精密超精密加工.ppt
超精密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.10.01m，加工表面粗糙度达Ra0.030.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m；精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m；超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m；纳米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。超精密加工的主要方法有：1）金刚石刀具超精密切削；2）精密和镜面磨削；3）精密研磨和抛光；,精密与超精密加工技术,1.金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。,2.精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra0.010.002m的镜面。,3.精密研磨和抛光 精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.010.02m的镜面。超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。,切削在晶粒内进行；切削力原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）；刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。,机理、特点,应用,金刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石,无色透明、正八面体形状的固体，加工后有夺目光泽。,经仔细琢磨后，成为装饰品钻石。,划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头钻凿坚硬的岩层。,自然界中存在的最硬物质,熔点高。,金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损机械摩擦、非常微小；破损本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,图 金刚石车床及其加工照片,金刚石车床主要性能指标,精密切削加工,精密加工：加工精度为0.11um，表面粗糙度为0.020.1um。,3、增强互换性、促进自动化装配应用。,提高加工精度的好处：,1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；,2、促进产品的小型化；,精密加工的关键技术：,1、精密加工机床,2、金刚石刀具,3、精密切削机理,5、误差补偿,4、稳定的加工环境,6、精密测量技术,精密切削研究最早从金刚石车削开始金刚石铣削金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性：过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。,精密切削机理：采用微量切削方法，对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削的主要因素。,过渡切削：切削时，刀具的切削刃与工件表面存在的关系。弹性滑动塑性滑动切削塑性滑动 弹性滑动,零件的最终工序的最小切入深度应小于或等于零件的加工精度。,切削力的来源：1、切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；2、刀具与切削同工件表面间的摩擦阻力。,切削力F的影响因素：1、切削速度v：硬质合金车刀不明显 天然金刚石车刀随v增大F降低 考虑积削瘤时，低速时切削力随切削速度增加而急剧下降；到200300m/min时切削力基本不变。2、进给量f：f对主切削力FZ的影响大于径向切削力和轴向切削力。,3、切削深度ap：硬质合金车刀影响明显 天然金刚石车刀FzFy 精密切削中进给量对切削力的影响大于切削深度。与普通切削相反。4、刀具材料：主要因为摩擦系数不同。,切削热的来源：1、弹塑性变形消耗功热；2、摩擦消耗功热。切削热通过改变切削温度影响切削过程。切削温度是指切屑、工件和刀具接触表面上的平均温度。,刀具刀尖的温度最高，对切削过程的影响很大。切削热由切屑、工件、刀具和周围介质传导，传导热的比例随刀具材料、切削用量及刀具几何角度、加工情况等的变化有所不同。其中切削传出的热量最多。采用微量切削方法进行精密切削时，需要采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。,精密加工中，热变形引起的加工误差占总误差的40%70%。因此必须严格控制工件的温升和环境温度的变化。通常采用切削液浇注工件的方法来减小切削热对精密加工的影响。课本上列出了干切削与施加冷却液时的表面粗糙度比较图，见图1.14；不同的切削液对表面粗糙度的影响图，见图1.15。,切削液的作用：1、抑制积屑瘤的生成；2、降低加工区域温度，稳定加工精度；3、减少切削力；4、减小刀具磨损，提高刀具耐用度。,刀具磨损、破损及耐用度金刚石刀具可分为：机械磨损、破损和碳化磨损。(前两种比较常见)金刚石刀具破损的原因有：裂纹（结构缺陷）、破碎（金刚石较脆）、解理（破坏晶面结构）。