精密与特种加工技术课件

精密与特种加工技术Precisionandultraprecisionmachining1第1章概论21.1精密与特种加工技术的产生及发展制造技术的发展：石器时代=>青铜器时代=>铁器时代=>高分子材料时代；手工制作=>机器制作=>智能控制自动化制作；一般精度加工=>精密加工=>超精密加工及纳米加工。现代科学技术的迅猛发展使机械制造业面临的严峻任务：难切削材料的加工；钛合金、硬质合金、淬火钢特殊复杂性面的加工；叶片、发动机机匣、小孔、窄缝超精密、光整零件的加工；陀螺仪、光学透镜、曲面镜特殊零件的加工。光盘基片、微型零件、细长轴精密加工和特种加工是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术的重要组成部分，代表了当前先进制造技术发展的重要方向，在制造业乃至社会发展进程中起到非常重要的作用。目前精密与特种加工技术已成为零件制造的重要工艺技术手段，成为世界制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前沿。31.2精密与特种加工的特点及影响精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；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（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等

）。特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也称为非传统加工技术。

41.2精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工技术的广泛应用对制造业的影响：提高材料的可加工性；改变了零件的典型工艺路线；大大缩短了新产品的试制周期；影响产品零件的结构设计；影响传统的结构工艺型好与坏的衡量标准。51.2精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术，要获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备及工艺装备、检测方法、工作环境、人的技艺水平等等。61.2精密与特种加工的特点及影响加工机理上：近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

71.2精密与特种加工的特点及影响被加工材料：

用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在10-2～10-3数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到10-5～10-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。

81.2精密与特种加工的特点及影响加工设备及其基础元部件：

(1)高精度。(2)高刚度。(3)高稳定性。(4)高自动化。加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。91.2精密与特种加工的特点及影响加工工具：

加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。101.2精密与特种加工的特点及影响检测与误差补偿：尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。111.2精密与特种加工的特点及影响工作环境：环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。121.2精密与特种加工的特点及影响工作环境：环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。131.3精密与特种加工的方法与分类分类加工机理加工方法去除加工化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）熔化（液体）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工化学附着化学结合电化学附着电化学结合热附着扩散结合熔化结合物理附着注入化学镀，气相镀氧化，氮化电镀、电铸阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工变形加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工141.3精密与特种加工的方法与分类分类加工方法可加工材料应用切削加工等离子体切削微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工微细磨削研磨抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工电火花成形加工电火花切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工导电金属，非金属导电金属金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线划线，图形成形复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面151.3精密与特种加工的方法与分类工具等加工装置材料用途、零件等镜面切削金刚石刀具刃口锋利化利用CBN刀具切削钢金刚石刀具得结晶方位选择金刚石刀具刃口评价改进型SEM采用空气轴承、流体轴承及空气道轨等高精度化高刚度化冷却、控温、防振采用高速运算装置控制

Al、Cu、塑料等软质材料无电解Ni膜Ge，SiKDP、LiNbO3、玻璃磁盘基板各种模具各种发射镜红外用光学元件激光核聚变用光学元件X射线天体望远镜用元件镜面磨削树脂结合剂金刚石砂轮添加Mo2S2、WS2、C等铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整铁氧体精细陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁头红外用光学元件非球面玻璃透镜各种模具镜面研磨沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂抛光盘微细磨料、软质磨料、易微细化的磨料软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具－EEM及浮动抛光

基于理论分析的平面研磨机大口径光学元件用研磨机水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精细陶瓷CVDSiC膜玻璃压电滤波器基片SAW元件基片半导体基片各种模具SOR用X射线光学元件激光核聚变用各种光学元件投影透镜161.4精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术水平是国家制造工业水平的重要标志之一

精密与特种加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。171.4精密与特种加工技术的地位和作用精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键日本在第二次世界大战后，大力发展制造技术，特别是精密技工技术，使机械制造业的水平有了很大的提高，有力地支持了相关工业领域的发展，在汽车制造业和微电子工业方面取得了显著成绩，在短短30年中，从一个战败国发展成为经济强国。计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。181.4精密与特种加工技术的地位和作用国防工业上的需求超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。

