《精密切削加工》PPT课件.ppt

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1、Precision&Non-traditional Machining Technology,精密与特种加工王贵成主编精密与特种加工,绪 论,一、精密与特种加工在制造业中的地位与作用制造业：制造资源（物料、设备、工具、资金、技术、人力及信息等）制造过程产品创造人类财富的一半以上制造技术的发展与社会需求有关：工业革命引发了机械制造业的大跃进汽车的出现促进了：机械、冶金、电子、建材等航天、航空促进了新材料、新技术的发展(包括超精密加工）,美国二战后不重视机械行业，到80年代，日本的汽车、摩托车、家用电器等行业领先,基础行业机械工业为其他行业提供技术装备直接影响着其他行业的生产技术水平国民经济的关键

2、部门,机械工业的发展速度高于整体经济20%，机器的重要性越来越高。（其他行业依赖机械）,发展尖端技术、国防、微电子等都需要精密与超精密加工出来的仪器设备,我国的机械行业的差距：一是：高度自动化技术：FMS、CIMS、敏捷制造技术,二是：精密加工、超精密加工,绪 论,精密加工 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。,超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,包括：精密切削加工及精密磨削加工、特种加工。精车、精磨 1m普通加工精密加工：0.10.01m；(0.1-1)超精密加工 0.010.001m(0.1),特种加工：用电、光、声、磁能进行加

3、工的工艺。主加工模具（90%50%）;难加工的材料;复杂形状;薄壁件,微细加工 微小尺寸的精密加工超微细加工 微小尺寸的超精密加工,纳米技术：0.1100nm的材料、设计、制造、（精度与形貌的测量、性能的测量、加工技术、传感器及控制技术；微型机械、纳米生物学）,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,精密与超精密加工的地位,哈勃望远镜一次镜直径2.4米、900kg的大型反光镜，极高的分辨率。专门研制了超精密加工，光学玻璃用6轴CNC研磨抛光机-解决了硬脆材料的超精密加工问题,镜

4、子的抛光从1979年开始持续到1981年5月，极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子，,使用的是超低膨胀玻璃，镜片在1981年底全部完成（表面处理）,1990年4月25日，由美国航天飞机送上太空轨道 长13.3米，直径2.4米，重11.6吨，造价近30亿美元。,形状精度0.01m，直径2.4m，能观察到140亿光年的天体,哈勃望远镜的主镜镀铝（提高反射率，表面的Al2O3透明）,下一代:韦伯/主镜开始安装,磁盘的存储能力与磁头、磁盘间的距离飞行高度密切相关，0.15微米，磁盘基片的加工平面度、粗糙度,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键,例：陀螺仪球与导弹命中精度（美国民兵洲际导弹的圆概

5、率误差500米，MX战略导弹的陀螺仪的精度提高一个等级后，误差50-150）；1kg的陀螺仪球的质量中心偏离对称轴0.5nm就会引起100米的射程误差和50米的轨道误差。,人造卫星的仪表轴承：真空无润滑，孔和轴的表面粗糙度在1nm，,雷达的关键部件：波导管内腔的粗糙度10nm，红外导弹接受红外线的反射镜，粗糙度10nm,飞机发电机转子叶片加工误差与压缩效率；推力增大、热效率、功率增加。,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点 精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展（先军用后民用）精密机床、温度、空气洁净度、减振、测量、数控、切削机理等

6、等,精密与超精密加工的主要领域：有色金属的超精密切削加工陀螺仪、镜面精密与超精密磨削与研磨：大规模集成电路基片的加工、高精度硬盘的加工精密特种加工：电子束、离子束大规模集成电路的线宽小于0.1微米,精密与特种加工对机械制造工艺的影响,1、提高了材料的可加工性,2、改变了零件的典型加工路线,3、改变了新产品的试制模式三维打印,4、对零件的结构设计产生了很大的影响整体模具、整体涡轮复杂形状的加工,5、对零件加工工艺性产生影响方孔、小孔、窄缝，薄壁件；,6、特种加工成为微细加工、精密加工的主要技术手段,二、课程内容和任务加工原理、现象、规律会选择加工方法、加工参数（定性）现状：全国300多万台机床，

