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精密和超精密加工技术

课堂练习及复习华南理工大学陈松茂讲师1/272023年9月16日精密和超精密加工代表了加工精度发展不一样阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为普通加工、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0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间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之间加工方法称为超精密加工。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师2第一章精密和超精密加工技术及其发展展望2/27以下哪些是精密和超精密加工分类？A.去除加工；B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工；F.特种加工；G.复合加工；影响精密与超精密加工原因有哪些？

加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差赔偿、工作环境等。

我国今后发展精密与超精密加工技术重点研究内容包含什么？（1）超精密加工加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差赔偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师3全部都是3/27举例说明超精亲密削应用范围有哪些？

陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机多面棱镜、录像机磁头、复印机硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成零件。超精亲密削速度是怎样选择？

超精亲密削实际速度选择依据所使用超精密机床动特征和切削系统动特征选取，即选择振动最小转速。金刚石刀具尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，所以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制约。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师4第二章超精亲密削与金刚石刀具4/27举例说明超精亲密削应用范围有哪些？

陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机多面棱镜、录像机磁头、复印机硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成零件。超精亲密削速度是怎样选择？

超精亲密削实际速度选择依据所使用超精密机床动特征和切削系统动特征选取，即选择振动最小转速。金刚石刀具尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，所以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制约。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师55/27刃口锋锐度对加工表面粗糙度影响？刃口锋锐度对加工表面有一定影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐刀具切出表面粗糙度更小。刀刃锋锐度对切削变形和切削力影响？刀刃锋锐度不一样，切削力显著不一样。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。刀刃锋锐度对切削表面层冷硬和组织位错影响？

刃口半径越小，加工表面变质层冷硬度越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。刀刃锋锐度对加工表面残留应力影响？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。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师66/27超精亲密削时极限最小切削厚度是多少？

1nm。金刚石刀具不一样晶面摩擦原因怎样？（100）晶面摩擦系数最低，（110）最高；（100）晶面摩擦系数差异最大；（111）晶面最小。金刚石刀具磨损和破损特点是什么？书P26。超精亲密削对刀含有什么要求？极高硬度、极高耐磨性和极高弹性模量。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。刀刃无缺点，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑镜面。与工件材料抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好加工表面完整性。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师77/27金刚石属于什么晶系？不一样面体金刚石主要有哪几个晶面和晶轴？见书本P31。金刚石刀具不一样晶面面网及面网密度是怎样计算？其百分比是多少？见书本P31-32。什么叫金刚石晶体解理现象？哪个晶面最轻易解理？为何？解理现象是一些晶体特有现象，晶体受到定向机械力作用时，沿平行于某个平面平整劈开现象（111）面宽面间距（0.154nm）是金刚石晶体中全部晶面间距中最大一个，而且其中连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石解理现象即沿解理面（111）平整劈开两半，且金刚石破碎和磨损都和解理现象直接相关。金刚石刀具各晶面耐磨性怎样？好磨和难磨方向又是怎样？与摩擦原因有何关系？见书本P33-34。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师88/27金刚石刀具磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理积累；金刚石晶体破损机理，主要产生于（111）晶面解理。当垂直于该晶面拉力超出某特定值时，两相邻晶面分离，产生解理劈开。刀刃处解理破损是磨损和破损主要形式，所以刀刃微观强度是刀具设计选择晶面主要依据。

金刚石各晶面微观破损强度关系是？

（110）面破损机率最大，（100）面破损机率最小。金刚石晶体定向主要有哪几个方法？人工目测定向、X射线定向、激光定向。简单讲述激光定向原理过程？见书本P38.2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师99/27衡量金刚石刀具标准是什么？

能否加工出高质量超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）；能否有较长切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）。试比较直线修光刃和圆弧修光刃优缺点？

见书本P40.单晶金刚石刀具前面应该选择哪个晶面？（100）晶面。金刚石刀具小刀头固定方法哪几个？机械夹固；粉末冶金法固定；粘结或钎焊固定影响金刚石刀具精研原因有哪些？见书本P45.2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师1010/27什么叫精密和超精密磨料加工？所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。精密和超精密磨料加工可分为

