精密制造和特种加工技术 课件 ch02 精密加工

第二章精密加工职业教育机械类专业精密制造和特种加工技术01精密加工概述PARTONE精密加工的概念精密加工是指在机械制造领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精度的各种加工方法的总称，它是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械加工技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到了进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米级发展。提髙加工精度后可提升产品的性能和可靠性，增强零件的互换性，提高装配生产率，并易于实现自动化装配。精密加工的分类与应用精密加工技术主要应用于国防、微电子、激光技术、航空航天、光学仪器、计量及大规模集成电路等领域。根据加工表面及加工对象的不同特征，精密加工可分为以下几类。精密切削01精密研磨和抛光02精密特种加工03精密加工的研究内容精密加工是一项涉及多学科的综合性技术，不仅需要精密的机械结构、先进的加工和检测工具，还需要运用计算技术实现精确的实时控制。只有有效地集成各学科相关技术，才有可能真正实现和发展精密加工。精密加工刀具01精密加工机理02精密加工机床03稳定的加工环境04误差补偿05精密测量技术0602精密切削PARTTWO精密切削刀具精密切削加工对刀具材料的要求1（1）极高的硬度、耐磨性和弹性模量。（2）极锋利的刀刃、极小的刃口半径，有利于实现微量切削。（3）刀刃无缺陷，切削时能将刃形复制到加工表面，得到超光滑的镜面。（4）与工件的抗黏结性好，化学亲和力小，摩擦系数低，能得到极好的加工表面。精密切削刀具金刚石刀具材料的力学性能2在众多刀具材料中，金刚石集力学、光学、热学、声学等众多优异性能于一身，具有极高的硬度和耐磨性，以及摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低等特点，是精密与超精密切削加工中最佳的刀具材料。精密切削刀具金刚石刀具的精度控制３金刚石刀具根据其切削刃的形状可以分为两种，一种是圆弧刃，可用于加工各种形状特征，尤其适用于加工复杂曲面；另一种是直线刃（也称修光刃），主要用于加工平面、柱面及锥面等简单规则的形状特征。金刚石圆弧刃刀具在切削过程中的调整比较简单，但在进行高精度曲面加工时，对其圆弧刃的刃磨精度要求很严格，因为它的刃磨精度会直接“复印”到所加工的曲面上。目前圆弧刃的刃磨精度可达±0.02μm。精密切削刀具在精密切削加工中，金刚石刀具参数的选择４金刚石刀具参数的选择依据刀具切削刃的种类，即圆弧刃还是直线刃。刀具刃的几何角度，即前角还是后角。圆弧刃刀具的圆弧半径大小。圆弧刃刀具的后刀面形状，即圆锥控制还是圆柱控制。圆弧刃刀具的刀尖圆弧精度，即控制波纹度还是非控制波纹度，如果是控制波纹度，其精度是多少。圆弧刃刀具的有效切削圆弧的包角大小（直线刃刀具的修光刃的长度）。必要时需要考虑刃口钝圆半径的大小（衡量金刚石刀具锋利度的一个重要指标）。在精密切削加工中，应根据工件材料种类、加工特征的形状及精度选择适当的金刚石刀具，主要考虑以下因素。（1）金刚石刀具参数的选择依据（2）选用实例精密切削加工机理精密切削过程与常规切削过程并无本质上的不同，都是工件材料在刀具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和滑移变形而成为切屑，得到所需零件几何形状的过程。但由于精密切削加工要求必须能够均匀地切除极薄的金属层，因此微量切削过程中的许多问题都有其特殊性，切削力、切削热、切削参数等因素对加工精度和表面质量的影响都与常规切削有很大的不同。所以，有必要对精密切削的特殊性进行系统的研究，掌握其变化规律，以便更好地利用精密加工技术提高零件的加工精度和表面质量。