现代制造理论与技术三(精密加工及超精密加工理论与方法).ppt

现代制造理论和技术学分 3机械工程学院,2023/2/6,精密与超精密加工,2,第一部分主要内容第1章 机械加工精度第2章 机械加工表面质量第3章 精密及超精密加工理论与方法第4章 高速加工技术第5章 机械制造过程中的建模与分析,2023/2/6,精密与超精密加工,3,3 精密与超精密加工理论与方法,3.1 精密加工和超精密加工技术形成与发展3.2 精密加工机理与工艺原则3.3 精密加工和超精密加工的体系结构3.4 精密加工和超精密切削加工3.5 精密加工和超精密特种加工3.6 细微加工与纳米制造技术参考资料：张世昌编著，先进制造技术天津大学出版社，2004 王先逵精密加工技术手册机械工业出版社，2001,内容概要,2023/2/6,精密与超精密加工,4,3.1 精密加工和超精密加工技术形成与发展,1）作用和地位 精密和超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键，也是一个国家制造工业水平的重要标志之一。产品精密化、微型化的发展趋势需要精密与超精密加工技术；发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备；精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是今后技术发展的基础。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,5,精密加工理论,2）精密加工和超精密加工的发展,精密加工和超精密加工是在20世纪60年代日本著名学者谷口纪男教授提出来的。,2023/2/6,精密与超精密加工,6,2）精密加工和超精密加工发展,一般加工加工误差大于1m、表面粗糙度大于Ra0.1 m；精密加工是指加工精度为10.1m、表面粗糙度为Ra0.10.01 m的加工技术；超精密加工是指加工误差小于0.10.01m、表面粗糙度小于0.010.001m的加工技术，又称之为亚微米级加工。超精密加工现已进入纳米级（加工误差小于0.010.001m、表面粗糙度小于0.0001m），称之为纳米加工及相应的纳米技术。精密加工和超精密加工的范畴：主要包括微细加工和超微细加工（指制造微小尺寸零件的加工）、光整加工和精整加工（指降低表面粗糙度值和提高表面层力学及机械性质为主的加工）等加工技术。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,7,精密加工理论,2）精密和超精密加工的发展,向高精度、高效率方向发展向大型化、微型化方向发展微细尺寸(1m)的加工，称为微细加工；超微细尺寸(1nm)的加工，则称为超微细加工。向加工检测一体化发展在线检测与误差补偿新型超精密加工方法的机理新材料的研究超精密加工理论基础和应用技术的发展，提出了量子技术、量子能量的利用，并将和太空技术联系起来。,2023/2/6,精密与超精密加工,8,3）精密和超精密加工的应用,国防工业、宇航工业、信息产品、民品科技1kg重的陀螺转子质量中心偏离其对称轴0.5nm，导弹产生100m的射程误差和50m的轨道误差。飞机发动机转子叶片的加工精度从60m提高到12m，而加工表面粗糙度由0.5m减小到0.2m，发动机的压缩效率将从89%提高到94%。大型天体望远镜的透镜、微型卫星、纳米卫星，超大规模集成电路、计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片，现代小型、超小型的成像设备、激光打印机等。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,9,4）精密加工和超精密加工的特点,(1)形成了系统工程。精密加工和超精密加工是一门多学科的综合高级技术，是加工技术与系统论、方法论、计算机技术、信息技术、传感器技术、检测技术、数字控制技术等的综合。(2)与微细加工和超微细加工关系密切。(3)与特种加工关系密切。(4)加工检测一体化。在精密加工和超精密加工中，加工和检验都是难题，在线检测与动态误差补偿是加工检测一体化的重要举措。(5)与自动化技术联系密切。(6)技术发展与产品需求联系紧密。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,10,5）精密加工和超精密加工方法与分类,加工成形原理分类：去除加工又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料。结合加工是利用理化方法将不同材料结合在一起，按结合的机理、方法、强弱等又可分为附着（沉积加工）、注入（渗入加工）和连接三种。变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,11,3.2 精密加工机理与工艺原则,1）加工机理(l)新工艺新方法。传统刀具切削加工、磨料加工、特种加工等已占有重要地位；复合加工，如电解研磨、超声珩磨等，都是加工机理的创新。