第1章精密与超精密切削加工与刀具课件.ppt

精密加工与特种加工,现代机械工业致力于提高加工精度的原因：,可提高产品的性能、质量、稳定性和可靠性 1）飞机发动机转子叶片的加工精度由60 m提高到12 m ，Ra由0.5 m提高到0.2 m，压缩效率可从 89提高到94 2）20世纪80年代前苏联引入精密数控铣床，潜艇噪音 大幅降低可促进产品小型化增强互换性,精密和超精密加工代表加工精度发展的不同阶段，按加工精度划分，机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 精密加工：加工精度在0.11m，加工表面粗糙度在Ra0.020.1m之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra0.01m之间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 ）。,1.1 概论,很长一段时期，精密加工与高成本相联系精密加工创造巨大的经济效益,离轴抛物面反射镜,加工周期： 12月-3周；精度更高；加工成本：传统工艺1/10。,超精密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。 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2nm，我国亚微米； 如：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，制造水平有了大幅度提高，解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。,1.1.4 精密和超精密加工技术的地位与作用,1.1.5 超精密加工现状及发展趋势,(1)美国是开展研究最早的国家。(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。(3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。,超精密加工技术发展趋势,向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。,超精密加工的构成,超精密加工的影响因素,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。,零件材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能。 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10-210-3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10-510-6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。,(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。,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24nm，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W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。,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。,环境温度可根据加工要求控制在10.02，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1000100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100个，依此类推。,(1)超精密加工的加工机理。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。(2)超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。,OAGM2500,LODTM,(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。(4)精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。(5)超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。,可加工有色金属和非金属，可直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.020.005m，加工精度0.01m)。 如：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。,1.2 精密切削加工机理,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，但与传统切削机理有区别。,1.2.1切削变形和切削力 1.2.1.1切削变形 (1)过渡切削,以单刃回转刀具铣削平面为例，分析在过渡切削过程中刀具切削刃与工件的接触情况及工件材料的变形情况。,第I变形区是指在切削层内产生剪切滑移的塑性变形区。切削过程中的塑性变形主要发生在这里，所以它是主要变形区。,当切屑沿前刀面流出时，切屑与前刀面接触的区域，切屑与前刀面挤压摩擦，进一步产生剪切滑移，这就是第二变形区。,工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为第三变形区。,切削过程中三个变形区,（2）最小切入深度,零件的最终工序的最小切入深度应等于或小于零件的加工精度（允许的加工误差）；最小切入深度反映了它的精加工能力；根据过渡切削过程的分析可知： 当切入深度太小，切削刃对工件表面只有弹性滑动或塑性滑动，没有切屑，因此对最小切入深度要受到一些因素的限制。,（3）毛刺与亏缺,刀具前角将直接影响切削力的大小和方向，从而影响工件终端的最终形状（毛刺或亏缺）,（4）微量切削的碾压过程,1.2.1.2切削力 (1) 切削力的来源,切削力的大小影响着切削热的多少，影响着刀具的磨损，表面质量和精度。,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。,一、切削参数对积屑瘤生成的影响,由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f5m/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。由图2-9所示，在背吃刀量 25m后， h0值将随着背吃刀量的增加而增加。,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。,二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响,1）积屑瘤前端R大约23m，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。,实际切削厚度,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。,二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响,由图2-12知，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。 图2-13说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面镜面。,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,在进给量f5m/r时，均达到Rmax0.05m的加工表面粗糙度。,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,修光刃长度常取0.050.20mm。 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25mm。,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量变化对加工表面粗糙度影响很小。 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。,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,刃口锋锐度对加工表面有一定的影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小；速度的影响不是很大。,一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响,刃口半径为0.6m、0.3m,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。,二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响,LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用p0.3m的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用p0.6m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。,三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响,刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。,三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响,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。