精密切削加工机理1．过渡切削过程为了研究微量切削过程的切削机理，了解切削过程中的各种现象，首先要分析过渡切削过程。过渡切削过程是指包含工件材料的弹性变形、塑性变形和切离3个阶段的切削过程。精密切削加工机理２．最小切削深度零件精加工过程中的最小切削深度应小于或等于该工序误差的允许值，因此最小切削深度反映了加工方法的加工精度。精密切削加工机理3．微量切削的碾压过程微量切削釆用了极小的切削深度，在切削过程中有其特殊的切削现象，刀具的刀尖圆弧半径处的碾压效应就是其中之一。精密切削中影响切削力的主要因素在精密切削中，切削力直接影响刀具的寿命及工件的加工质量。因此，研究分析精密切削过程中切削力的变化规律，具有重要的实用价值。切削力的来源与分解１精密切削时影响切削力的因素２由前文对精密切削变形的分析可知，切削力由克服加工材料对弹性变形的抗力、克服加工材料对塑性变形的抗力、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力等组成。在进行精密切削时，采用微量切削方法，各种因素对切削力的影响与普通切削有所不同。切削热与切削液切削热是切削过程中产生的重要物理现象之一，切削时消耗的能量除1%~2%用以形成新表面和通过晶格扭曲的形式形成潜能外，有98%~99%转换为热能，因此可以近似地认为切削时消耗的能量全部转换为热能。大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损及工件材料的性能、工件加工精度和己加工表面质量等，所以对切削热和切削温度的研究有着重要意义。切削热与切削液1．切削热的产生、传导和控制2．切削液切削热的产生切削热的传导切削热的控制切削液的作用切削液的分类与应用金刚石刀具的磨损、破损及耐用度金刚石刀具有许多独特的优点，其在精密切削中得到了广泛的应用，因此本节着重分析金刚石刀具的磨损、破损及耐用度问题。刀具的损坏形式有机械磨损、黏结磨损、相变磨损、扩散磨损、破损和炭化磨损等，金刚石刀具常见的磨损形式为机械磨损和破损，炭化磨损等较少见。金刚石刀具的磨损、破损及耐用度金刚石刀具的磨损１金刚石刀具的破损２金刚石刀具的耐用度３刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理或化学的作用，刀具原有的几何角度逐渐丧失的现象。裂纹碎裂金刚石刀具的耐用度是指刀具由开始切削到磨钝为止的切削总时间，它代表刀具磨损的快慢程度。刀具的耐用度越大，表示刀具的磨损越慢，因此影响刀具磨损的因素都会影响刀具的耐用度。影响精密切削表面粗糙度的主要因素各切削参数对表面粗糙度的影响１刀具磨损对表面粗糙度的澎响２表面粗糙度是衡量精密与超精密加工精度的一个重要指标，因此，在精密切削过程中，各切削参数对表面粗糙度的影响也是精密切削研究的重点问题。切削速度进给量切削深度金刚石刀具的结构特性与磨损有很大关系，合理地使用金刚石刀具，可以在较长时间内保持较高的加工质量。03精密磨削PARTTHREE精密磨削的分类及应用精密磨削是利用细粒度的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和小表面粗糙度，再用微小的多刃刀具去除细微切屑的一种加工方法。对铜、铝及其合金等软金属采用金刚石刀具切削十分有效，但对于黑色金属、硬脆材料，主要还是采用精密磨削加工。精密磨削的分类及应用固结磨料加工１游离磨料加工２固结磨料加工是将一定粒度的磨粒或微粉与结合剂黏结在一起，使其形成一定形状并具有一定强度，再采用烧结、黏结或涂覆等方法制成砂轮、砂条、油石或砂带等磨具的加工方法。其中，用烧结方法形成的砂轮、砂条、油石等称为固结磨具；用涂覆方法形成的砂带称为涂覆磨具。将游离状态下的细磨料或微粉放在工件和工具之间进行研磨和抛光等的加工方法，称为游离磨料加工。游离磨料加工是应用较早而又不断发展的加工方法，它是不切除或切除极薄的材料层，用以降低工件表面粗糙度或强化加工表面的加工方法，多用于最终工序加工。