两大类加工方式。固结磨料加工主要有哪几个？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有那几个？普通磨料：包含碳化物系，如碳化硼、碳化硅；刚玉系。超硬磨料系：包含金刚石，如天然金刚石和人造金刚石；立方氮化硼。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师11第三章精密磨削和超精密磨削固结磨料和游离磨料11/27超硬磨粒有什么优越性？磨具在形状和尺寸上易于保持，使用寿命高，磨削精度高；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；磨削时，普通工件温度较低，可减小内应力、裂纹和烧伤等缺点；能加工各种高硬难加工材料，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。惯用结合剂有：

、

、

。普通磨具中磨料含量用

表示，反应了

三者之间体积百分比关系。超硬磨具中磨料含量用

表示，它是指磨料层中每1cm3体积中所含超硬磨粒重量。超硬磨具普通由

、

、

三个部分组成。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师12树脂结合剂陶瓷结合剂金属结合剂组织磨料、结合剂和气孔组织磨料层过渡层基体12/27惯用涂覆磨含有：

等。惯用涂覆磨料有：棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石等。粘接剂种类包含：

、

、

。涂覆磨具制造方法有

、

、

等。精密磨削加工精度和表面粗糙度范围是什么？主要用途？加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度到达Ra0.2~0.025μm。多用于机床主轴、轴承、滚动导轨、量规等精密加工。精密磨削时砂轮选择以什么为标准？以易产生和保持微刃及其等高性为标准。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师13砂纸、砂布、砂带、砂盘、砂布页轮和砂布套动物胶树脂高分子化合物重力落砂法涂覆法静电植砂法13/27精密磨削砂轮修整方法有：单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结修整器修整和金刚石超声波修整等。精密磨床应满足要求：高几何精度、低速进给运动稳定性、降低振动。精密磨削砂轮速度普通为

，工件速度为

，工件纵向进给量普通为

，横向进给量普通取

，横向进给次数约为

。超硬磨粒砂轮磨削特点是什么？可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料；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；磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织改变；磨削效率高；加工成本低。超硬磨料砂轮修整方法主要有哪些？简述其原理及优缺点。包含：车削法、磨削法、软钢磨削整修法、金刚石滚轮修整法、滚压轧制法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法等。原理及优缺点略。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师1415-30m/s6-12m/s50-100mm/min或0.06-0.5mm/r（工件）0.6-2.5μm/单行程2-3次/单行程14/27超硬磨料砂轮磨削速度普通为

，磨削深度为

，工件速度普通为

，纵向进给速度普通取

。什么叫极压性？极压性是指磨削液与金属表面起作用，形成一层牢靠润滑膜，在磨削区域高压下有良好润滑和抗粘着性能。超精密磨削加工精度和表面粗糙度是什么范围？其特点什么？超精密磨削加工精度到达或高于0.1μm，表面粗糙度低于0.025μm，是一个亚微米级加工方法。超精密磨削特点可归纳为：1）超精密磨床是超精密磨削关键；2）超精密磨削是一个超微量去除加工；3）超精密磨削是一个高精度、高稳定性系统工程。看图简述超精密磨削机理及其加工过程。（答案略）2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师15金刚石：12-30m/s；立方氮化硼：45-60m/s0.002-0.01mm10-20m/min0.45-1.5m/min15/27超精密磨削砂轮线速度普通为

，工件线速度为

，工作台纵向进给速度

，磨削深度

。磨削横向进给次数

次；磨削余量为

。超硬微粉砂轮磨削特点及其应用？1）粒度很细，可同时取得极小表面粗糙度和很高几何尺寸和形状精度。2）是一个固结磨粒微量去除加工方法，加工效率高。3）容屑空间很小，磨削轻易堵塞，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各种表面加工。树脂-金属复合结合剂金刚石微粉砂轮结构和特点是什么？答案见书本P66。砂带磨削方式从总体上能够分为：闭式砂带磨削和开式砂带磨削两大类。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式。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。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师161860m/min50-100mm/min0.5-1μm2-44-10m/min2-5μm16/27砂带磨削含有