(2)加工、处理的新概念。突破表现在明确提出了去除加工、结合加工和变形加工，特别是以快速成形制造为代表的“堆积”加工的出现，对加工技术的发展具有里程碑意义。(3)极薄加工具有无限生命力。超精密加工的最终目标是实现原子级加工。目前的极薄切削水平是纳米级，随着科学技术的发展，这个极限将逐步前移。(4)进化加工原则值得提倡。利用精度低于工件精度要求的机床设备，借助工艺手段、特殊工具、计算机技术、传感器技术等，直接或间接加工出所需工件，这种进化加工原则将影响精密加工和超精密加工的全局。,精密加工理论,激光内雕：将平面或立体的图案雕刻在透明材料（玻璃、水晶等）的内部。原理：将两束激光从不同的角度射入透明物体，准确地交汇在一个点上，激光发生干涉将该点融化形成微小的空洞，精确控制交点即形成所需图案。,2023/2/6,精密与超精密加工,12,2）材料堆积工艺方法,材料的生长堆积加工大体可以分为以下几类：(1)生长：如分子束外延、电铸、拉单晶等都是使材料逐渐增长，形成毛坯或零件。现代制造还与生物工程相结合，现成生物制造。例如，电动剃须刀的网刃就是用精密电铸的方法制成的，其制作过程。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,13,2）材料堆积工艺方法,(2)堆积 如涂层、电镀、刷镀、堆焊等是在工件表面上堆积一层，其目的是改变工件表层的物理、力学件质(耐磨、防蚀、装饰等)，或为了增大零件的尺寸，以便进行修复（再制造技术）。磁盘是计算机的信息载体，分为硬磁盘和软磁盘两种，磁盘制作过程如下：1)基片成形加工。2)采用球磨混合和离心甩涂方法涂敷磁性材料。3)涂层面的精密加工。利用精密研磨、精密砂带研抛等使涂层面得到高精度和低表面粗糙度。之后，对于甩涂盘，还要进行高点铲刮工艺，去除涂层表面因磁粉与粘接剂混合不匀所形成的高点。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,14,2）材料堆积工艺方法,(3)分层制造：即快速成形制造(RPM)，又称快速原型(零件)制造，可分为平面分层、曲面分层和卷绕成形制造三大类。零件分割的层数越多，则层厚越小，所堆积的零件精度越高。平面快速成形制造方法很多，基本工艺过程：,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,15,2）材料堆积工艺方法,(3)分层制造：即快速成形制造(RPM)，又称快速原型(零件)制造，可分为平面分层、曲面分层和卷绕成形制造三大类。零件分割的层数越多，则层厚越小，所堆积的零件精度越高。平面快速成形制造方法很多，基本工艺过程：,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,16,快速成型工艺方法,1）立体印刷SLA：液态光敏树脂选择性固化2）分层实体制造LOM：薄形材料选择性切割并粘接3）选域激光烧结SLS：粉末材料选择性激光烧结4）熔融沉积造型FDM：丝状材料选择性熔覆5）三维打印3D-P：粉末材料选择性粘结,快速制造技术,2023/2/6,精密与超精密加工,17,现有的工艺方法中，立体印刷SLA（光敏树脂固化）精度最高0.1mm，表面质量最好6.3m。,快速成型典型产品,快速制造技术,2023/2/6,精密与超精密加工,18,3）进化加工原则,一般加工时，作为工作母机的机床，其精度总是要比被加工零件的精度高，称之为“母性”加工原则，是一种“蜕化”加工原则，也是目前加工的主要手段和思路。采用“母性”加工原则对精密加工和超精密加工而言，存在以下几个问题：1)由于被加工零件的精度和技术要求很高，很难研制其工作母机进行加工，非常困难；2)投资太大，技术经济指标很不合理，特别是在单件小批生产情况下，每件零件的牛产成本更难承受。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,19,3）进化加工原则,精密加工和超精密加工是个系统工程，其组成环节很多，虽然加工设备是主要因素，但可发挥其他组成环节的影响，如借助于工艺手段和特殊工具来弥补机床的不足。可采用创造性加工原则，即“进化”加工原则，这将对精密加工和超精密加工产生深远的影响。利用精度低于工件精度要求的机床设备，借助工艺手段、特殊工具、计算机技术、传感器技术等，直接或间接加工出所需工件，这就是进化加工原则。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,20,3）进化加工原则,进化加工原则可分为两种情况：直接式进化加工：在精度低于工件精度要求的机床设备上，借助工艺手段和专用工具直接加工出高于工作母机的零件。该原则可扩展到加工尺寸范围。例如在加工精密丝杠采用算机控制的在线检测微位移补偿装置进行在线检测和实时补偿，使被加工丝杠的螺距精度能够达到要求。普通镗床上加工精密孔时，可采用浮动镗刀来保证孔径尺寸，弥补机床进给系统精度不足。间接式进化加工：用较低精度机床和工具，通过工艺措施制造出第二代高精度工作母机，用第二代工作母机加工出高精度零件。