第6章精密加工与特种加工简 介 6.1精密加工和超精密加工 62特种加工
第6章 精密加工与特种加工简 介 6.1 精密加工和超精密加工 6.2 特种加工
6.1精密加工和超精密加工 ·6.1.1精空加1和超精密加的基本概念 ·6.1.2精密加工和超精密加工的持点 6.1.3精密加工和超精密加方法
6.1 精密加工和超精密加工 • 6.1.1 精密加工和超精密加工的基本概念 • 6.1.2 精密加工和超精密加工的特点 • 6.1.3 精密加工和超精密加工方法
61.1精加和超精签加的基本 概念 精密加工是指在一定的发展时期,加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。可见,精密加 工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的,随着科技进步精 密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在19世纪,加工工件尺寸 公差为lμm的加工被称为超精密加工,而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公 差为0.1pm-0.01pm数量级的加工方法
6.1.1 精密加工和超精密加工的基本 概念 • 精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。可见，精密加 工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精 密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在19世纪，加工工件尺寸 公差为1μm的加工被称为超精密加工，而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公 差为0.1μm-0.01μm数量级的加工方法
6.1.2精溶加无和超精签加工的持点 1.加工方法 目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类: 切削加工:精密切削、微量切削和超精密切削等: 磨削加工:精密磨削、微量磨削和超精密磨削等 特种加工:电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等 复合加工:将几种加工方法复合在一起,如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光 在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多 2.加工原则 般加工时,机床的精度总是髙于这被加工零件的精度,这一规律被称为“蜕化 原则。而对于精密加工和超精密加工时,有时可利用低于工件精度的设备、工具, 逕辩方法素挖艺装备,加工出精度商于“母机”的工作母机或工件 ·3.加工设备 加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件,如主轴、导轨、丝杆等广泛采 用液体静压或空气静压元件。 定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构 设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术
6.1.2 精密加工和超精密加工的特点 • 1. 加工方法 • 目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类： • 切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等； • 磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等； • 特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等； • 复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光 等。 • 在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。 • 2. 加工原则 • 一般加工时，机床的精度总是高于这被加工零件的精度，这一规律被称为“蜕化” 原则。而对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具， 通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。 这种方法称为进化加工。 • 3. 加工设备 • 加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采 用液体静压或空气静压元件。 • 定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。 • 设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术
·4.切削性能 ·当精密切削的切深在1um以下时,切深可能小于工件材料晶粒的尺寸,因此切削 就在晶粒内进行,这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除 切,-n千是县上的剪却应力就雾得常大,2具 刃必须能够承受这个巨大 般的刀具或磨粒材料是无法承受 的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。 5.加工环境 密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超浄三个方面对环境提出的要 6.工件材料 陧和酊-姴罄栾知玕閃嚣續烈專觌。工件材料必须具有均匀 7.加工与检测一体化 精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的 技术,就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光
• 4. 切削性能 • 当精密切削的切深在1um以下时，切深可能小于工件材料晶粒的尺寸，因此切削 就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除 切屑，于是具上的剪切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大 的剪切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受 的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。 • 5. 加工环境 • 精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要 求。 • 6. 工件材料 • 用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀 性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。 • 7. 加工与检测一体化 • 精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的 测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光 栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器
6.1.3精溶加和超精签加方 金刚石精密切削 )概念 金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面,获得尺寸精度为0.ym数量级 和表面粗糙度Ra值为0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚 石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。 金刚石精密切削的机理 ·金刚石超精密切削属微量切削,切削层非常薄,常在0.1μm以下,切削常在晶粒」 内进行,要求切削力大子原子、分子间和结合力,剪切应力高达13000Pa。由 切削力大,应力大,刀尖处会产生很高的温度,使一般刀具难以承受。而金刚石 刃量忑在鍋好$蘭刃霉犁痉哥瘘2m曰,因别禿粗籍度值很小袅 因而可获得高的加工精度
6.1.3 精密加工和超精密加工方法 • 1. 金刚石精密切削 • (1) 概念 • 金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为0.1μm数量级 和表面粗糙度Ra值为0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚 石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。 • (2) 金刚石精密切削的机理 • 金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在0.1μm以下，切削常在晶粒 内进行，要求切削力大于原子、分子间和结合力，剪切应力高达13000Pa。由于 切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石 刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以 刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径可达0.02μm ，因而可加工 出粗糙度值很小的表 面。又金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层， 因而可获得高的加工精度