大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。19服役的哈勃望远镜20212223狮子座螺旋星系24宇宙深处的星体25银河系环形星群2627281.4精密与特种加工技术的地位和作用信息产品中的需求计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。民用产品中的需求现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。29目前常见的精密与特种加工技术简介信息产品中的需求计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。民用产品中的需求现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。30目前常见的精密与特种加工技术简介机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。定位误差小于0.051μm；主轴回转误差小于0.051μm；激光测量系统综合误差小于0.0025μm。美国LLL实验室的大型光学金刚石车床31目前常见的精密与特种加工技术简介机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。32目前常见的精密与特种加工技术简介机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。英国Cranfield公司的OAGM2500大型超精密机床33目前常见的精密与特种加工技术简介有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm。日本AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床34目前常见的精密与特种加工技术简介三轴数控精密电火花成形机35目前常见的精密与特种加工技术简介36目前常见的精密与特种加工技术简介三轴数控精密电火花成形机37目前常见的精密与特种加工技术简介电火花线切割切割厚度400mm最大切割速度140mm2/min加工表面粗糙度Ra≤1.25um38目前常见的精密与特种加工技术简介39目前常见的精密与特种加工技术简介慢走丝线切割机床最大加工厚度：210mm加工精度：<0.005mm最大加工速度：≦220mm2/min最佳加工表面粗糙度：Ra≦0.5μm40目前常见的精密与特种加工技术简介电火花穿孔机加工直径:0.3-3.0mm最大深径比:300：1

加工速度：30-60mm/min。

能直接从斜面、曲面穿入。

41目前常见的精密与特种加工技术简介喷油嘴针阀体油槽电解加工全自动电脑数控机床42目前常见的精密与特种加工技术简介43目前常见的精密与特种加工技术简介激光切割机适用材料：亚克力、木板（轻木、桐木）、竹制品、双色板、纸张、皮革、布料、橡胶、树脂、ABS板、灯罩等非金属材料。最大切割厚度：≤15mm定位精度：±0.01mm

44目前常见的精密与特种加工技术简介45目前常见的精密与特种加工技术简介激光打孔机应用领域：PCB电路板钻孔重复定位精度：±0.005mm定位精度：±0.005mm钻孔精度：±0.02mm

最高打孔速度：500个/秒电力需求：380V/三相/50Hz/40A46目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-W180V型大型激光模具焊接机采用非工作台操作方式，主要用于特、大、中型模具修补，模具置于推车、叉车或地上进行修补。热影响区域小，不会导致精密模具变形。焊接深度大，焊接牢固。溶化充分，不留修补痕迹。溶池溶料凸起部份与基体结合处无凹陷现象。47目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-W90型激光点焊机

AHL-W90激光首饰点焊机专门针对电子行业和首饰行业设计，是引进德国先进设计技术改进而成，该系列产品采用人体工学设计，并采用国际顶级配件生产，可用于金银首饰、电子元器件补孔、点焊砂眼、焊镶口等。48目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-AW400型通用自动激光焊接机49目前常见的精密与特种加工技术简介超声波清洗机适用范围于电子零件、五金机械、电镀零件、钟表、（表带、表壳）眼镜架、镜片、珠宝首饰、半导体硅片、喷丝板、过滤芯、玻璃器皿等等的清洗。50目前常见的精密与特种加工技术简介超声波塑焊机目前超声波焊接已经是一种成熟的熔接技术，各种熟塑性胶件均可使用超声波熔接处理，且不需加溶剂、粘接剂或其他辅助品。其优点是简单、快速、生产效率高、低成本，焊接质量好。51目前常见的精密与特种加工技术简介52目前常见的精密与特种加工技术简介电子束焊接电子束技术包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术，电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。53目前常见的精密与特种加工技术简介电子束焊接54目前常见的精密与特种加工技术简介高压水射流切割平台有效工作行程：300×1300×150(mm)；结构形式：龙门移动式；数控系统：步进系统；切割功能：任意平面曲线；切割精度：±0.1mm；重复定位精度：±0.02mm；最大压力：300Mpa；使用压力：<300Mpa；增压比：19：1；可用水喷嘴最大直径：0.3mm；电压：380V/5OHz55目前常见的精密与特种加工技术简介高压水射流切割产品应用范围极其广泛，玻璃、石材、建筑陶瓷、黑色金属、有色金属、纸张、要板、布匹、皮革、橡胶、复合材料、海绵等，几乎包括所有能想象的一切材料。而且该产品切割速度快、切缝窄、切口光滑、无热变形、加工成本低，正日益广泛的应用在军工、航天、航空、船舶、汽车、制衣、电子、建筑、广告等行业中，这是一种绿色无污染的高新技术产品。56目前常见的精密与特种加工技术简介57目前常见的精密与特种加工技术简介等离子切割应用范围：各种冷轧板、镀锌板、铝板、不锈钢板、铜板等金属薄板切割厚度：钢板5毫米、不锈钢3毫米加工面积：1.2米X1.4米58目前常见的精密与特种加工技术简介挤压珩磨对各种原料模、拉伸模、型材挤压模、注射模等复杂型腔表面进行珩磨抛光；对零件上隐蔽的交叉孔、异形孔、台阶孔和各类具有较复杂内外形的零件进行珩磨抛光；可以去除电火花加工或激光加工后的表面硬化层及微观缺陷；可以对铜、铝、淬火钢、陶瓷、硬质合金和非金属的零件进行珩磨抛光；表面粗糙度可达0.05μm。