,四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响,分析：在极限临界点A的受力变形情况：在A点处工件受水平和垂直力作用，此两力可分解为A点处的法向力N和切向力 ，则N力和 力可用下式计算化简后得,一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系,在实际摩擦力 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切削被切除，即,A点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为,当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。,一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）,根据经验，A点处的 比值一般在0.81范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取 。,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 ，可估算金刚石刀具刃口半径 为34nm。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：,一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）,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；（111）晶面最小。,一、金刚石晶体的摩擦系数,1号车刀：前、后面为（100）晶面；2号车刀：前、后面为（110）晶面。比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。（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 的计算：假设切削过程为直角自由切削式中 为变形系数， 为前角。从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀，即用（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。,二、晶面不同对切削变形的影响,1. 2.2 切削热和切削液,切削热直接影响刀具磨损和耐用度，限制了切削速度，还影响工件的加工精度和表面质量。,1.2.2.1切削热（1）切削热的来源及切削温度 变形所消耗的功转变成热 ：包括弹性变形和塑性变形（前小后大） 摩擦所消耗的功转变成热：包括前刀面与铁屑和后刀面与工件已加工面 的摩擦,切削热的传递是 由切屑.工件.刀具和周围介质传导的 （ 热量多少依次递减 ）,精密切削时，切削单位从数微米缩小到1微米以下，刀尖部分会受到很大的应力，刀尖局部区域会产生极高的温度，原因如下： 金属材料的组成： 由数微米到数百微米的微细晶粒构成， 晶粒内部，一般情况下，大约1微米左右间隔就有一个 位错缺陷 。 当切削单位很大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上 的原子产生位移，而是通过位错运动形成滑移 当切削单位在1微米左右时，不会发生位错运动形成滑移,所以精密切削时，刀具要采用耐热性高.耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。,(2)切削热的影响与控制,热变形引起的加工误差占总误差的4070 100mm长的铝合金零件，温度每变化1度，将产生2.25微米的误差。 所以要严格控制温度 要确保0.1微米的误差，工件温度必须控制在0.05度,主要措施：切削液浇注工件 浇注淋浴式 切削液的冷却：在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通自来水，控制 水的流量，必要时可加冰。另外，也可通过优化刀具几何角度和切削用量来减少切削热,1.2.2.2切削液,1.2.3.1金刚石刀具的磨损形式： 机械磨损.破损和碳化磨损.机械磨损：初磨阶段.更普遍的机械磨损。,2. 3刀具的磨损、磨破和耐用度,图中所示沿切削速度方向出现磨损沟槽，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。,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10002000m/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。,总结：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。,刀具的破损：裂纹.破裂和解理,金刚石切削时，若有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。,1.2.3.2 刀具的耐用度,二战后，美国首先发展金刚石刀具精密切削，并发展了空气轴系的高性能精密车床。50年代后，又成功研发了超精密切削机床。在美国和日本，大概有20多家工厂和研究所可生产超精密机床，英国、荷兰和德国等工业发达国家也可以生产和研究超精密机床，并达到了较高水平。我国从20世纪60年代开始发展精密机床，精密机床已经有相当的规模，精度和质量达到一定的水平。,1.3 精密切削加工机床及应用,.昆明机床厂、宁江机床厂、汉川机床厂生产多种坐标镗床，最新的坐标镗床有数控系统； .重庆机床厂、武汉机床厂能生产高精度的滚齿机； .重庆机床厂、武汉机床厂和上海机床厂能生产高精度的蜗轮母机； .北京机床研究所、航空精密机械研究所、青岛前哨机械厂能生产多种规格的三坐标测量机； .北京密云机床研究所研究成功加工球面的JSC-027型超精密车床；开创了包括立、卧式加工中心、超精密车床、超精密铣床、纳米级超精密车床等十余项国内第一； .北京航空精密机械研究所研究成功空气轴承的超精密车床和金刚石镗床；哈尔滨工业大学研究成功带激光在线测量的空气轴承数控超精密车床。 总的来说，我国精密机床的生产和研究和国外相比，差距较大。由于保密，引进精密机床受到限制。,OAGM2500,LODTM,第1.3.2节 精密机床的精度指标,普通车床的主轴径向跳动通常0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1000mm。精密车床的主轴径向跳动0.0030.005mm，导轨平直度为0.01mm/1000mm,第1.3.3节 精密主轴部件,1.3.3.1、液体静压轴承主轴,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。,（一）、滑动轴承的分类,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）,根据润滑膜的形成原理不同分为：,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。,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。,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,Fa,轴承座,径向轴瓦,止推轴瓦,（二）、液体静压轴承工作原理,静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承,（1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。 （2）各油腔之间开有回油槽。 （3）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。 （4）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般为 0.020.04mm。 （5）油泵供油压力为ps ，油液经节流器T进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。 （6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。 （7）当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。,（8）油腔3处的间隙减小为h0-e ，由于油液流过间隙小的地方阻力大，流量减小，因而流过节流器T3的流量减少，压力损失随之减小 （9）供油压力ps 一定，油腔3内的油压p3升高 （10）油腔1处的间隙增大为h0e，由于油液流过间隙大的地方阻力小，流量增加，因而流过节流器T1的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与油腔1之间形成了压力p = p3 -p1，产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷F。 （11）如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F= A（p3 - p1） （12）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一个节流器。 （13）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承表面接触 （14）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可以在很低的转速下工作。,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68MPa，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。,（三）、液体静压轴承的缺点,1.3.3.2、空气静压轴承主轴,第1.3.3节 精密主轴部件,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。,第1.3.3节 精密主轴部件,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。,第1.3.3节 精密主轴部件,第1.3.3节 精密主轴部件,三、超精密机床主轴和轴承的材料,第1.3.3节 精密主轴部件,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。