刀具磨损分为：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。天然单晶金刚石是目前已知最硬的材料，是精密切削中最重要的刀具。其磨损或破损到不能使用的标志是加工表面的粗糙度超过规定值。耐用度以其切削路程的长度表示。,精密机床是进行精密加工的首要条件。二战后美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术。我国起步比较晚，20世纪60年代才开始发展精密机床。上海机床厂、武汉和重庆机床厂、北京机床研究所、航空精密机械研究所为我国精密机床发展做出了相当的贡献。我国由于起步晚、且从国外购进的精密机床受到保密技术的制约，与外国的差距较大。,精密机床,普通机床主轴径向跳动通常为0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1000mm；精密机床主轴径向跳动通常为0.0030.005mm，导轨平直度为0.01mm/1000mm；超精密要求则更高，具体精度指标见表1.6。通常，加工设备的精度必须高于零件精度，通常高一个数量级。所以高精度工件的精度保证，取决于加工机床的精度。,精密主轴部件是精密和超精密机床的关键部件之一，它的性能直接影响精密和超精密加工质量。对主轴的要求：回转精度、转动平稳、无振动，其关键在于使用精密轴承。床身和导轨：具有尺寸稳定性好、热膨胀系数小、振动衰减能力强、耐磨性和加工工艺性好等。通常用优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。进给驱动系统：精密机床必须具有精密的进给驱动精度。精密和超精密加工的精度由检测精度来保证的，为了消除误差，必须使用误差补偿技术。,超精密切削加工发展：20世纪60年代发展起来的新技术，在国防和尖端技术领域具有重要地位。服从金属切削的普遍规律，但由于切削层极薄，所以又具有一定的特殊性。发展方向：1、基本理论和工艺；2、设备的精度、动态性及热稳定性；3、精度检测和误差补偿；4、环境控制技术；5、加工材料。,精密磨削加工,磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要工具。,特点：,1、可加工一般结构材料：铸铁、碳钢、合金钢；难以切削高硬度材料：淬火钢、硬质合金、陶瓷、玻璃等。,2、精度高、表面粗糙度小：IT5及以上，Ra为1.250.01um,3、径向作用力大且作用在工艺系统刚性较差的方向上。,4、磨削的温度高，磨削产生的切削热多：80%90%传入工件。故应大量采用切削液来降低磨削温度。,5、砂轮有自锐作用：磨粒破碎，形成新的菱角。,6、磨削加工的工艺范围广：外圆面、内圆面、平面等。,7、磨削在切削加工中的应用比例增大：发达国家占到30%40%。,精密磨削加工：细粒度的磨粒或微粉、高精度小表面粗糙度值。是利用微小的多刃刀具去除细微切屑的一种加工方法。一般指砂轮磨削和砂带磨削。,分类：研磨、超精加工、珩磨、抛光等等。,固结磨料加工：固结磨具：磨料微粉结合剂通过烧结形成砂轮、砂条涂覆磨具：通过涂覆在纸、布或复合材料基底上。涂覆方法有重力落砂法、涂覆法、静电植入法。,游离磨料加工,在精密和超精密磨削中，磨料大多使用超硬磨料：立方氮化硼。磨粒的粒度影响加工的表面粗糙度值，粒度号数越大，加工表面的粗糙度值越小。精密砂轮磨削：粒度6080、精度10.1um、Ra为0.20.25um。超精密砂轮磨削：粒度W40W5、精度0.1um、Ra为0.0250.008um。,说明：1、磨粒是不规则的菱形，在砂轮表面随机分布。，一般只有10%的磨粒参与切屑。磨粒的微刃性和等高性好，获得的表面粗糙度值小。2、磨削温度很高。磨粒磨削点温度：8001200，影响加工质量和磨粒的磨损。砂轮磨削区：几百度，与磨削烧伤和裂纹的出现有关。影响因素：砂轮速度、工件速度、径向进给量、工件材料、砂轮的粒度与硬度。,3、磨削液的作用：冷却作用、润滑作用、清洗作用等。一般选用乳化液和离子型磨削液。4、磨削加工一般安排在最后的终加工阶段。5、磨削质量评价：加工表面的几何特征：表面粗糙度、加工表面缺陷 加工表面层材料的性能：塑性变形与加工硬化、残余应力与金相组织变化。6、磨削力的影响因素：砂轮速度、工件速度及进给量、砂轮的磨损。,7、磨削质量和裂纹控制：表面粗糙度：砂轮速度越高、工件速度越低、砂轮粒度越大、纵向进给越小粗糙度值越小；冷作硬化：发生塑性变形，表面层金属硬度增加；金相组织变化：磨削烧伤：表面层被氧化；表层金属的残余应力：精细磨削中塑性变形起主导作用，工件表面金属产生压缩残余应力。,8、磨削机床要求：高几何精度：砂轮主轴的回转精度、导轨的直线度；低速进给运动的稳定性：无爬行和无冲击；减少振动：防振地基上；减少热变形：机床开启后34h趋向热平衡，精密磨削需在热变形稳定后进行。,精整加工是生产中常用的精密加工，它是指在精加工之后从工件上去除很薄的材料层,以提高工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法,如研磨、珩磨等。光整加工是指不去除或从工件上去除极薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工方法，如超级光磨、抛光等。,精整和光整加工,1.加工原理 研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法。