7、主要是普通机床，刀具以高速钢、硬质合金为主。一台 机床几千元，而进口一台几十万均价,精密加工技术的发展：18世纪末期瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm20 世纪 40 年代 最高精度 1m，150年精度提高1000倍20 世纪末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）50年的时间，精度再提高1000倍20世纪40 年代 1 m 60 100 m、1 m、0.1 m 90 5 m、0.05 0.005 末 1 0.01 0.001,例：使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可

8、极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐，刃口半径在0.50.01m（2nm）。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM（Atomic Force Microscope）方便地进行测量。,针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动,测出的三维图像,b）20微米,深度约350nm的凹坑,c）4*4微米正方形，四个,激光用锥,美国，直径8.4米，浇注成型，激光测量形状误差，用小型研磨头局部修研。,在线修整砂

9、轮,芯片在1971年10微米1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米（2001年）、0.11微米一直发展到目前最新的90纳米，而未来则会以80纳米作为一个过渡，然后进一步发展到65纳米。,提高精度的意义可以提高性能、寿命；降低噪音、能耗（汽车、飞机）例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内（卫星制导后可达10米）；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%（发动机工作效率提高,从而导致油耗下降)；齿形、齿距误差从3-4m减小1m，附加应力减少、齿轮模数减

10、小、尺寸减小、齿轮箱减小、单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍齿轮的传动能力提高。汽车的油耗、噪音,提高精度的意义机器小型化：齿轮精度提高可降低尺寸、集成电路、硬盘精度高储量提高互换性要求：提高互换性装配自动化提高装配质量,如何提高加工质量？“进化”原则 直接式进化或“创造性”加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产成品率很低。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。蜕化或母性原则,精密与超精密加工特点1.微量切削机理与传统加工不同背吃刀量切削深度ap小于晶粒大小，切削在晶粒

11、内进行，与传统切削机理完全不同。,2.特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。3.形成综合制造工艺综合技术要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具（刀具等）、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。,4.与高新技术产品有关精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。5.与自动化技术联系紧密广泛采用计算机控制、自适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。6.加工与检测一体

12、化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。,精密与超精密加工的关键技术机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）旋转精度液体静压轴承、空气静压轴承导轨滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨微量进给电致伸缩或弹性变形式,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳0.1m；液体静压导轨，直线度达0.05/100mm；数控系统分辨率0.01m。,2）T形布局 车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动

13、轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,刀具材料：金刚石、CBN等刃磨：刃口圆角半径纳米级,单晶金刚石笔,精密切削机理：背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。力、热、积屑瘤及对质量的影响规律等,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）、无人自动加工,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，,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：与

14、世隔绝、隔振地基，隔振垫层，空气弹簧，隔振器,4.精密与超精密加工环境,加工的支撑环境包括：空气环境：洁净度、气流速度、压力、有害气体热环境：温度、湿度、表面热辐射振动环境：频率、加速度、微振动声环境：噪声、频率、声压光环境：照度、眩光、色彩静电环境：静电量、电磁波、放射线,热环境温度变化影响机床的精度：-10时机床床身变成中凹形状，35时变成中凸形状，翘曲量约10m机床向阳一面比背阳一面温度低10，机床也变形温度变化：工件尺寸也变化，内部温度不均匀也影响测量精度，测量必须说明温度另外不同材质的零件配合的精度随温度而变化,20标准测量温度实际夏季24；春秋季20；冬季17要求温度波动小：恒温精

15、度有0.2级、0.5级，1级、2级（2）硅片加工的恒温精度0.01,机床和工件的变形：占总误差的40-70%磨削100的零件、温度变化10、产生11m1977年，美国加工球面机床、精度0.1 m，机床变形控制在0.05 m，主轴热伸长0.05 m超精密加工的难题之一：超精密温度控制LLL实验室试验结果：油温变化0.056，热变形0.19 m 0.006 0.019,减少热变形的措施：减少热源：空气轴承代替液压轴承、减少电动机的发热量、发热件放在机床床身外（如步进电机、激光器放在床身的外侧）采用热膨胀系数小的材料：铟钢、合金铸铁、陶瓷、花岗岩、系数接近零的微晶玻璃使机床长期处于热平衡状态：附加热