近年来，在这些传统工艺的基础上，出现了许多新的游离磨料加工方法，如磨料流加工、磁力研磨、弹性发射加工、磁流体抛光、化学机械抛光等。精密磨削的过程与机理精密磨削的过程１精密磨削是用微小的多刃刀具削除细微切屑的一种加工方法。作为切削刃的磨料磨粒是不规则的菱形多面体，顶锥角多在90°~120°之间。在进行磨削时，磨粒基本都以很大的负前角进行切削。多数磨粒切削刃都有圆弧，其刃口圆弧半径在几微米到几十微米之间。磨粒磨损后，其负前角和刃口圆弧半径都将增大。精密磨削的过程与机理精密磨削的机理２磨粒的微刃性01磨粒的等高性02微刃的滑擦、挤压、抛光作用03精密磨削主要依靠砂轮的精细修整，使磨粒具有等高性和微刃性，磨削后加工表面存在大量极细微的磨削痕，残留高度极小，加上无火花磨削阶段的作用，获得高精度和小表面粗糙度。磨削力磨削力的分解１磨削力的主要特征２单个磨粒切除的材料虽然很少，但砂轮表面层有大量磨粒同时工作，而且磨粒的工作角度不合理，绝大多数为负前角切削，因此总磨削力相当大。单位磨削力kc很大三向磨削力中切深力FY最大磨削力因磨削阶段的不同而变化FZ——主磨削力（切向磨削力）FY——切深力（径向磨削力）FX——进给力（轴向磨削力）磨削力影响磨削力的因素３当砂轮速度ν增大时，单位时间内参加切削的磨粒数随之增大。因此每个磨粒的切削厚度减小，磨削力随之减小。当工件速度Wv和轴向进给量fn增大时，单位时间内磨去的金属量增大，如果其他条件不变，则每个磨粒的切削厚度随之增大，从而使磨削力增大。当径向进给量fn增大时，不仅每个磨粒的切削厚度增大，而且砂轮与工件的磨削接触弧长也增大，同时参加磨削的磨粒数增多，从而使磨削力增大。砂轮的磨损会使磨削力增大，因此磨削力的大小在一定程度上可以反映砂轮上磨粒的磨损程度。如果磨粒的磨损程度用磨削时工作台的行程次数（反映了砂轮工作时间的长短）间接表示，那么随着工作台的行程次数的增大，径向磨削力FY和切向磨削力FZ都增大，但径向磨削力FY增大的速率远比FZ切向削磨削力快。磨削温度1．磨削温度的基本概念通过磨削切除单位体积金属所消耗的能量远高于釆用其他切削方式（为车削时的10~20倍），而且磨削速度一般很高，因此磨削温度很高。磨削温度砂轮速度工件速度径向进给量工件材料砂轮硬度与粒度2．影响磨削温度的主要因素磨削液在磨削过程中，合理地使用磨削液可降低磨削温度并减小磨削力，以及减少工件的热变形，减小加工表面粗糙度，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。衡量磨削液性能的主要指标有润滑性能、挤压性能、冷却性能、清洗性能，以及渗透性、防锈性、防腐性、消泡性、防火性等。磨削液磨削液的润滑作用１磨削液的冷却作用２摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦3类。如果不用磨削液，则形成工件与砂轮接触的干摩擦，此时的摩擦系数较大。磨削液的冷却作用主要是靠热传导带走大量的切削热，从而降低磨削温度，提高砂轮的耐用度，减少工件的热变形，提高加工精度。在磨削速度快、工件材料导热性差、热膨胀系数较大的情况下，磨削热的冷却作用尤显重要。磨削液磨削液的分类、选用与使用方法４磨削液的分类磨削液的选用磨削液的使用方法磨削液的清洗和防锈作用３磨削液可以冲刷磨削中产生的磨粉，起到防止划伤已加工表面的作用。磨削液清洗性能的好坏与其渗透性、流动性和使用的压力有关。磨削表面粗糙度磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻画出的无数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面粗糙度越小。1．磨削工艺对磨削表面粗糙度的影响砂轮的速度工件速度砂轮的纵向进给量磨削表面粗糙度２.砂轮粒度和砂轮修整对磨削表面粗糙度的影响砂轮粒度不仅表示磨粒的大小，还表示磨粒之间的距离。