这对批量生产比较合适，工厂只要研制出第二代工作母机，就能保证产品的高质量生产。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,21,4）微量加工理论,微量加工是超精密加工的关键技术，能够在被加工表面上进行微量加工，其加工量的大小标志着精密加工和超精密加工的水平。微量切削又称极薄切削：对于精密切削和超精密切削主要以金刚石刀具超精密车削和金刚石微粉砂轮超精密磨削为代表。超精密加工的目标和追求就是要寻求和探讨加工极限，目前的极薄切削水平是纳米级。因为微量切削的切屑厚度极小，因此微量切削的机理与一般切削有很大差别的。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,22,4）微量加工理论,微量切削的机理：由于背吃刀量(切削深度)可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，因此，切削不是在晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力非常大；同时，切削区会产生很大的热量、刀刃切削处的温度会很高，要求刀具材料应有很高的高温强度和高温硬度。只有超硬刀具材料，如金刚石、立方氮化硼等才能胜任。金刚石刀具不仅有很高的高温强度和高温硬度，而且金刚石材料本身质地细密，切削刃钝圆半径很小，通常可达0.020.0051m，最高可达2nm，是极薄切削的刀具理想材料。如在切削低碳钢的情况下，刀刃上的切应力值接近材料的抗剪强度极限，当切削厚度在1m以下时，被切材料的切应力可达1300MPa。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,23,微量切削材料缺陷及其破坏,在进行超精密切削时，从工件上去除的一块材料的大小(切削应力所作用的区域)和材料缺陷分布的尺寸大小不同时，被加工材料的破坏方式就不同。材料微观缺陷分布或材质不均匀性，有以下几种情况：,1)晶格原子、分子：破坏方式是把原子、分子一个一个地去除。2)点缺陷或原子缺陷：晶体中的空位、填隙原子、杂质原子等。破坏方式是以这些原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,24,微量切削材料缺陷及其破坏,3)位错缺陷和微裂纹：位错缺陷（晶格位移）即有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，在晶体中呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。位错缺陷和微裂纹等线缺陷的破坏方式是通过位错线的滑移和微裂纹引起晶体内的滑移变形。4)晶界、空隙和裂纹：破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,25,微量切削材料缺陷及其破坏,材料的破坏式与其应力作用的区域有密切关系，当应力作用区域在各种缺陷空间的范围内时，则材料会以加工应力作用区域相应的破坏方式而破坏。如果加工应力作用区域比缺陷空间范围广，则会以更容易破坏的方式而破坏。应力作用：比位错缺陷平均分布间隔狭窄时，不会发生因位错线移动而产生材料的滑移变形。但由于存在着空位、填隙原子等缺陷，也可能会演变成位缺陷而发生局部滑移变形。比位错缺陷平均分布间隔宽阔时，则位错线就会在位错缺陷的基础上发生滑移，晶体产生滑移变形或塑性变形。比晶粒大小更宽时，则多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,26,精密加工理论,5）加工能量,超精密切削是一种原子、分子级加工单位的去除加工方法，要从工件上去除一块材料，需要相当大的能量，这种能量表示：临界加上能量密度(J/cm3)是指当应力超过材料弹性极限时，在切削相应的空间内，由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度。单位体积切削能量(J/cm3)是指在产生某加工单位切屑时，消耗在单位体积的加工能量。加工机理的不同，也会引起临界加工能量密度的不同。在那些利用位错缺陷和微裂纹的塑性变形来进行微量切削，其临界加工能量密度比较大，微量切削会大量发热。,2023/2/6,精密与超精密加工,27,3.3 精密加工和超精密加工的体系结构,1）精密加工工程精密加工和超精密加工的发展已从单纯的技术方法形成制造系统工程，简称精密工程。,精密加工的体系结构：以产品为核心，体现了以市场需求为导向，以人、技术、组织为基础，体现了人、技术、组织的三结合，强调了人的作用、技术的关键性和组织的重要性；它涉及微量和超微量去除、结合、变形加工技术，高稳定性和高净化加工环境，检测与误差补偿，工况监测与质量控制，被加工材料等。