16、源，在不工作时，释放热量，保持恒定温度。大量恒温液体喷淋（150L/min),使用恒温油浇淋前后，附近铝棒（200mm）和空气尺寸的变化,LODTM机床的恒温控制恒温室:铝制框架+隔热塑料板人员不进入机床室恒温空气，流量90m2/min，风机水冷室内空气0.005重要部件用恒温水控温，水温20 0.0005主轴的径向和止推轴承中空，水冷水量6.3L/s,振动环境振动对加工的影响：附加一个运动，影响加工质量高频振动不易传递到加工区（工艺系统的减振吸收），低频70Hz以下的影响加工，要求控制其振幅在0.1m,震源：高速运动的部件（电机、主轴）电机、主轴的偏心空气轴承的振荡滚珠丝杆和螺母的不同心导轨

17、运动部件直线运动速度的变化工件的偏心常时震动,对精密和超精密加工构成威胁的是微振动（或称暗振动、常时振动）频率低、振幅小地球表层任何地点、任何建筑物的地基，都在以微小的振幅不停的振动着，其振幅通常不超过数微米，振动周期一般为0.5S至数秒，常时振动来源：室内振动 人员行走 设备运转 物料搬运室外振动 交通运输设备自然界振动：常时微动和风,振动干扰的消除1.内部振动干扰的消除防振回转件的平衡、提高其加工和装配精度（无间隙）减少传动系统的振动：软带、单带减少液压系统的干扰：油泵单独放置提高加工设备的抗振性：选材、结构,外界振动干扰的消除隔振选址远离震源辅助设备分开放置隔振地基隔振弹性材料、隔振元件

18、,隔振元器件隔振垫层橡胶、泡沫板、毛毡、软木隔振器弹簧隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器等空气弹簧：空气、橡胶和外罩组成空气弹簧技术难度很高：要很软（隔离低频振动、又不摇晃（倾斜时能快速恢复水平）固有频率很低，对微振隔振效果好，结构复杂，造价高,国外超精密加工机床中，大多数采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时，具有较低的刚度。弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境干扰频率，提高隔振效果。,隔离振源隔振沟、隔振墙（中空）、空气隔振垫空压机（空气轴承用）、泵（冷却水、油）移走水泵（提供恒温水）不直接供水，而是打入水箱

19、，靠水的自重流动地基足够深、周围隔振沟、沟内使用吸振材料地基隔振弹簧（隔振频率不够低、少用）,LODTM隔振沟地基、隔墙双层（中间减振材料）、使用四个空气垫（非床底支撑、采用上部支撑）可以隔离频率2Hz的振动，隔振后轴承部件的相对振动振幅仅2nm,提高机床抗振性：很大的床身以降低它的自振频率、DTM-3的床身6.4*4.6*1.5的巨大花岗岩使用振动衰减能力强的材料做作构件人造花岗岩天然花岗岩铸铁钢英国OAGM2500大型精密机床:床身钢焊接结构，中间用人造花岗岩填充，减振性很好,空气环境尘埃尺寸与加工精度相比已经不能忽略如：硅晶体表面的超精加工时，尘埃会划伤加工表面手术室：0.5m以上的微粒

20、5万以上（一立方英尺）洁净度级别的上限浓度见下页表气流速度要低，微正压,洁净室温度、湿度、微粒、流速、压力、气流分布等对洁净室的要求：发尘量小：不带入（人员、物品）、不产生及时排除尘埃：排气、喷淋、防静电材料供给洁净空气,气流类型乱流型：成本低，效果差（带走粉尘颗粒）层流型：垂直、水平，垂直式从上向下流动，效果好正压控制分层次的局部环境：一层比一层洁净：一般环境、精密环境、超精密环境,局部净化例：计算机硬盘表面涂层高点的铲刮：宝石铲刮头与磁盘的距离0.4m，可以铲刮掉0.40.8 m的高点，产生的粉尘由流动的空气带走，加工区罩在有机玻璃内。,湿度空气中水蒸气分压力与同温度下饱和分压的比值湿度高

21、（50%），锈蚀、镜头霉斑，冷却水管结露，电路故障，硅晶体表面吸潮、吸附微粒（难清除）湿度太低（30%以下）材料变脆易燃、静电力造成微粒在物体表面吸附，半导体易击穿3545%为好湿度的波动要小：10%、5、2、1,其他环境光环境：天然光源照明质量高（天然+人工，提高照度，照度越高，能识别的尺寸越小）静电环境：击穿、颗粒吸附，电击人体抗静电的材料、涂层噪声环境,精密测量与误差补偿：闭环控制。测量精度比加工误差高一个等级、激光干涉仪、多次光波干涉显微镜、原子力显微镜、隧道扫描显微镜（分辨率0.01nm，能看到原子0.1nm）,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属