(③3)影响金刚石超精密切削的主要因素 ·1)加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能地。 2)金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研 磨,研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行,并使刀口圆角半径尽可能小。理 论上,金刚石方其的刃口圆角半径可达1mm,实际仅到5nm 3)由于金刚石精密切削的切深很小,因此要求被加工材料组织均匀,无微观缺 陷。 4)工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振 (4)金刚石精密切削的应用 目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金 片基,表面粗糙度Ra可达0003μm,平面度可达02μm。切削铁金属时,由于碳 元素的亲和作用,会使金刚石刀具产生“碳化磨损”,从而影响刀具寿命和加工 质量
• (3) 影响金刚石超精密切削的主要因素 • 1) 加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能地。 • 2) 金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研 磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刀口圆角半径尽可能小。理 论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达1nm，实际仅到5nm。 • 3) 由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺 陷。 • 4) 工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。 • (4) 金刚石精密切削的应用 • 目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金 片基，表面粗糙度Ra可达0.003μm，平面度可达0.2μm 。切削铁金属时，由于碳 元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工 质量
2砂带磨削 砂带磨削是用砂带作为工具,根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的 种方法。 (1)砂带磨削方式 张紧轮 砂带磨削方式可分为开式和闭式两种(见图6 砂带轮 砂带 1)开式砂带磨削:采用成卷的砂带,有电动 接触轮 机经减速机构通过卷带轮带动砂带作缓慢的移 动,砂带绕过接触轮外圆以一定的工作压力与。 卷带轮 工件被加工表面接触,工件回转或移动,砂带 头架或工作台作纵向及横向进给,从而实现对 工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续 图6-1 缓慢移动,切削区域不断出现新砂粒,因此磨 削质量好 2)闭式磨削方式 釆用环形砂带,通过张紧轮,由电机通过接触轮带动砂带高速运动。工件作回转 或移动,砂带架作纵向及横向进给,从而实现对工件的加工。 (2)砂带 砂带由磨料,基底和粘结剂等组成。由粘结剂利用静电吸附原理将磨料粘结在布 质基底上,将砂带烘干后再涂上一定厚度的粘结胶。磨料大多是精选出来的针状 磨粒
• 2砂带磨削 • 砂带磨削是用砂带作为工具，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的 一种方法。 • 2）闭式磨削方式 • 采用环形砂带，通过张紧轮，由电机通过接触轮带动砂带高速运动。工件作回转 或移动，砂带架作纵向及横向进给，从而实现对工件的加工。 • （2）砂带 • 砂带由磨料，基底和粘结剂等组成。由粘结剂利用静电吸附原理将磨料粘结在布 质基底上，将砂带烘干后再涂上一定厚度的粘结胶。磨料大多是精选出来的针状 磨粒 （1）砂带磨削方式 砂带磨削方式可分为开式和闭式两种（见图6 －1）。 1）开式砂带磨削：采用成卷的砂带，有电动 机经减速机构通过卷带轮带动砂带作缓慢的移 动，砂带绕过接触轮外圆以一定的工作压力与 工件被加工表面接触，工件回转或移动，砂带 头架或工作台作纵向及横向进给，从而实现对 工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续 缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，因此磨 削质量好 图 6－1
(3)砂带磨削的特点及应用 1)砂带与工件表面是柔性接触,磨削的工件,其表面变形强化程度和残余应力均 大低于砂轮磨削。 ·2)砂带磨削效率髙,磨削热量少,散热条件好,有效地减少了工件表面的烧伤。 3)砂带制造工艺比砂轮的简单,价格便宜 4)适宜加工大,中型尺寸的外圆,内圆很平面 5)砂带磨削多在砂带磨床上进行,亦可在卧式车床,立式车床上利用砂带磨头和 砂带轮磨头进行。 6)可加工各种金属和非金属 3.油石抛光 油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨 基甲酸(乙)酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光,能够加工出比较理想的 镜面,这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、 碳化硅、金刚石粉等,其加工表面粗糙度可达Rz0.005um 它的加工机理是微切削作用,当加工压力增加时,油石与加工表面的接触面积增 加,参加微切削的磨粒也增加,但压力增加不能太大,否则被加工表面易产生划 痕,甚至产生微裂纹。抛光时,油石与被加工表面之间可加润滑液
• （3）砂带磨削的特点及应用 • 1）砂带与工件表面是柔性接触，磨削的工件，其表面变形强化程度和残余应力均 大低于砂轮磨削。 • 2）砂带磨削效率高，磨削热量少，散热条件好，有效地减少了工件表面的烧伤。 • 3）砂带制造工艺比砂轮的简单，价格便宜 • 4）适宜加工大，中型尺寸的外圆，内圆很平面 • 5）砂带磨削多在砂带磨床上进行，亦可在卧式车床，立式车床上利用砂带磨头和 砂带轮磨头进行。 • 6）可加工各种金属和非金属 • 3. 油石抛光 • 油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨 基甲酸(乙)酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光，能够加工出比较理想的 镜面，这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、 碳化硅、金刚石粉等，其加工表面粗糙度可达Rz0.005um。 • 它的加工机理是微切削作用，当加工压力增加时，油石与加工表面的接触面积增 加，参加微切削的磨粒也增加，但压力增加不能太大，否则被加工表面易产生划 痕，甚至产生微裂纹。抛光时，油石与被加工表面之间可加润滑液
·油石抛光的工作原理如图6-2所示。加工时 油石以较低的压力和切削速度对工件表面 进行精密加工。工件和油石共有三个无能 运动,即工件低速回转运动、磨头轴向进 光磨轨迹 给运动油石高速往复振动。这三种运动的 fa磨条 合成使磨粒在工件表面上形成不重覆的轨 迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动,则 磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线, 如图6-2所示。 振动 图中: ·A一油石振幅,约为lmm~5mm 图6-2 ·f一油石振动频率,约为10Hz~25Hz ·p—油石在工件上的压强,约为15×10Pa 油石往复振动速度,D=4 coso/1000
• 油石抛光的工作原理如图 6 - 2所示。加工时 油石以较低的压力和切削速度对工件表面 进行精密加工。工件和油石共有三个无能 运动，即工件低速回转运动、磨头轴向进 给运动油石高速往复振动。这三种运动的 合成使磨粒在工件表面上形成不重覆的轨 迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动，则 磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线， 如图 6 - 2所示。 • 图中： • A—油石振幅 ，约为 1mm ～ 5mm 。 • f—油石振动频率 ，约为10Hz ～25Hz 。 • p —油石在工件上的压强 ，约为15 ×10 4Pa 。 • v—油石往复振动速度 ，υ=πAf cosφ /1000 。 图 6 － 2