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,28,2）精密加工和超精密加工影响因素,影响精密加工和超精密加工的因素很多，主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,29,2）精密加工和超精密加工影响因素,被加工材料：精密加上和超精密加工应该用相应的精密加工和超精密加工用的材料，才能保证加工质量，用一般加工用的材料或不合要求的材料不能达到预期效果。具体要求：质地均匀，成分准确，性能稳定、一致无外部和内部微观缺陷。化学成分杂质含量的误差应在10-210-3数量级；其物理力学性能，如抗拉强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等，膨胀系数应达10-510-6数量级。冶炼、铸造、轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制，温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料在物理、化学、力学、加工等性能方面有很大影响。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,30,精密加工对材料的基本要求,(1)材料使用性能(力学性能、物理性能、化学性能)应与零件的工作条件(机械负荷、热负荷、环境介质)相适应，满足使用方面提出的寿命、精度、尺寸和重量限制等要求。(2)材料的工艺性能(铸造性能、塑性成形加工性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能)应与零件的结构设计相适应，以保证零件成品的性能、精度和表面质量的要求。(3)在满足前两项要求的前提下，采用便宜的材料和低的零件制造成本，以便把总成本降至最低，使成品在市场上具有最强的竞争力。一个零件往往有多种可适用的材料，对于精密加工的零件优先选用对保证零件精度和表面质量有利的材料。常用的工程材料有金属材料、工程陶瓷材料、工程塑料和复合材料。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,31,2）精密加工和超精密加工影响因素,加工设备及其元部件要求：(1)高精度：包括高的静精度和动精度，主要的性能指标有几何精度、运动精度(定位精度、重复定位精度)和分辨率等。目前，超精密车床的主轴回转精度大多在0.020.03m，导轨直线度为0.025/1000000，定位精度为0.013m，重复定位精度为0.006m，进给分辨率为0.003m，分度精度为0.5”。精密机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，精密滚珠丝杠传动，配有微动工作台、误差补偿装置，实现微位移。对于高速回转的零件、部件都应进行动平衡。加工、测量一体化，把加工技术、测量技术和控制技术有机地结合成为“体的加工系统是超精密机床的典型发展趋势。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,32,2）精密加工和超精密加工影响因素,加工设备及其元部件要求：(2)高刚度：包括静刚度和动刚度，除零、部件本身的刚度外，还要注意接触刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。精密机床和超精密机床虽然切削力不大，但机床受力变形将会造成精度上的很大影响。(3)高稳定性和保持性；设备在经过运输、仓储、安装调试后，在规定的工作环境下，使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定地工作。加工设备应有良好的耐磨性、抗振性、热稳定性。(4)高自动化：为了保证加工质量，减少人为因素影响，多配置精密数控系统以实现自动控制，或采用计算机控制来实现适应控制、优化等以保证零件生产加工要求。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,33,超精密机床的设计原则,(1)结构上尽可能地提高刚度(2)结构要简单 为获得高刚度结构，其结构必须尽量简单。(3)床身的持点 为了提高机床本身的刚度和获得高的平面度以及容易分析出温度变化引起的复杂热位移等，床身形状要简单、质量要大、固有振动频率要低。为了避免加工中产生的振动影响，其质量要大，振动衰减特性要好。床身的材料多采用天然或人造花岗岩和铸铁。为了防止地向传来的振动，机床必须采用气垫支承。(4)定位机构 加工形状精度受工件和刀具间相对位置关系所支配。因此，定位精度是很重要的，而且超精密加工机床的定位方式应采用闭环控制方式，进给的分辨率必须是10nm或更高。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,34,精密加工理论,精密主轴部件,2023/2/6,精密与超精密加工,35,微量进给装置,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,36,精密加工理论,微量进给装置,2023/2/6,精密与超精密加工,37,2）精密加工和超精密加工影响因素,加工工具：主要是指刀具、磨具及刃磨、修整装置。