磨削金属时，参与磨削的每一个磨粒都会在加工表面上刻出与它的大小和形状相同的沟槽。在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号越大，参加磨削的磨粒越多，磨削表面粗糙度越小。表层金属的塑性变形砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度大得多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900°C，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。由于塑性变形的缘故，磨削表面的几何形状与单纯根据几何因素得到的原始形状大不相同，在力因素和热因素的综合作用下，工件表层金属的晶粒在横向上被拉长，有时还产生细微的裂口和局部的金属堆积现象。影响工件表层金属的塑性变形的因素往往是影响磨削表面粗糙度的决定因素。表层金属的塑性变形1．磨削用量对表层金属塑性变形的影响２．砂轮性能对表层金属的塑性变形的影响砂轮的速度工件速度磨削深度砂轮粒度砂轮硬度砂轮组织砂轮材料表层金属的物理性能加工表面的冷作硬化１影响加工表面冷作硬化的因素２机械加工过程中产生的塑性变形使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表层金属的硬度增加，统称为冷作硬化（或强化）。工件材料性能的影响磨削用量的影响砂轮粒度的影响表层金属的金相组织变化磨削烧伤1回火烧伤01淬火烧伤02退火烧伤03在机械加工过程中，工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。在磨削加工中，消耗的能量绝大部分都要转化为热能，这些热能中的约80%将传递给加工表面，使加工表面具有很高的温度。对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，使加工表面呈现氧化膜的颜色，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，会出现以下3种金相组织变化。表层金属的金相组织变化改善磨削烧伤的途径2正确选择砂轮01合理选择磨削用量02改善冷却条件03在机械加工过程中，工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。表层金属的残余应力1．表层金属产生残余应力的原因在机械加工过程中，加工表面的金属层内产生塑性变形，使表层金属的比热容增大。不同的金相组织具有不同的密度，因此也具有不同的比热容。在磨削淬火钢时，因为磨削热有可能使表层金属产生回火烧伤，所以表层金属组织将由马氏体转变为接近珠光体的托氏体或索氏体，表层金属密度增大，比热容减小。表层金属由于相变产生的收缩受到基体金属的阻碍，因此产生拉伸残余应力，里层金属则产生与之相平衡的压缩残余应力。表层金属的残余应力２．影响残余应力的因素残余应力的产生规律磨削用量对残余应力的影响工件材料对残余应力的影响04精密与超精密机床PARTFOUR主轴部件主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心，其静态和动态回转精度高，振摆小，精度保持性好；主轴本身及驱动系统不产生过大振动或振动极小，有足够大的刚度和负载容量等。影响主轴部件精度的因素主要包括轴承类型、主轴的驱动方式等。主轴部件１．轴承类型液体静压轴承01空气静压轴承02轴承是影响主轴部件精度的主要因素，早期的轴承釆用的是超精密的滚动轴承，机床加工精度可以达到1μm，加工表面粗糙度可以达到0.04~0.02μm。但此类轴承的缺点是制造难度大、成本高，已很少在精密机床中使用。目前精密机床使用的是性能更好的液体静压轴承和空气静压轴承，其中空气静压轴承刚度低、承载能力不高，因此多用于超精密机床，而大型精密机床多釆用液体静压轴承。主轴部件２．主轴的驱动方式