超精加工的磨具为油石，选用细粒度，以较低的压力和切削速度对工件表面进行加工，加工时有三种运动，即工件的低速回转、磨具的轴向进给运动和油石的高速往复振动。油石振动的频率为10~25Hz，振幅为1～5mm，油石对工件表面的压力Pa＝15×104Pa。油石研磨超精加工必须加注充分的润滑油，一方面清洗极细的磨屑，另一方面使被加工表面上形成一层很薄的油膜，在工件表面的凸峰被磨去后，油石被油膜所阻隔，自动停止切削作用，超精加工完成。超精加工可以在普通车床、外圆磨床上增加专用磨具进行。成批生产时可采用专门的超精加工机床。超精加工广泛应用于加工内燃机的曲轴、凸轮轴、轧辊、轴承、刀具、精密量仪及电子仪器等的精密零件，能对不同的材料进行加工。除外圆外，还能加工内圆、平面及特殊轮廓表面。（2）珩磨

珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的光整加工方法。珩磨主要用于孔加工。可以获得很高的尺寸精度和形状精度，孔的尺寸精度可达IT5级，孔的圆度误差可控制在0.003～0.005mrn；表面粗糙度一般为Ra0.20～0.04μm，最小可达可达Ra值0.02～0.01μm。

珩磨孔的工具为珩磨头，由几根（一般为4～6根）粒度很细的油石沿圆周均匀分布组成。珩磨时，珩磨头有三种运动，即旋转运动、轴向往复运动和垂直于工件加工表面的径向加压运动。珩磨头的旋转和轴向往复运动是主运动，使油石上的磨粒在孔表面上的切削轨迹呈交叉而不重复的网纹。

径向加压运动是油石的进给运动，可由弹簧、气压或液压的方式施压，加压力越大，即进给量越大。珩磨内孔珩磨时，珩磨头与机床主轴间采用浮动连接，因此，油石能很好地与零件孔壁贴合，加工中不会改变孔的轴线位置。珩磨不能修正孔的位置偏差。珩磨时，油石与工件孔壁的接触面积较大，参加切削的磨粒很多，加工效率较高。由于每个磨粒的磨削力很小，且珩磨的切削速度较低，所以珩磨过程中发热少，孔的表面不易烧伤，因而可获得很高的表面质量。（3）研磨研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的光整加工方法。研磨方法简便可靠，尺寸精度可达到IT6级以上，表面粗糙度Ra值为0.2～0.012µm。应用研磨的应用范围较广，可加工各种钢、铸铁、铜、铝、硬质合金、半导体、玻璃、陶瓷以及塑料等。研磨可加工各种形状的表面，内、外圆柱面，圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿轮及其他成形表面。研磨的原理是在研具和工件之间加研磨剂，并在一定压力下使研具与加工表面作相对运动，使磨粒在工件表面滚动、滑动，起切削、刮擦和挤压作用。研磨外圆时，使用研具为研套。粗研套孔内有油槽，可储存研磨剂。精研套孔内无油槽。用研套研磨外圆研磨内孔时，使用的研具为研磨棒。研磨棒表面开有螺旋槽以储存研磨剂。用研磨棒研磨内孔研具在一定程度上把本身的几何形状复制给工件，另一方面又是研磨剂的载体。因此，研磨对研具有较高的要求。研磨剂为磨料、研磨液及辅助材料的混合剂。按研磨剂使用的条件，研磨分湿研、半干研和干研三种类型。（4）抛光

抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件获得光亮、平整表面的加工方法。抛光不能改善工件的尺寸精度和形状精度。

抛光利用高速回转（30～40m/s）、涂有抛光膏的弹性磨轮对工件表面进行光整加工。抛光时，带有磨粒的弹性轮与工件表面产生剧烈摩擦，导致高温并形成滚压和切除作用，用以去除前工序的加工痕迹，减小工件表面粗糙度值，增加工件表面光亮、美观，并提高正件的抗疲劳和抗腐蚀性能。

抛光膏通常由氧化铬、氧化铁磨料与油脂混合凋制而成。（二）特种加工1.概述

（1）特种加工

特种加工是指除常规切削加工以外的新的加工方法，这种加工方法利用电、磁、声、光、化学等能量或其各种组合作用在工件的被加工部位上，实现对材料的去除、变形、改变性能和镀覆，从而达到加工目的。1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如电、热、光、化学、声等）去除金属材料，这些能量的瞬时能量密度很高，所以可加工任何高硬度的材料。2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度。3）加工过程中，因工具与工件基本不接触，加工时不存在显著的机械切削力。4）加工机理不同于一般金属切削原理，不产生宏观切屑。5）加工能量易干控制和转换，所以加工范围广，适应性强。