超硬刀具主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷等，用得比较广泛的是人造金刚石，即聚晶金刚石，最好的材料是天然金刚石，但只能切削有色金属。主要磨具是金刚石、立方氮化硼等微粉砂轮（粒度W20W0.5）采用在线修整（修整方法有电解法、电火花法、磨削法和软弹性法等）。研具或抛光器采用铸铁、锡、聚酯、呢毡等材料，采用金刚石、立方氮化硼、铬刚玉、氧化铝、碳化硅等磨料，进行非接触研磨抛光、软质粒子研磨抛光、液中研磨抛光等。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,38,2）精密加工和超精密加工影响因素,检测与误差补偿：精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段。几何尺寸形状及位置测量采用分辨力为0.10.01m的电子测微计、分辨力为0.010.001m的电感测微仪、电容测微仪，以及自准直仪、双频激光干涉仪、圆度仪等。回转精度低速时静态检测可用电感测微仪、电容测微仪与基准球来测量；高速动态检测可用电容测微仪和同步示波器按测量定点峰值变化的方法来测量。表面形貌和表面粗糙度的检测分为接触式测量多用触针式的表面轮廓仪或表面形貌仪来检测，所用传感器多为电感式、压电品体式等；非接触测量可用气功法、光纤法、电容法、超声微波法、隧道显微镜法、激光光斑法等。表面层的应力状态、变质层深度、微裂纹等缺陷可用x光衍射法、激光干涉法等来进行测量。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,39,微尺寸测量技术,随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来越成为一个重要分支。因而微小尺寸的测量越来越多；被测对象也多样化。如细丝、小孔、小球面、镀层厚度、计算机中磁头一磁盘间的微小间隙等等。1用激光衍射法测量金属丝直径：根据夫琅和费衍射(或平行光衍射)原理。d=k l/sk,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,40,2.磁头与磁盘间隙的测量方法,应用小数重合原理，便可求得间隙：h=m/2,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,41,3.微位移的测量,光干涉法微位移的测量:通过旋转起偏振片180对/4范围内的距离进行细分。,微尺寸测量技术,2023/2/6,精密与超精密加工,42,3.微位移的测量,外差干涉轮廓测量：测量光斑做到1m，垂直方向分辨率优于1nm。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,43,3.微位移的测量,扫描电子显微镜SEM：测量精度0.01m,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,44,精密加工理论,三维表面粗糙度自动测量仪,基本原理：接触测量，电感式位移传感器，双向精密工作台。主要技术指标：Z向测量范围100m；Z向分辨率5nm；触针半径2 m；测量力0.0007N；XY工作台移动范围30mm*30mm；步距1.25 m；创新：电子精密机械测量控制及评定分析软件的综合功能达到国际先进，实现了商品化生产。,中国科学院科仪器厂,2023/2/6,精密与超精密加工,45,表面3D测量仪,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,46,DRNI磁盘表面粗糙度非接触测量仪,基本结构：外差干涉式光针测量系统；自动调焦系统；光电转换处理系统；精密工作台及其驱动系统；底座、立柱、电器控制柜及隔震机座；微机系统及功能齐全软件。主要技术指标：垂直分辨率 1nm。基本原理：光外差干涉测量。主要创新：光针调焦外差干涉，平行双光束测量实现误差补偿。,中国科学院科仪器厂,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,47,光学轮廓仪,美国WYKO公司TOPO测量仪器,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,48,虚拟仪器,虚拟仪器=个人计算机+应用软件（虚拟面板+仪器硬件+通信接口）虚拟仪器：以计算机为统一的硬件平台，将仪器的专业化功能和面板及控件，以计算机的软件取代，再在计算机总线槽内加插一块数据交换硬卡，便形成一台可以充分享用计算机的运算、存储、显示、调用、回放和系统管理等智能化功能，又完备具有传统仪器全部功能、控制面板、操作方法的数值化仪器。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,49,2）精密加工和超精密加工影响因素,检测技术的两个重要方面：精密检测寻求检测精度的极限，自动化检测寻求非接触在线测量和误差分离、补偿技术。