第二讲精密超精密加工

第二讲精密超精密加工演示文稿当前1页，总共55页。（优选）第二讲精密超精密加工当前2页，总共55页。

2.精密和镜面磨削

磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为1~10-2μm）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.1～0.05μm的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到Ra0.01～0.002μm的镜面。当前3页，总共55页。3.精密研磨和抛光精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.01～0.02μm的镜面。

超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。当前4页，总共55页。切削在晶粒内进行；切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）；刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。金刚石超精密加工技术

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机理、特点当前5页，总共55页。

用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）；加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料；典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。◆

应用当前6页，总共55页。◆

金刚石刀具

超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石当前7页，总共55页。性质用途

无色透明、正八面体形状的固体，加工后有夺目光泽。

经仔细琢磨后，成为装饰品——钻石。

划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头钻凿坚硬的岩层。

自然界中存在的最硬物质,熔点高。当前8页，总共55页。金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损——∵机械摩擦、非常微小；破损——∵本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。当前9页，总共55页。金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图金刚石车床及其加工照片当前10页，总共55页。

金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速r/min最大进给速度mm/min重复精度(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）表1金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm当前11页，总共55页。精密切削加工精密加工：加工精度为0.1~1um，表面粗糙度为0.02~0.1um。3、增强互换性、促进自动化装配应用。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；当前12页，总共55页。精密加工的关键技术：1、精密加工机床2、金刚石刀具3、精密切削机理5、误差补偿4、稳定的加工环境6、精密测量技术当前13页，总共55页。精密切削研究最早从金刚石车削开始——金刚石铣削——金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料——立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性：过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。当前14页，总共55页。精密切削机理：采用微量切削方法，对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削的主要因素。过渡切削：切削时，刀具的切削刃与工件表面存在的关系。弹性滑动——塑性滑动——切削——塑性滑动——弹性滑动

零件的最终工序的最小切入深度应小于或等于零件的加工精度。当前15页，总共55页。切削力的来源：1、切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；2、刀具与切削同工件表面间的摩擦阻力。切削力F的影响因素：1、切削速度v：硬质合金车刀——不明显天然金刚石车刀——随v增大F降低考虑积削瘤时，低速时切削力随切削速度增加而急剧下降；到200~300m/min时切削力基本不变。2、进给量f：f对主切削力FZ的影响大于径向切削力和轴向切削力。当前16页，总共55页。3、切削深度ap：硬质合金车刀——影响明显天然金刚石车刀——Fz>Fy

精密切削中进给量对切削力的影响大于切削深度。与普通切削相反。4、刀具材料：主要因为摩擦系数不同。切削热的来源：1、弹塑性变形消耗功——热；2、摩擦消耗功——热。切削热通过改变切削温度影响切削过程。切削温度是指切屑、工件和刀具接触表面上的平均温度。当前17页，总共55页。刀具刀尖的温度最高，对切削过程的影响很大。切削热由切屑、工件、刀具和周围介质传导，传导热的比例随刀具材料、切削用量及刀具几何角度、加工情况等的变化有所不同。其中切削传出的热量最多。采用微量切削方法进行精密切削时，需要采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。当前18页，总共55页。精密加工中，热变形引起的加工误差占总误差的40%~70%。因此必须严格控制工件的温升和环境温度的变化。通常采用切削液浇注工件的方法来减小切削热对精密加工的影响。课本上列出了干切削与施加冷却液时的表面粗糙度比较图，见图1.14；不同的切削液对表面粗糙度的影响图，见图1.15。当前19页，总共55页。