59目前常见的精密与特种加工技术简介60第2章金刚石刀具精密切削加工61第2章

金刚石刀具精密切削加工超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005µm，加工精度<0.01µm)。用于加工：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。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。62

超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000～2000m/min，而刀具的磨损甚小。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动特性选取，即选择振动最小的转速。天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。63超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度64超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度单晶金刚石车刀磨损区概况65超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度刀刃磨损的正常情况剧烈磨损情况可以看到磨损后成层状即刀具磨损为层状微小剥落66

超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度沿切削速度方向出现磨损沟槽即由于金刚石和铁、镍的化学和物理亲和性而产生的腐蚀沟槽金刚石切削时，由于微小振动产生刀刃的微小崩刃67超精密切削时积屑瘤的生成规律68切削速度对积屑瘤生成的影响69

不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。切削速度对积屑瘤生成的影响70

在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f＝5μm/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。进给量f对积屑瘤生成的影响71在背吃刀量<25μm时，积屑瘤的高度变化不大，但在背吃刀量>25μm后，h0值将随着背吃刀量的增加而增加。背吃刀量

对积屑瘤生成的影响72

积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。积屑瘤对切削力的影响731）积屑瘤前端R大约2～3μm，实际切削力由刃口半径R起作用，切削力明显增加。2）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。3）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加hD-hDu，切削力增加。有积屑瘤时的超精密切削模型74

积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。积屑瘤对加工表面粗糙度的影响75在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。切削速度对加工表面粗糙度的影响76不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面—镜面。切削速度对加工表面粗糙度的影响77在进给量f<5μm/r时，均达到Rmax<0.05μm的加工表面粗糙度。进给量对加工表面粗糙度的影响78修光刃长度常取0.05～0.20mm。修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大。修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取2～5mm。修光刃长度对加工表面粗糙度的影响79在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量的变化对加工表面粗糙度影响很小。背吃刀量对加工表面粗糙度的影响80背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。背吃刀量对加工表面残余应力的影响81刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口半径为0.6μm、0.3μm82刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响在相同背吃刀量的情况下，更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。83刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响在相同进给量的情况下，更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。84刃口锋锐度对切削力的影响锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。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。因为背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变形已占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。所以在背吃刀量很小的精切时，应采用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀。85刃口锋锐度对切削表面层的冷硬的影响

LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用p＝0.3μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用p＝0.6μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为205HV。1）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；2）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。86刃口锋锐度对加工表面组织位错的影响刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。87刃口锋锐度对加工表面残留应力的影响1）刃口半径越小，残留应力越低；2）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。88刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系

使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削。要使最小切削厚度1nm，可估算金刚石刀具刃口半径为3～4nm。

用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：刀具被切材料最小切削厚度W18Cr4VQ235钢0.248ρW18Cr4V45钢0.274ρYG8Q235钢0.350ρYG845钢0.377ρ89刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响一、金刚石晶体的摩擦系数1）（100）晶面的摩擦系数曲线有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；2）（100）晶面的摩擦系数最低；（110）最高；3）（100）晶面的摩擦系数差别最大；（110）晶面最小。90