22、镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住（不脱离表面），再搬运到另一个地方放下。,关键技术机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）刀具：材料；刃磨精密切削机理：精密与超精密加工环境精密测量误差补偿,*扫描隧道显微测量技术1981，二瑞士人，获诺贝尔奖可以观察物体表面埃级的形貌还可以移动原子、去除、重组量子力学的隧道效应：而电极的距离缩小到1nm时，由于粒子的波动性，电流会穿过绝缘壁垒电流密度极端敏感，距离减小0.1nm，电流密度增加一个数量级环境：恒温、真空、防振等高测量-电流变化恒电流测量常用分辨

23、率0.01nm,探针对准某个原子，并非常接近时，针尖可以带动原子移动而不脱离试件表面对准原子，加上电压，可以使原子电离蒸发，去除原子美国用STM进行光刻，0.01m线宽的电路,X射线干涉测量技术二束X射线，其中一束与被测物体联结一体，汇合后产生干涉条纹，被测物体移动，干涉信号变化，可以实现0.005nm的分辨率，位移测量精度0.01nm测量范围0.2mm速度最大值3*10-3nm,原子力显微镜非导体的测量探针与被测量的表面接近到埃级时，产生原子力，先是吸引力后是排斥力用软弹簧0.01N/m，保证探针与试样的恒距离同时用扫描隧道显微镜测量弹簧的位移分辨率0.01nm,电化学腐蚀断裂的瞬间，切断电

24、流或机械剪切，形成尖峰,被加工材料因素材质均匀性能稳定，无外部及内部微观缺陷化学成分误差在10-210-3数量级，不含杂质物理力学性能，强硬度、膨胀系数、热导率等稳定,二、精密与超精密切削加工分类,三、精密超精密加工的经济性生产高精度零件的经济性好如大型反射镜、多棱镜、陀螺仪,第一章 精密切削加工,1-2 精密切削加工机理一、切削变形和切削力1.切削变形过渡切削最小切入深度毛刺与亏缺微量切削的碾压过程,金属切削过程的变形,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,切削：与偏挤压情况类似。弹性变

25、形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,图3-2 金属挤压与切削比较,刃口的圆弧半径远小于切削深度,过渡切削,最小切入深度：刀具能够切除工件材料的最小切削深度,等于或小于加工精度、反应精加工的能力取决于刃口圆弧的半径、摩擦系数,正交切削：切削刃与主运动方向垂直，垂直屏幕方向没有作用力水平力pzi垂直力pyi,刨削加工,水平分力使材料向前流动、切除材料垂直分力将材料压向基体，不能切除材料的运动方向能否切除表面材料取决于二力大小比较。力的来源：正压力N和摩擦力F,越小(正压力及摩擦力的方向越偏向下而非偏水平，合力与铅垂方向的夹角越

26、小），合力向下偏当（各点的值不同）足够大时(切削层厚度足够大)，合力的方向就可能变为45方向,水平力pzi 垂直力pyi时最大剪切应力为水平，可以形成切屑（找到i点二力相等的点，就可以得出）,minh（1-cos）45,（1-cos）约为0.3,minh（1-cos）在一定时，刀尖圆角半径越大，最小切入深度增大；反之刀具刃磨的越锋利越小，能够切削的最小厚度越小，切削精度提高。,直观地：摩擦系数较小，接近0时，角接近45，min最大。摩擦系数越大，min越小刃口圆弧半径越大，最小切入深度也越大,切入深度大于最小切入深度才能形成切屑左图：切除的金属层厚度不等于理论的切削深度,有没有最小进给量？一个

27、切削周期内，最小进给量小于一定值不会产生切削作用，但进给方向的切削参数是可以累加的。,毛刺与亏缺：降低加工质量（精密加工需要考虑）,切削终端处的毛刺和亏缺：刀具前角的大小影响毛刺和亏缺,前角小,向下的推挤就越严重，易形成亏缺,前角大，塑性材料易形成毛刺,Ra 值的30,副偏角也影响Ra跳动也影响Ra,滞留在工件边角棱等部位上，超出工件理想尺寸的多余金属材料影响尺寸精度，形状精度，影响精密加工质量的关键因素之一。,毛刺的有害作用降低工件的尺寸精度，形状精度，表面质量影响后续的加工定位降低测量精度影响装配影响操作安全毛刺脱落造成亏缺降低液压件气压传动件的工作效率降低机器的使用可靠性，如电气短路等去