误差分离技术是用多个传感器在多处多个方位上同时进行检测，利用计算机硬软件进行处理，分离各种误差成分并分析造成误差的原因。误差分离是误差检测的重要组成部分，也是误差补偿的先决条件。误差补偿分为静态误差补偿是事先测出误差值，按需要的误差补偿值设计制造出补偿装置，用硬件(如校正尺等)或计算机软件建模，在加工时进行误差补偿。动态误差补偿是在在线检测的基础上，通过计算机建模和反馈控制系统进行实时补偿。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,50,2）精密加工和超精密加工影响因素,提高精密和超精密加工精度的有效措施：误差预防是通过提高工艺系统精度、保证工作环境的条件等来减少误差源、减少误差的影响，具有治本性；误差补偿是通过修正来抵消或消除误差，具有治标性；误差预报是根据误差出现的发展趋势，得出预测值，进行相应的补救措施，并可真正做到无滞后的实时补偿，具有主动性。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,51,2）精密加工和超精密加工影响因素,工作环境 精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大，工作环境是保证加工质量的必要条件。(1)恒温：环境温度要求控制在20(10.02)，甚至达到200.0005。恒温的办法可采用专门恒温室的整体恒温和恒温罩的局部恒温。(2)湿度：恒温室内，一般湿度保持在5560，以防止机器的锈蚀，石材吸水膨胀，以及影响一些仪器精度，如激光干涉仪的零点漂移等。(3)净化：空气中的直径大于0.5m尘埃会划伤被加工表面，破坏加工表面，须进行空气的洁净处理。空气净化的主要方法是滤清，净化可分为整体净化和局部净化。局部净化是在净化区内通人正压洁净空气，可防止外界空气进入，比较经济。如净化工作台、净化腔等。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,52,2）精密加工和超精密加工影响因素,(4)防振：振动对加工质量的影响比较大，其振源来自两方面：一是机床等加工设备自身产生的振动，如出回转零件的不平衡，零件或部件刚度不足等；二是来自加工设备外部，由地基传入的振动。需要将加工设备安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，同时可使用空气弹簧(垫)来隔离低频振动，灵活方便，效果良好。(5）特殊工作环境：如防磁、防静电、防电子辐射、防声波、防X射线、防原子辐射等，可根据需求进行整体环境或局部环境的处理。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,53,2）精密加工和超精密加工影响因素,工艺过程设计1)循序渐近、严格要求：要有良好的粗、半精、精顺序加工基础。原树料、工序加工质量、搬运存储应严格要求。2)正确选择定位基准，控制定位基准加工质量：采用自为定位基推、互为基准原则；保证定位基准的质量及洁净。3)减少工件的夹紧变形和加工小变形：由于是微量去除，应防止安装变形大干加工余量的情况，最好采用无变形装夹。对于易变形的薄片状零件采用真空吸盘吸附；不规则形状的零件可采用粘接(溶接)装夹；也可以采用过定位结构来提高工件本身的刚度。4)合理安排热处理工序：加工内应力变形对零件加工精度有严重影响，因此在加工时要在粗、半精、精加工阶段转换及关键工序前，安排人工时效甚至自然时效，来消除内应力。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,54,2）精密加工和超精密加工影响因素,精密夹具设计 1)定位元件应有高精度，并耐磨损，夹具与机床的装夹部分有高的定位精度、夹具应有高刚度和精度保持性。2)要有足够的夹紧力，但不得使工件产生变形可采用特殊夹紧方法或夹紧装置结构。如采用多辅助支承结构，手工夹紧时用定转矩扳手，采用过定位结构等，利用有限元分析进行一些必要的核算。3)夹具的定位基准面“就地加工”：在夹具每次装夹在机床上后，利用机床进行“就地加工”，以保工件的高精度装夹。在夹具要加工的表面应留出足够多次加上的余量。人的技艺 加工设备的精度、检测仪器的精度、技术人员和操作工人的经验和技艺水平三者决定了工件的加工精度。因此，人的技术水平，知识面、经验和操作熟练程度，是影响精密加工和超精密加工质量和效率的重要因素。,精密加工理论,2023/2/6,精密与超精密加工,55,3.4 精密加工和超精密切削加工,3.4.1 金刚石刀具超精密车削1）金刚石刀具超精密车削的特点 金刚石刀具超精密车削是为适应计算机用磁盘、各种精密光学反射镜等精密零件加工而发展起来的一种精密车削加工方法。其加工特点：,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,56,2）金刚石刀具超精密车削机理,金刚石刀具超精密车削属微量切削，其机理和普通切削有较大差别。