比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑变形系数和比较剪切角大小。1号车刀：前、后面为（100）晶面；2号车刀：前、后面为（110）晶面。（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。（三）剪切角：结论：用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）晶面的2号车刀。刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响二、晶面不同对切削变形的影响91用（100）晶面的1号车刀和（110）晶面的2号车刀，在相同的切削条件下加工紫铜，改变进给量得到的加工表面粗糙度相差不多。

这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的。所以用摩擦系数小的（100）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使切削变形减小，并可减小后刀面与加工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力。刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响三、晶面不同对加工表面质量的影响92

通过对比实验，（110）晶面的刀具磨损较快，切削相当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05μm；（100）晶面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表面粗糙度仍<0.05μm，即刀具耐用度明显较高。刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响四、晶面不同对刀具磨损的影响931）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。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构超精密切削对刀具的要求94硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体的性能9596979899100101102103104105晶胞

晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。

刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构106晶胞XYZabc晶格常数a，b，c

组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。

根据6个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于7种类型，即7个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金刚石属于六方晶系。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构107XYZabc晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原子面。晶轴：与晶面垂直的轴刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体中的晶面和晶轴108晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来。许多性能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这种符号叫做“晶面指数”。确定晶面指数的步骤如下：

（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。

（2）将所得三截距之值变为倒数。

（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体中的晶面指数:109晶面指数的意义：晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶面指数的例子110刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石的晶体结构金刚石是典型的原子晶体，在这种晶体中的基本结构微粒是碳原子。每个碳原子与四个碳原子形成共价单键，键长为15.5nm，键角为109°28′，构成正四面体。每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。因此，可以把整个晶体看成为一个巨大的分子。由于C—C键的键能大（为347kJ/mol），价电子都参与了共价键的形成，使晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达3550℃，并且不导电。111刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石的晶体结构112根据晶体学原理，金刚石属于立方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石的晶体结构113晶面（面网）（100）（110）（111）面网的最小单元面积原子数4x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=2面网密度（致密度）面网距D－金刚石晶体中单位晶胞的棱边长刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距114