（2）特种加工特点（3）特种加工对机械制造工艺技术的影响

1）提高了材料的可加工性；2）改变了零件的工艺路线；3）缩短了新产品的试制周期；4）对产品和零件的结构设计产生较大影响；5）需重新评估传统结构工艺性。（4）特种加工方法

特种加工方法可按其能量来源和加工原理分为电火花加工、电化学加工、高能束加工、物料切蚀加工、化学加工、成形加工和复合加工等多种门类的加工。

2、电火花加工电火花加工又称放电加工（简称EDM），它利用电、热能对零件进行加工。（1）电火花加工的原理电火花加工是利用脉冲放电对导电材料进行蚀除，以获得一定形状和尺寸的加工方法。

（2）电火花加工的特点及应用

1）可用硬度低的紫铜或石墨作为工具电极对任何硬、脆、高熔点的导电材料进行加工，具有以柔克刚的功能；2）可以加工特殊和形状复杂的表面，常用于注塑模、压铸模等型腔模的加工；3）无明显的机械切削力，适宜于加工薄壁、窄槽和细微精密零件；4）由于脉冲电源的输出脉冲参数可任意调节，因而能在同一台床子上连续进行粗加工、半精加工和精加工。

图2-46电火花加工原理示意图

1-工具电极2-工作液箱3-工件电极4-工作液5-绝缘垫6-伺服电机

（3）电火花线切割加工电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种加工工艺（简称WEDM）。其工具电极为金属丝（钼丝或铜丝），在金属丝与工件间施加脉冲电压，利用脉冲放电对工件进行切割加工，因而也称线切割。1）电火花线切割加工的原理

电火花线切割加工的电蚀原理与电火花加工的原理相同。电火花线切割加工的基本设备是数控电火花切割机，它由床身部分、坐标工作台部分（一般均采用十字和滚动导轨、滚动丝杠）、走丝机构和锥度切割装置等主要部件组成。

电火花线切割工作原理示意图

1—进电装置2—导向轮3—金属丝4—工件5—X轴步进电动机6—Y轴步进电动机7—横向工作台8—纵向工作台

2）电火花线切割加工的特点和应用

①可切割各种高硬度材料，用于加工淬火后的模具、硬质合金模具和强磁材料；②由于采用数控技术，可编程切割形状复杂的型腔，易于实现CAD/CAM；③由于几乎无切削力，故可切割极薄工件；④由于金属丝直径小，因而加工时省料，特别适宜于切割贵重金属材料；⑤试制新产品时，可直接将某些板类工件切割出，省去了模具、刀具、工夹具等工装，使开发产品周期明显缩短。3.电解加工电解加工（简称ECM）是电化学加工中的主要加工方法，已成功应用于国防、航空航天、汽车、拖拉机等领域的工业生产。（1）电解加工的原理

电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理将工件加工成形的。电解加工的成形原理如图2-47所示。电解加工的基本设备包括直流设备、电解加工机床和电解液系统三个部分。

电解加工示意图

1-直流电源2-工具阴极3-工件阳极4-电解液泵5-电解液（2）电解加工的特点和应用

1）加工范围广，可加工高硬度、高强度和高韧性的各类导电材料，可加工汽轮机叶片、叶轮等复杂型面；2）生产率高；3）能以简单的直线进给运动一次完成复杂型腔表面的加工，不产生变形和残余应力，也无飞边、毛刺等；

4）可获得较好的表面粗糙度，加工精度不高；5）加工过程中，工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用。

4、激光加工激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高的能量密度靠光热效应加工各种材料的一种新工艺（简称LBM）。(1)激光加工的原理

激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。由于光束的发散角通常不超过0.1°，因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上，焦点处的能量密度可达108～1010W/cm2，温度可高达摄氏1万度，从而使任何材料均在瞬时（＜10－3s）被急剧熔化乃至汽化，并产生强烈的冲击波被喷发出去，从而达到切除材料的目的。常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。如图2-48为固体激光器结构示意图。

图2-48固体激光器结构示意图1-全反射镜2-工作物质3-玻璃套管4-部分反射镜5-聚光镜6-氙灯7-电源(2)激光加工的特点和应用

1）由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料；2）激光束可调焦到微米级，其输出功率可以调节，因此，激光可用于精细加工；3）激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点；4）能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工。

电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精细加工领域，尤其是微电子领域。5.电子束和离子束加工

(1)电子束加工的原理

如图2-49所示为电子束加工原理图。(2)电子束加工的特点

1）电子束加工属于精细加工；2）加工范围广，加工质量好；3）生产率高；4）加工过程易于实现自动化。图2-49电子束加工原理图1—电源及控制系统2—抽真空系统3—电子枪系统4—聚焦系统5—电子束6—工件

(3)离子束加工原理和特点

离子束加工的物理基础是，当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图2-50是其中一种，称为考夫曼型离子源。(4)离子束加工应用

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