精密切削时要达到0.1m的加工精度和Ra0.01m的表面粗糙度，刀具必须具有切除亚微米级以下金属层厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸，切削是将金属晶体一部分一部分地去除。因此，普通加工去除材料时起主要作用的晶格间位错缺陷，在精密切削中不起作用。精密切削在切除多余材料时，刀具切削要克服的是晶体内部非常大的原子结合力，于是刀具上的切应力就急剧增大，刀刃必须能够承受这个比普通加工大得多的切应力。,普通材料的刀具，其刀刃的刃口不可能刃磨得非常锐利，平刃性不高，在高应力和高温下会快速磨损和软化，只有金刚石刀具能保持很好的切削性能，而不被软化和磨损。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,57,3）加工表面的形成与质量,（1）刚石刀具超精密车削表面的形成 用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素：几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进绘量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度，主偏角、副偏角和进给量对残留面积高度的影响与普通车削一样。Ra=f/(ctgkr+ctgkr),Ra=f2/8r(r0)塑性变形不仅影响横向表面粗糙度，而且影响与切削运动方向相平行的纵向表面租糙度。加工中的振动对纵向表面粗糙度有影响，因此，超精密切削中，振动是不允许的。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,58,（2）金刚石刀具超精密车削的切屑形成,金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平，当前，最小切削深度可达0.1m以下，其主要影响因素是刀具的锋利程度，一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。如果切削深度太小，则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况。切削层的切向分力Fz使质点向前移动，形成切屑；法向分力Fy使质点压向被加工表面，形成挤压而无切屑。所以，切屑的形成取决于Fz和Fy的比值，当FzFy时有切削过程，形成切屑；当FzFy时，有挤压过程，无切屑形成。由此，可找出Fz=Fy的分界质点M，M点以上的金属可切离为切屑，M点以下的金属则被压入工件而不能切离。,在一定的切削刃钝圆半径下的最小切削深度apmin，即：apmin=rn-h=rn(1-cos)=rn1-cos(45-)金刚石刀具超精密车削表面是由微切削和微挤压而形成,并以微切削为主。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,59,（3）表面破坏层及应力状态,金刚石刀具超精密车削时，虽然切削深度和进给量都很小，在切削软金属时也会在工件被加工表面留下较深的破坏层和较高的应力，对于铜、铝等软金属，塑性变形区较大，其弹性模量E与维氏硬度HV的比值越大，c/rn比值越大；而玻璃、酚醛树脂、氧化铝、硅和碳化钛等硬脆材料都具有较低的E/HV和c/rn值。Hi11球壳膨胀理论:,c塑性变形区深度或半径；被加工材料的屈服应力；被加工材料的泊松比。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,60,精密与超精密车削,4）金刚石刀具的设计和刃磨,（1）超精密车削对刀具的要求,2023/2/6,精密与超精密加工,61,精密与超精密车削,4）金刚石刀具的设计和刃磨,（1）超精密车削对刀具的要求,金刚石具有极高的硬度，强度和耐磨性，导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小，开始氧化的温度高。并且单晶体金刚石刀具可刃磨得极其锋利，其刃口钝圆半径可磨到rn0.005m，在放大400倍显微镜下观察，且切削刃没有缺口、崩刃等现象，而月刀刃的直线度可达0.10.01 m。单晶体金则石是当前最理想的超精密车削加工的刀具材料。（2）金刚石晶体的解理现象 解理就是晶体受到定向的机械力的作用时，可以沿平行于一个或几个平整的面劈开的性能。金刚石晶体可以沿解理面平整地劈成两半，而且金刚石的破碎和磨损都和解理现象有关。,2023/2/6,精密与超精密加工,62,（3）金刚石晶体具有各项异性,不同的晶面在不同的方向上耐磨性各不相同。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,63,（3）金刚石晶体具有各项异性,不同的晶面在不同的方向上耐磨性各不相同。,金刚石晶体的定向原则：正确地确定刀面及刀刃的位置，使切削刀具承受切削力的方向在某一确定的基本晶面上，并与该晶面硬度最大的方向一致，以使刀具磨损最大的方向具有最高的耐磨性。