解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。（111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体的解理现象115刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向1161)A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x10－5µm3/(Nms－1)；2)B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x10－5µm3/(Nms－1)；3)C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为：1x10－5µm3//(Nms－1)。可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向117高磨削率方向称为“好磨方向”，低磨削率方向称为“难磨方向”。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向118刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体研磨时摩擦系数的各向异性1191)(110)晶面摩擦系数最大，(100)晶面次之，(111)晶面最小。2)(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)摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数低时磨削率也低。摩擦系数曲线的波峰方向即是磨削率最高的“好磨方向”；摩擦系数曲线的波谷方向即是磨削率最低的“难磨方向”。4)根据摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构金刚石晶体研磨时摩擦系数的各向异性120金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理的积累；金刚石晶体的破损机理，主要产生于（111）晶面的解理。当垂直于（111）面的拉力超过某特定值时，两相邻的（111）面分离，产生解理劈开。刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，所以刀刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构单晶金刚石刀具的磨损破损机理121由图可看出，当作用力相同时，（110）面破损的机率最大，（100）面破损机率最小。设计金刚石刀具时，应选用微观强度最高的（100）作为金刚石刀具的前面和后面。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构单晶金刚石刀具的磨损破损机理122六面体金刚石晶体外表面都是正方形，它的六个面和八个角都是相同的，具有对称性。六面体的六个外表面及其平行面都是（100）晶面。六面体的八个角都是都是由三个相互垂直的（100）晶面所组成的。六面体中，与每两对棱的中点连线方向垂直的是（110）晶面；与两对应角连线相垂直的是（111）晶面。八面体八个外表面都是等边三角形，它的八个面和六个角是相同的，具有对称性。八面体的外表面及其平行面都是（111）晶面，通过四个对称顶角的面是（100）晶面，通过两个对称顶角和两个对称边中点的面是（110）晶面。棱形十二面体的十二个外表面及其平行面呈棱形，是（110）晶面，与两个对应三个面交点连线垂直的是（111）晶面，与两个对应四个面交点的连线垂直的是（100）晶面。金刚石晶体的定向金刚石晶体的人工目测定向123当一定波长的X光束穿透晶体，晶体内振动的电子将在各个方向发出散射光，该散射光在某些方向被反射增强，形成所谓的衍射光束，能在荧光屏上观察到，并能使照片底片感光。在满足反射的条件下，只有原子密集的晶面，如（100）（111）（110）晶面反射的X光才能观察到衍射图像。将金刚石放在X光束照射下，改变X光的入射角度，观察衍射图像的变化。当衍射图像中的光点出现4次、3次或2次对称现象时，X光束已经和金刚石的4次、3次或2次对称轴重合，确定了晶体的4次、3次或2次对称轴的方位，同时也确定了（100）（111）或（110）晶面的空间方位。金刚石晶体的定向金刚石晶体的X射线定向124原理：利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的。金刚石晶体的定向金刚石晶体的激光定向125金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。（100）（110）（111）光像叶瓣所指方向是该晶面的好磨方向。金刚石晶体的定向金刚石晶体的激光定向126激光定向的优点：1）设备价格便宜；2）操作简便，对操作者无害；3）直观；4）定向精度可满足生产需要，低于X射线晶体定向，但更适宜生产使用。金刚石晶体的定向金刚石晶体的激光定向127金刚石刀具的设计与制造128金刚石刀具的设计与制造129金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计130衡量金刚石刀具的标准：能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）设计的主要问题：优选切削部分的几何形状；前、后面选择最佳晶面；确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计131金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具切削部分的几何形状132金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.1～0.2mm国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.5~3mm。金刚石刀具的主偏角，平时采用30～90度，用得较多的是45度。金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具切削部分的几何形状133金刚石刀具的设计与制造134前角后角副偏角主偏角刃倾角金刚石刀具的设计与制造135为增加刀刃的强度，采用较大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得较小。后角：多采用加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取前角：根据加工材料，切铝、铜合金前角取前角和后角金刚石刀具的设计与制造136金刚石车刀举例金刚石刀具的设计与制造1：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm137应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（111）不适合作前后面。推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面，理由如下：1、（100）晶面的耐磨性高于（110）晶面；2、

（100）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，（100）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多；3、

（100）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（110）晶面的摩擦系数。金刚石刀具前、后刀面晶面选择金刚石刀具的设计与制造138对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。在小刀头上的固定方法有：机械夹固粉末冶金法固定粘结或钎焊固定

一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。金刚石刀具的固定方法金刚石刀具的设计与制造139金刚石刀具的研磨加工金刚石刀具的设计与制造140粗研是为了去除余量，粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金刚石微粉的粒度有关。

找到所磨晶面的好磨方向线速度高加大研磨压力（9～12N）研磨效率高粗粒度的微粉（初期）细粒度的微粉（后期）金刚石刀具的研磨加工金刚石刀具的设计与制造141精研：提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小研磨盘质量越好，研磨效果越好研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。金刚石刀具的研磨加工金刚石刀具的设计与制造142精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代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；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。

精密和超精密机床发展概况超精密机床及其关键部件143UnionCarbide公司的半球机床能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。典型机床简介超精密机床及其关键部件144Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。典型机床简介超精密机床及其关键部件145Pneumo

公司的MSG-325超精密车床采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。典型机床简介超精密机床及其关键部件146DTM-3大型超精密车床采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在DC伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。典型机床简介超精密机床及其关键部件147大型光学金刚石车床LODTM机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。典型机床简介超精密机床及其关键部件148OAGM2500大型超精密机床机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。典型机床简介超精密机床及其关键部件149AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01μm，激光测量反馈，定位精度全行程0.03μm。加工模具形状精度0.05μm，表面粗糙度0.025μm。典型机床简介超精密机床及其关键部件150主轴回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承。精密主轴部件超精密机床及其关键部件151按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为:液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体静压润滑轴承按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承（向心）推力滑动轴承（止推）轴承的分类超精密机床及其关键部件152动压润滑轴承