28、除毛刺降低加工生产率,亏缺,上世纪七十年代，开始对毛刺的专门研究,微量切削时的碾压,的范围内，实际前角0，挤压摩擦作用强烈,切削厚度变化：0max，接近0时，挤压摩擦作用强烈,主切削刃：切削平面内碾压，切削力增加，工件，刀具变形增加轴的半径方向碾压,刀尖在轴向碾压，已加工表面残余应力切削力也增加,精密超精密加工的刃口圆弧半径相对切削厚度较大，所以碾压作用更明显，单位切削力增加，工件刀具变形严重，刃口圆弧半径减少，有利于降低切削力刀尖圆弧半径越小也有利于减少残余压应力。,刀尖处的碾压,主偏角、负偏角在圆弧段小于理论值、且是变化的挤压；切削厚度也是变化的：0max，接近0时，挤压摩擦作用；碾压在微

29、量切削时作用大、对表面质量影响大；工件变形影响加工精度。,2.切削力18切削力的来源3个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力前刀面上的正压力及摩擦力后刀面 上的正压力及摩擦力,Fx,Fy,前刀面上的力,后刀面上的力,合力及合力分解水平及垂直力,水平力分解为Fx、Fy,切削力的合成与分解,2.切削力的分解 主切削力、径向切削力、轴向切削力,Fy,Fz,Fx,2.切削力（为何要把切削加工分成粗加工、半精加工、精加工三个阶段）影响因素切削速度进给量切削深度刀具材料 工件材料,2.切削力影响因素切削速度无积屑瘤时 使用切削液、或速度很低、很高对硬质合金刀具：刃口圆弧半径大，前刀面受力小

30、（切屑不流经前刀面，与前刀面没有挤压变形及摩擦）；刃口圆弧对工件的挤压为主；切削速度对切削力影响小,对金刚石刀具：刃口圆弧半径小，前刀面受力较大，切削速度增加，前刀面受力减小，总切削力减少。,刀具不锋利时，切削速度对切削力的影响很小；刀具锋利：切削速度增加，切削力降低；刀具越锋利，切削力越小,有积屑瘤时：低速时，积屑瘤高，切削力大，速度增加，积屑瘤高度降低，切削力降低。与常规切削加工相反。,常规切削加工：积屑瘤高，切削力小。,常规切削加工积屑瘤对切削力的影响,积屑瘤成因,一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化,滞留粘接长大,积屑瘤对普通切削加工的影响

31、,增大前角，保护刀刃粗加工 影响加工精度和表面粗糙度,精密切削加工时，积屑瘤造成实际：刃口半径增加，切削深度增加，摩擦严重积屑瘤粗糙、摩擦系数大,精密加工：不允许积屑瘤产生，使用切削液,为何低速干切硬铝，表面粗糙度值大？,积屑瘤高度大,进给量对切削力的影响(硬质合金刀具),Fz随进给量的增加明显当进给量小时，FzFy,切削力的分解 主切削力、径向切削力、轴向切削力,Fy,Fz,Fx,进给量对切削力的影响(金刚石刀具),但金刚石刀具FzFy,对Fz影响大,2.切削力影响因素进给量增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能径向切削力Fy（刃口半径小，碾压轻）精密切削时，进给量远大于切

32、削深度，所以进给量对切削力的影响远大于切深,一般主切削力最大,切削深度对切削力的影响(硬质合金刀具),切削深度对切削力的影响(金刚石刀具),对Fz影响大,对Fz影响大,2.切削力影响因素切削深度增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能径向切削力（刃口半径小，碾压轻）,一般主切削力最大，但精密切削时，当切削用量与刃口半径比小时，主切削力可能径向切削力此外，一般切削加工，切削深度对切削力的影响大，但精密切削时，进给量远大于切削深度，所以，进给量对切削力的影响大于切削深度。,锋利的车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刃口半径越小，刀刃越锋利，切削力越小。背吃刀量很小时，刃口半径增加，