切削液的作用：1、抑制积屑瘤的生成；2、降低加工区域温度，稳定加工精度；3、减少切削力；4、减小刀具磨损，提高刀具耐用度。当前20页，总共55页。

刀具磨损、破损及耐用度金刚石刀具可分为：机械磨损、破损和碳化磨损。(前两种比较常见)金刚石刀具破损的原因有：裂纹（结构缺陷）、破碎（金刚石较脆）、解理（破坏晶面结构）。刀具磨损分为：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。天然单晶金刚石是目前已知最硬的材料，是精密切削中最重要的刀具。其磨损或破损到不能使用的标志是加工表面的粗糙度超过规定值。耐用度以其切削路程的长度表示。当前21页，总共55页。精密机床是进行精密加工的首要条件。二战后美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术。我国起步比较晚，20世纪60年代才开始发展精密机床。上海机床厂、武汉和重庆机床厂、北京机床研究所、航空精密机械研究所为我国精密机床发展做出了相当的贡献。我国由于起步晚、且从国外购进的精密机床受到保密技术的制约，与外国的差距较大。精密机床当前22页，总共55页。普通机床主轴径向跳动通常为0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1000mm；精密机床主轴径向跳动通常为0.003~0.005mm，导轨平直度为0.01mm/1000mm；超精密要求则更高，具体精度指标见表1.6。通常，加工设备的精度必须高于零件精度，通常高一个数量级。所以高精度工件的精度保证，取决于加工机床的精度。当前23页，总共55页。精密主轴部件是精密和超精密机床的关键部件之一，它的性能直接影响精密和超精密加工质量。对主轴的要求：回转精度、转动平稳、无振动，其关键在于使用精密轴承。床身和导轨：具有尺寸稳定性好、热膨胀系数小、振动衰减能力强、耐磨性和加工工艺性好等。通常用优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。进给驱动系统：精密机床必须具有精密的进给驱动精度。精密和超精密加工的精度由检测精度来保证的，为了消除误差，必须使用误差补偿技术。当前24页，总共55页。超精密切削加工发展：20世纪60年代发展起来的新技术，在国防和尖端技术领域具有重要地位。服从金属切削的普遍规律，但由于切削层极薄，所以又具有一定的特殊性。

发展方向：1、基本理论和工艺；2、设备的精度、动态性及热稳定性；3、精度检测和误差补偿；4、环境控制技术；5、加工材料。当前25页，总共55页。精密磨削加工

磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要工具。特点：1、可加工一般结构材料：铸铁、碳钢、合金钢；难以切削高硬度材料：淬火钢、硬质合金、陶瓷、玻璃等。2、精度高、表面粗糙度小：IT5及以上，Ra为1.25~0.01um当前26页，总共55页。3、径向作用力大且作用在工艺系统刚性较差的方向上。4、磨削的温度高，磨削产生的切削热多：80%~90%传入工件。故应大量采用切削液来降低磨削温度。5、砂轮有自锐作用：磨粒破碎，形成新的菱角。6、磨削加工的工艺范围广：外圆面、内圆面、平面等。7、磨削在切削加工中的应用比例增大：发达国家占到30%~40%。当前27页，总共55页。

精密磨削加工：细粒度的磨粒或微粉、高精度小表面粗糙度值。是利用微小的多刃刀具去除细微切屑的一种加工方法。一般指砂轮磨削和砂带磨削。分类：研磨、超精加工、珩磨、抛光等等。固结磨料加工：固结磨具：磨料微粉结合剂通过烧结形成砂轮、砂条涂覆磨具：通过涂覆在纸、布或复合材料基底上。涂覆方法有重力落砂法、涂覆法、静电植入法。游离磨料加工（见本课件第48页）当前28页，总共55页。在精密和超精密磨削中，磨料大多使用超硬磨料：立方氮化硼。磨粒的粒度影响加工的表面粗糙度值，粒度号数越大，加工表面的粗糙度值越小。精密砂轮磨削：粒度60~80、精度1~0.1um、Ra为0.2~0.25um。超精密砂轮磨削：粒度W40~W5、精度0.1um、Ra为0.025~0.008um。当前29页，总共55页。说明：1、磨粒是不规则的菱形，在砂轮表面随机分布。，一般只有10%的磨粒参与切屑。磨粒的微刃性和等高性好，获得的表面粗糙度值小。2、磨削温度很高。磨粒磨削点温度：800~1200°，影响加工质量和磨粒的磨损。砂轮磨削区：几百度，与磨削烧伤和裂纹的出现有关。影响因素：砂轮速度、工件速度、径向进给量、工件材料、砂轮的粒度与硬度。当前30页，总共55页。3、磨削液的作用：冷却作用、润滑作用、清洗作用等。一般选用乳化液和离子型磨削液。4、磨削加工一般安排在最后的终加工阶段。5、磨削质量评价：加工表面的几何特征：表面粗糙度、加工表面缺陷加工表面层材料的性能：塑性变形与加工硬化、残余应力与金相组织变化。6、磨削力的影响因素：砂轮速度、工件速度及进给量、砂轮的磨损。当前31页，总共55页。7、磨削质量和裂纹控制：表面粗糙度：砂轮速度越高、工件速度越低、砂轮粒度越大、纵向进给越小粗糙度值越小；冷作硬化：发生塑性变形，表面层金属硬度增加；金相组织变化：磨削烧伤：表面层被氧化；表层金属的残余应力：精细磨削中塑性变形起主导作用，工件表面金属产生压缩残余应力。当前32页，总共55页。8、磨削机床要求：高几何精度：砂轮主轴的回转精度、导轨的直线度；低速进给运动的稳定性：无爬行和无冲击；减少振动：防振地基上；减少热变形：机床开启后3~4h趋向热平衡，精密磨削需在热变形稳定后进行。当前33页，总共55页。