在定向时必须注意：刀具的受力方向不能与金刚石的解理面平行，同时还应该考虑每个面在研磨时的磨向。定向的方法：(1)人工目测定向(2)X射线定向(3)激光定向,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,64,（4）金刚石原料的选取原则,选取大颗粒单晶天然金刚石（工业用一级），应有完整的形状，表面光滑、透明，没有骤然的凸起和凹陷。金刚石原料一般为0.71.5克拉。在10倍的放大镜下观察不允许有裂纹、杂质、气泡及其它缺陷。（5）金刚石刀具的设计原则保证刀具质量，使其能加工出高质量的光滑表面(Ra0.010.02m)。提高刀具寿命，长时间切削能保持刀具锋利(一般要求切削长度数十万米)，且仍可切出极高质量的加工表面。对金刚石原料要求合理，利用率高。工艺性好，便于研磨。（6）刀具结构,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,65,（6）刀具结构,金刚石刀头的固定方法：机械夹固（螺钉压板）、粉末冶金固结（粉末冶金成形，真空烧结）、粘接或钎焊固定。（7）金刚石刀具的刃磨单晶金刚石精密金刚石刀具制造过程：1)对金刚石晶体定向，确定制成刀具的前后刀面的空间位置，需要磨去的部分。2)仔细观察切削部分的金刚石内部是否有裂纹、杂质或其他缺陷。3)采用高速旋转的铸铁盘加金刚石微粉进行粗研磨，基本成形。4)进行精研磨，以磨出锋锐、完好、无缺陷的刀刃。5)严格检验刀具质量，使之切出超光滑表面。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,66,金刚石刀具的研磨机,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,67,金刚石刀具的研磨机,研磨盘用优质铸铁制造，要求表面平整，不得有砂眼或其他缺陷。研磨盘的直径一般取300mm，转速20003000r/min。研磨盘装在轴上后、要连轴一起进行精密平衡，以保证转动时的平稳性和无振动。保证端面跳动误差为13m。影响粗研磨时磨削效率的因素：(1)研磨方向：应为金刚石晶体的好磨方向。(2)研磨速度：磨削体积V=kvp（k-磨削率,v-磨盘的线切削速度,P金刚石所承受的力）。(3)施加在金刚石上的载荷。(4)金刚石微粉粒度。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,68,影响精研磨时磨削质量的因素,(1)磨料粒度(2)研磨盘的质量(3)精抛的影响：用细磨料进行研磨的同时，让金刚石做垂直研磨方向的运动。抛掉表面的磨削痕迹。(4)逆磨和顺磨对刃口锯齿的影响，研磨金刚石刀具必须按逆磨的方式进行。(5)偏离好磨方向对研磨质量的影响。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,69,5）超精密车床,盒式车床1)整个机床采用了盒式结构，加工区域形成封闭空间，自成系统，不受外界影响。2)采用热对称结构、石材等低热变形复合材料，从结构上使热变形得到抑制。3)采用冷却液淋浴、恒温冷却液循环、热源隔离等措施，以保证整个机床处于恒温状态形成局部恒温环境，再将机床安装在恒温室内，可达到更好的恒温效果。4)整个机床本身有隔振结构、放在防振地基上，可获更好的防振效果。这台机床反映了现代超精密技术的水平。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,70,光学金刚石车床,Lawrence Livemore实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石车床是为镜面加工大直径光学镜头而开发的，采用双立柱立式车床结构，六角刀盘驱动，多路光路激光干涉测长进给反馈，分辨力为0.7nm，定位误差为0.0025m，为了减少热变形影响，采用低热膨胀材料组合技术、恒温液体冷却，液体温度控制在200.0005。美国HP、ZYGO公司的激光干涉仪分辨力达0.6nm，精度达到10nm/1m。德国的Zeiss公司生产精密测量机、Heidanhain公司生产光栅，分辨力为5nm，荷兰的Philips公司、丹麦的BK公司等都是世界著名的精密仪器生产厂家。英国国立物理学实验室开发的四面体结构立轴超精密磨床由6个圆柱连接4个支持球构成一个四面体框架，使每个圆柱承受压力，静刚度可达l0Nnm，加工精度可达1nm以上。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,71,6)金刚石刀具超精密车削工艺,（1）刀具的磨损和耐用度 金刚石刀具的磨损可以分为：机械磨损、破损和碳化磨损。在超精密车削中，金刚石刀具不能继续使用的标志是加工表面粗糙度超过规定值。金刚石刀具的耐用度以其切削长度表示。在正常切削条件下，金刚石刀具的耐用度可达数百千米。,精密与超精密车削,2023/2/6,精密与超精密加工,72,超精密车削实际选择切削速度时，应根据所用机