,四、主轴的驱动方式,第1.3.3节 精密主轴部件,1）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,第1.3.4节 床身和精密导轨部件,一、超精密机床的总体布局,1)主轴箱位置固定，刀架装在十字形滑板上2）T形布局3）R 布局4）立式结构布局,第1.3.4节 床身和精密导轨部件,二、床身和导轨的材料,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12倍，但成本较高 常用于精密机床导轨,第1.3.4节 床身和精密导轨部件,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。,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。,三、导轨分类,导轨的作用和特点,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。,第1.3.4节 床身和精密导轨部件,第3节 床身和精密导轨部件,导轨的基本要求,（一）导向精度高1、导轨在水平和垂直面内的直线度2、导轨的平行度3、导轨间的垂直度（二）足够的刚度外力作用下导轨本身抵抗变形的能力,第3节 床身和精密导轨部件,导轨的基本要求,（三）精度保持性（耐磨性）好1、降低导轨面的比压；2、良好的防护与润滑；3、正确选择导轨副的材料和热处理；4、选择合理的加工方法。（四）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。,第3节 床身和精密导轨部件,按两导轨面间的摩擦性质分类,1）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。,第3节 床身和精密导轨部件,滑动导轨按导轨的截面形式分,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,第3节 床身和精密导轨部件,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形寻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,第3节 床身和精密导轨部件,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,矩形导轨,第3节 床身和精密导轨部件,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,燕尾形导轨,圆柱形导轨,第3节 床身和精密导轨部件,双三角形组合,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。,第3节 床身和精密导轨部件,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。,双矩形组合,第3节 床身和精密导轨部件,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。,三角形矩形组合,第3节 床身和精密导轨部件,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,燕尾形组合,第3节 床身和精密导轨部件,滚动导轨的优点,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（0.00250.005） 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1015年) 低速运动平稳性好，一般没有爬行现象,第3节 床身和精密导轨部件,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0.10.2m）。 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。,第3节 床身和精密导轨部件,滚珠导轨,第3节 床身和精密导轨部件,滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小适用于载荷较小的机床,滚柱导轨,第3节 床身和精密导轨部件,承载能力和刚度：都比滚珠导轨大应用：载荷较大的机床，应用最广泛对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大0.02mm左右。,再循环滚柱滚动组件,第3节 床身和精密导轨部件,再循环滚珠滚动组件,第3节 床身和精密导轨部件,滚动导轨的预紧,在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径不一致误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧提高了导轨的精度和刚度。阻尼性能也有所增加，提高了导轨的抗振性。,第3节 床身和精密导轨部件,第3节 床身和精密导轨部件,静压导轨特点,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,第3节 床身和精密导轨部件,第3节 床身和精密导轨部件,气浮导轨,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MSG325使用气浮导轨。,第3节 床身和精密导轨部件,空气静压导轨,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46大气压。,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。,第4节 进给驱动系统,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。 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。,第4节 进给驱动系统,伺服驱动装置,指令,速度环,位置环,速度检测,第4节 进给驱动系统,第4节 进给驱动系统,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,第4节 进给驱动系统,1.3.5.1、精密数控系统,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。,第4节 进给驱动系统,1.3.5.2、滚珠丝杠副驱动,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。,第4节 进给驱动系统,1.3.5.3、液体静压和空气静压丝杠副驱动,提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。,第4节 进给驱动系统,1.3.5.4、摩擦驱动,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。,一、对微量进给装置的要求,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。,1.3.5.5、微量进给装置,第5节 微量进给装置,第5节 微量进给装置,二、对微量进给装置的应用,1）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。,第5节 微量进给装置,三、机械结构弹性变形微量进给装置,第5节 微量进给装置,四、压电和电致伸缩传感器进给装置,压电和电致伸缩传感器的材料,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。,第5节 微量进给装置,电致伸缩传感器的结构和性能,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。,电致伸缩式微量进给装置的结构,第5节 微量进给装置,电致伸缩式微量进给装置的结构,第5节 微量进给装置,第1.3.6节 机床运动部件位移的激光在线检测系统,一、激光在线检测系统的工作原理,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。,第1.3.6节 机床运动部件位移的激光在线检测系统,二、MSG325超精密机床的激光检测系统,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。,第1.3.6节 机床运动部件位移的激光在线检测系统,三、三坐标测量机激光位移测量系统,第1.3.7节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,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；19831984研制成功大型超精密金刚石车床DTM3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：JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。,一、发展概况,二、典型机床简介,第1.3.7节 精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,Union Carbide 公司的半球机床,能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6m，表面粗糙度0.025m。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。,二、典型机床简介,Moore 车床,由Moore 3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Moore 3，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。,二、典型机床简介,Pneumo 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0.05m。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0.01m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。,二、典型机床简介,DTM-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。,二、典型机床简介,大型光学金刚石车床LODTM,机床采用立式结构，采用止推轴承，