精整加工是生产中常用的精密加工，它是指在精加工之后从工件上去除很薄的材料层,以提高工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法,如研磨、珩磨等。

光整加工是指不去除或从工件上去除极薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工方法，如超级光磨、抛光等。精整和光整加工当前34页，总共55页。1.加工原理

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精加工方法。具体说：利用微小磨粒借助于研具与工件的相对运动作微小切削。有磁性研磨、弹性发射加工、悬浮抛光等。采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可对内圆、外圆和平面等进行研磨。

一、研磨当前35页，总共55页。

图示为研磨外圆的工具。研磨套2由夹套1夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。

研磨外圆的工具

1-夹套；2-研磨套；3-调节螺钉；4-手柄。当前36页，总共55页。为了磨料能嵌入研磨套的内表面，研磨套的材应软些，常用的是铸铁。研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂，将该工具套在工件上，并调节好配合的松紧程度，然后让工件旋转，手持研磨工具在轴向来回移动，直至达到研磨的要求为止。当前37页，总共55页。

研磨剂是很细的磨料(粒度为W14～W15)、研磨液和辅助材料的混合剂。常用的有液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）三种。主要起研磨、吸附、冷却和润滑等作用。

2.研磨的特点与应用

1)精度高质量好

经研磨后的工件表面,尺寸精度可达IT4～IT1级；表面粗糙度值可减小到0.1~0.006μm。形状精度亦可相应提高。当前38页，总共55页。

2)生产效率低，加工余量小

3)研磨剂易飞溅，污染环境。

在现代制造业中研磨应用很广，许多精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、陶瓷元件、光学镜头及棱镜等零件均需研磨。当前39页，总共55页。

1.加工原理

利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作往复振动、相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的工件精加工方法。

2.特点与应用

一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，表面粗糙度Ra值可达0.2～0.025μm。珩磨加工的工件表面质量特性好、加工精度和加工效率高，加工应用范围广、经济性好。

二、珩磨当前40页，总共55页。◆

砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好◆

特点：当前41页，总共55页。分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法—①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；②电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整◆

砂轮修整：当前42页，总共55页。进给＋－图7ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷◆

ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。当前43页，总共55页。砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图8）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图9）。接触轮硬磁盘—装在主轴真空吸盘上图8砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动◆

精密与超精密砂带磨削当前44页，总共55页。图9

用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）当前45页，总共55页。闭式砂带磨削方式（图10）a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮当前46页，总共55页。

砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra

值可达0.02μm）。3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图11静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图11），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。当前47页，总共55页。精密砂带磨削工艺：砂带磨削用量选择：砂带速度：闭式粗磨12~30m/s、精磨25~30m/s；工件速度：粗磨20~30m/min、精磨20m/min。砂带选择：根据精度和表面粗糙度要求选择磨料种类、粒度、基底材料等。砂带磨削的润湿与除尘：考虑砂带粘结剂和基底材料的种类。当前48页，总共55页。工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图12弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（图12）机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用★弹性发射加工◆游离磨料加工抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.1～0.01μm当前49页，总共55页。

1.加工原理

用细粒度的磨具对工件施加一定压力，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。磨具与工件之间的运动如下：

1)工件作低速旋转运动,ν工＝3～20m/min;