利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。超精密机床及其关键部件153静压润滑轴承

在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。超精密机床及其关键部件154Fa轴承座径向轴瓦止推轴瓦径向轴承（向心轴承）径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直止推轴承（推力轴承）止推轴承受力Fa与轴的中心线平行Fr超精密机床及其关键部件155静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承液体静压轴承工作原理超精密机床及其关键部件156

1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。

2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。解决措施：

1）提高静压油的压力到6～8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。

2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。

3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。液体静压轴承的缺点超精密机床及其关键部件157径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。轴套的外表面做凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴鼓为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。空气静压轴承超精密机床及其关键部件圆柱径向轴承158前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。双半球空气轴承主轴超精密机床及其关键部件159前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴超精密机床及其关键部件160立式空气轴承超精密机床及其关键部件161超精密机床主轴和轴承的材料超精密机床及其关键部件1）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。2）不易生锈腐蚀。3）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。4）材料的稳定性好。38CrMoAl氮化钢，经表面氮化和低温稳定处理，不锈钢和多孔石墨和轴承钢。此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。1621）电动机通过带传动驱动2）电动机通过柔性联轴器驱动3）采用内装式同轴电动机驱动主轴的驱动方式超精密机床及其关键部件163

优质耐磨铸铁——成本低、有良好减振性和耐磨性、易于铸造和切削加工。导轨常用的铸铁——灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁。灰铸铁应用最多的牌号是HT200。

常用的孕育铸铁牌号是HT300，耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨。耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁。与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高，常用于精密机床导轨床身和导轨的材料超精密机床及其关键部件164床身和导轨的材料超精密机床及其关键部件花岗岩——比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。人造花岗岩——由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。165导轨的作用和特点超精密机床及其关键部件导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：1）工作速度低。2）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节之一。3）受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。4）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。166导向精度高:导轨在水平面内和垂直面内的直线度、导轨的平行度、导轨间的垂直度。足够的刚度：外力作用下导轨本身抵抗变形的能力。精度保持性（耐磨性）好：降低导轨面的比压；良好的防护与润滑；正确选择导轨副的材料和热处理；选择合理的加工方法。运动的灵敏度：是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。导轨的基本要求超精密机床及其关键部件1671）滑动导轨两导轨面间是滑动摩擦。又可按两导轨面间的摩擦状态的不同而分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨。2）滚动导轨两导轨面间是滚动摩擦。又可按中间滚动体的不同而分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承导轨等。导轨的分类超精密机床及其关键部件168滑动导轨分两大类——凸形和凹形，凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动。凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置。超精密机床及其关键部件169

三角形导轨支承导轨为凸形时——山形导轨支承导轨为凹形时——V形导轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度。支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油，适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨。支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨，必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件170

矩形导轨矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整,侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差,适用于载荷较大而导向性要求不高的机床导轨的结构形式超精密机床及其关键部件171燕尾形导轨燕尾形导轨——结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂，一般用作中、低速的多层导轨。圆柱形导轨圆柱形导轨制造简单，要求加工时就直接达到较高精度，磨损后很难调整和补偿间隙，圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件172导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性，很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难,适用于精度要求较高的机床,在载重偏离中央时，仍能保持良好导向，美国Moore公司生产的坐标镗床、坐标测量机采用双三角形导轨。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件双三角形组合173具有较大的承载能力、制造调整比较简单，导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响，多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件双矩形组合174导向性好、制造方便和刚度高,应用最广泛,如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件三角形－矩形组合175两个燕尾平面同时起导向及压板作用，不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大，用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合，如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等。导轨的结构形式超精密机床及其关键部件燕尾形组合176滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。特点：摩擦系数小（0.0025～0.005）静、动摩擦系数很接近运动轻便灵活；运动所需功率小；摩擦发热少；磨损小；精度保持性好(钢制淬硬导轨修理期间隔可达10～15年)

低速运动平稳性好，一般没有爬行现象滚动导轨超精密机床及其关键部件177滚动导轨的优点：移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约0.1～0.2μm）。滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；维护方便（只需更换滚动体）；高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起滚动导轨超精密机床及其关键部件178滚动导轨的应用:需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床、仿形机床等。外圆磨床砂轮架为实现微量进给：工具磨床为手摇工作台轻便；立式车床为提高速度；平面磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨。滚动导轨超精密机床及其关键部件179工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨液体静压导轨超精密机床及其关键部件180液体静压导轨超精密机床及其关键部件181液体静压导轨超精密机床及其关键部件182气浮导轨超精密机床及其关键部件常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国Pneumo公司的MSG－325使用气浮导轨。183空气静压导轨超精密机床及其关键部件