磨削之称。什么叫磨削比？切除工件重量与磨料磨损重量之比。闭式砂带头架主要组成包含？接触轮（或支撑板）、主动轮、张紧轮、张紧机构、调偏机构、电动机、基座。开式砂带头架主要组成包含？卷带轮、接触轮、砂带轮、电动机、基座。接触轮外缘表面形状和外缘截面形状有那些？外缘表面形状：平滑形、标准齿形、宽齿形、交叉齿形4种；外缘截面形状：平滑形、齿形和填充形3种。砂带磨削用量选择是什么？书本P75。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师17“弹性”、“冷态”、“高效”、“廉价”、“万能”17/27

是超精密机床确保加工精度关键。精密主轴部件有什么要求？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；发烧少，且热平衡性能好；维护保养方便。轴承主要有那几个？滚动轴承；液体静压轴承；空气静压轴承。什么叫回转精度？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基面上所测得径向跳动、端面跳动和轴向窜动大小。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师18第四章精密和超精密加工机床设备精密主轴部件18/27止推轴承和径向轴承有什么区分？止推轴承受力与轴中心线平行；径向轴承受力与轴中心线垂直。看图简述液体静压轴承工作原理？见书与ppt，略。液体静压轴承优缺点？优点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。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征。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师1919/27空气静压轴承优缺点？优点：回转精度高、转速高，可达100,000r/min；转动平稳，几乎没有振动，因为完全空气润滑；不发烧，即使在高速下，温升很小，变形小；摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦；因为不使用油，不存在密封和泄露问题；可靠性高，维护保养方便。缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。空气静压轴承主轴结构主要有哪几个经典结构？圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承主轴、双半球空气轴承主轴、前部用球形后部用圆柱径向空气轴承主轴、立式空气轴承主轴、大平面铣床主轴轴承。超精密机床主轴和轴承材料选取标准是：不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套热膨胀系数要靠近，材料稳定性好。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师2020/27超精密机床总体布局有哪几个？

1、十字形滑板工作台布局；2、T形布局；3、R-θ布局；4、偏心圆转角布局；5、立式结构布局。床身和导轨材料主要有：

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、

。超精密机床导轨基本要求是什么？1、导向精度高，包含导轨在水平面内和垂直面内直线度、导轨平行度、导轨间垂直度均要高；2、足够刚度；3、精度保持性（耐磨性）好；4、运动灵敏度高。导轨若按两导轨面间摩擦性质分类，可分为

和

两类；若按导轨截面形式分类，可分为

、

两类。导轨结构形式主要有：

、

、

、

、

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。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师21优质耐磨铸铁花岗岩人造花岗岩滑动导轨滚动导轨凸形凹形三角形矩形燕尾形圆柱形双三角形双矩形三角形-矩形组合燕尾形组合21/27精密与超精密机床现在常采取导轨有：

、

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、

。精密与超精密机床伺服系统基本要求有哪些？1、位移精度高；2、稳定性好；3、快速响应；4、调速范围宽；5、低速大扭矩精密与超精密机床进给驱动系统主要采取

、

和

三种方式驱动。精密与超精密机床微量进给装置结构形式归纳起来主要有6种类型，分别是：

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。怎样降低机床内部振动？书本P108，4个办法。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师22滚动导轨液体静压导轨气浮导轨空气静压导轨滚珠丝杠副摩擦液体静压和空气静压丝杠副机械传动或液压传动式弹性变形式热变形式流体膜变形式磁致伸缩式电致伸缩式22/27怎样降低外界振动对机床影响？书P108，三个办法。1、超精密机床应尽可能远离振源；超精密机床采取单独地基，隔振沟、隔振墙等；使用空气隔振垫。降低机床热变形办法？书P111，5个办法。尽可能降低机床中热源；采取热膨胀系数小材料制造机床部件；结构合理化使在一样温度改变条件下，机床热变形最小；使机床长久处于热平衡状态，使热变形量成为恒定；使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地域小环境精密恒温。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师2323/27精密测量环境条件包含：

、

、

。我国量块标准分为：

等6种精度等级。因为矩形量块存在了

、

等问题，以后美国穆尔企业才用

作为长度基准，之后又制成

作为长度基准，防止了使用量块时量块拼合造成积累误差。直线度测量主要有那几个方法？干涉法；跨步仪法；光轴法；激光准直仪法；双频激光准直仪法。平面度测量主要有哪些方法？干涉法；水平面法。2023年9月16日华南理工大学陈松茂讲师24第五章精密加工