具体说：利用微小磨粒借助于研具与工件的相对运动作微小切削。有磁性研磨、弹性发射加工、悬浮抛光等。采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可对内圆、外圆和平面等进行研磨。,一、研 磨,图示为研磨外圆的工具。研磨套2由夹套1夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。,研磨外圆的工具 1-夹套；2-研磨套；3-调节螺钉；4-手柄。,为了磨料能嵌入研磨套的内表面，研磨套的材应软些，常用的是铸铁。研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂，将该工具套在工件上，并调节好配合的松紧程度，然后让工件旋转，手持研磨工具在轴向来回移动，直至达到研磨的要求为止。,研磨剂是很细的磨料(粒度为W14W15)、研磨液和辅助材料的混合剂。常用的有液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）三种。主要起研磨、吸附、冷却和润滑等作用。2.研磨的特点与应用 1)精度高质量好 经研磨后的工件表面,尺寸精度可达IT4IT1级；表面粗糙度值可减小到0.10.006m。形状精度亦可相应提高。,2)生产效率低，加工余量小 3)研磨剂易飞溅，污染环境。在现代制造业中研磨应用很广，许多精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、陶瓷元件、光学镜头及棱镜等零件均需研磨。,1.加工原理 利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作往复振动、相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的工件精加工方法。2.特点与应用 一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，IT6IT4表面粗糙度Ra值可达0.20.025m。珩磨加工的工件表面质量特性好、加工精度和加工效率高，加工应用范围广、经济性好。,二、珩磨,挤压珩磨,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图8）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图9）。,精密与超精密砂带磨削,图9 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,闭式砂带磨削方式（图10）,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图11），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,精密砂带磨削工艺：砂带磨削用量选择：砂带速度：闭式粗磨1230m/s、精磨2530m/s；工件速度：粗磨2030m/min、精磨20m/min。砂带选择：根据精度和表面粗糙度要求选择磨料种类、粒度、基底材料等。砂带磨削的润湿与除尘：考虑砂带粘结剂和基底材料的种类。,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,游离磨料加工,抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,1.加工原理 用细粒度的磨具对工件施加一定压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。磨具与工件之间的运动如下：1)工件作低速旋转运动,工320m/min;2)油石磨具作往复振动,每分钟振动300 1200次,振幅为35mm；3)磨具作纵向进给运动,进给量f纵为0.10.15 mm/r。,三、超精加工GB（又名：超级光磨）,2.特点与应用 超精加工能加工钢、铸铁、铜合金、铝合金、陶瓷、玻璃、硅和锗等各种金属与非金属,可以加工外圆、平面、内孔和各种曲面。尤其适用加工内燃机曲轴、凸轮轴、活塞、活塞销等的光整加工。,超精加工可在普通车床、外圆磨床上进行，对于批量较大的生产则宜在专用机床上进行。工作时应充分地加润滑油，以便形成油膜和清洗极细地磨屑。超精加工后地工件表面粗糙度Ra值约在0.10.006m之间。,抛光是利用机械、化学或电化学地作用，使工件获的光亮、平整表面的加工方法。抛光的主要工具用品有软轮和磨膏等。软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定的弹性，以便抛光时能按工件形状而变形，增加抛光面积或加工曲面。磨膏由磨料和油脂(包括硬脂酸、煤油、石蜡等）配置而成。,四、抛光,磨料的种类取决于工件材料，如：钢制零件抛光可选用氧化铁粉及刚玉；铸铁件抛光可选用氧化铁粉及碳化硅粉；有色合金抛光宜选用氧化铬及金刚砂。抛光是安排在工件精加工之后进行，抛光之后的工件，粗糙度Ra值可达0.10.012m,并能明显增加光亮度，但不能甚至不能保持原有的精度。抛光可在抛光机或砂带磨床上进行。,工作原理（图13）抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。,液体动力抛光,机械化学抛光,工作原理（图14）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器,精密与超精密加工环境,