运动件的导轨面，上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高。静压空气的节流方式：多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流。静压空气压力4～6大气压。184数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。伺服系统的组成进给驱动系统185位置控制模块速度控制单元伺服电机

工作台

位置检测测量反馈伺服驱动装置指令速度环位置环速度检测闭环进给伺服系统结构进给驱动系统1861、位移精度高2、稳定性好3、快速响应4、调速范围宽5、低速大扭矩伺服系统的基本要求进给驱动系统187对超精密机床，刀具和工件的z向和x向运动以及加工非球曲面的精密回转工作台都是由精密数控系统进行控制的。精密数控系统通过直流伺服电机或交流伺服电机，双频激光测量系统检测z向和x向的位移反馈给精密数控系统，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。精密数控系统进给驱动系统188滚珠丝杠副驱动进给驱动系统189进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。为减小滚珠丝杠的径向圆跳动和轴向跳动对导轨直线运动的影响，采用螺母和工作台柔性连接，即螺母装在柔性的过渡连接块上再和工作台固定。滚珠丝杠副驱动进给驱动系统190液体静压和空气静压丝杠副驱动进给驱动系统191进一步提高导轨运动的平稳性和精度，优于滚珠丝杠副的驱动。摩擦驱动进给驱动系统192微量进给装置具有微量移动或微量转动及微量进给等功用。微量进给机构应满足的要求：

1）精微进给和粗进给应分开；

2）运动部分必须是低摩擦和高稳定度的；

3）末级传动元件必须具有很高的刚度；

4）微量进给机构内部联接必须是可靠联接；

5）工艺性好，容易制造；

6）微量进给机构具有好的动特性；

7）微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。对微量进给装置的要求微量进给装置1931）实现微量进给；2）实现超薄切削；3）在线误差补偿；4）用于切削加工非轴对称特殊型面。微量进给装置的应用微量进给装置194机械结构弹性变形微量进给微量进给装置195

压电材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。

压电陶瓷是一种具有能量转换功能的陶瓷，在机械力的作用下发生形变时，会引起表面带电。带电强度的大小，可以和施加电场的强度成正比，也可以成反比。因此，能够在各个领域中得到广泛应用。压电陶瓷PZT。压电和电致伸缩传感器进给装置微量进给装置196两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起，正极联在一起，负极联在一起。要提高电致伸缩传感器的动态特性，应减少传感器中的陶瓷片，减少传感器的电容量。电致伸缩传感器的结构和性能微量进给装置197电致伸缩式微量进给装置的结构微量进给装置198电致伸缩式微量进给装置的结构微量进给装置199电致伸缩式微量进给装置的结构微量进给装置200电致伸缩式微量进给装置的结构微量进给装置201电致伸缩式微量进给装置的结构微量进给装置202

超精密机床的工件的形状由机床的两坐标（z向和x向）的精密数控系统来控制工件和刀具的相对位置。精密数控系统现在采用闭环控制，即机床的运动部件的位移用装在机床内部的双频激光干涉测距系统随机精确检测，将数据反馈给精密数控系统，保证位移运动的高精度。激光在线检测系统的工作原理机床运动部件位移的激光在线检测系统203美国HP公司生产的HP5501两坐标双频激光干涉测量系统。主轴箱作z向运动，刀架作x向运动。激光测量系统的分辨率为0.01微米，大部分激光光路采用封闭。MSG－325超精密机床的激光检测系统机床运动部件位移的激光在线检测系统204三坐标测量机激光位移测量系统机床运动部件位移的激光在线检测系统205LODTM大型光学金刚石车床激光测量系统机床运动部件位移的激光在线检测系统2061、各部件的尺寸稳定性好

1）采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件；

2）各部件经过消除应力；2、结构刚度高，变形小

1）结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度；

2）各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。机床的稳定性机床的稳定性和减振隔振207隔振的目的是采用一定的隔振措施，使环境振动不致影响精密设备的正常工作。根据隔振措施的