33、切削力增加更显著。背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变形已经占到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。背吃刀量很小的精切时，应该采用刃口半径很小的的锋利金刚石车刀。,刀刃锋锐度对切削力的影响,刀具锋锐度对加工表面残余应力的影响,刃口半径越小，残留应力越低背吃刀量越小，残余应力越小；但背吃刀量减小到一定临界值时，背吃刀量越小，残留应力越大,传统切削加工对切削力影响的大小：ap f v精密加工：f的影响大（ap影响小，f的绝对值比ap大得多）精密加工：当切削用量与刃口圆弧半径比较小时，主切削力Fz可能小于吃刀抗力Fy非金刚石刀具,2.切削力影响因素刀具材料、刀具结构、

34、工件材料金刚石刀具：切削力小 原因：刃口半径小，碾压轻；与被切削材料摩擦力小其他刀具：切削力较大,第一章 精密切削加工,二、切削热和切削液切削热：刀具磨损、生产率、加工质量切削热的来源：变形（弹、塑性）及摩擦切削温度：切屑、工件、刀具接触面的平均温度。精密切削：刀尖受力大，温度高,常规加工切削温度及分布,切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,温度分布 工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；,精密加工时，刀尖受力很大、温度最高。因为：工件材料的变形不依靠位错的移动，而是晶面的整体移动，变形抗力很

35、大，接近晶体的理论强度,二、切削热和切削液切削热的影响及控制热变形误差占总误差的50左右如100mm的铝件，温度变化1，产生尺寸变化2.25m。而精密加工的精度要求可以达到0.1 m，所以要求温度变化很小。0.05（0.12.25）生产中采用切削液控制温度、此外刀具角度及切削用量也影响切削温度切削液的冰水冷却、多层恒温系统、加工前的恒温、加工过程中的冷却,切削液及作用,精密加工的切削液：豆油、橄榄油、煤油、氯化石蜡、二烷基二硫化磷酸锌、酒精等渗透、吸附减少摩擦形成物理膜豆油较好化学吸附膜氯化物、硫化物等可能与刀具反应，降低刀具的表面质量降低加工质量吸附膜不完整作用：除降温、润滑、清洗、防锈外，

36、精密切削还有以下作用：抑制积屑瘤降低、稳定温度，提高加工质量、降低摩擦，减少切削力减少刀具磨损，提高刀具耐用度,三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度难点：晶面的确定（哈工大激光方法测量）、刃磨、测量刀具磨损形式/主要是：机械磨损、粘结磨损、相变磨损、马氏体变为珠光体扩散磨损、碳化磨损、破损(晶面 解理劈开),金刚石刀具：机械磨损、破损(晶面解理劈开)碳化磨损（很少）1、机械磨损：硬质点、切屑磨损刃口圆弧半径增加成为斜面副后刀面上的阶梯磨损前刀面上的磨损凹槽机械磨损及微观破损，机理都是微观的解理断裂,金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带,零件工作中的磨损，和磨削加工中的磨损有何

37、不同？,金刚石刀具的耐用度与切削速度无关,金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合由于实际测量不便，所以金刚石磨钝的标准是工件的表面质量能否达到要求。,后刀面前刀面*10000倍,金刚石刀具的加工质量最好,直线刃刀具副后刀面的阶梯磨损,前刀面的磨损：加工Al合金，100km切削距离，前刀面磨损0.1微米,比例尺不同,20km后，Ra仍在0.01m以下，加工质量很高美国LLL实验室的试验,单晶金刚石车刀,三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度2 刀具破损冲击、振动加工裂纹疲劳破坏破损碎裂：冲击、振动(精密机床)解理：密排面间的断裂，（100）晶面作前后刀面好,金刚石刀具,精密切削刀具材

38、料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,（二）常见的晶格类型,金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上用金刚石粉进行研磨 预加工 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达

39、到1nm）刃磨和晶向选择二个难点,天然圆弧刃金刚石刀具是加工球曲面、非球曲面零件的重要工具,由于金刚石各向异性,使圆弧刃刃磨技术成为金刚石刀具制造中的难点和关键。直线刃，刃磨容易，对刀难，国内用的多,单晶金刚石在小刀头上的固定方法主要有：机械加固法(将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上)；粉末冶金法(将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上)；粘结和钎焊法(使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石)。,表1金刚石的物理性能物理性能-数值硬度10000，随晶体方向和温度而定抗弯强度-210490MPa抗压强度-15002500MPa弹性模量-(910.5)10

40、12MPa热导率-8.416.7J/cms质量热容-0.156J/(g)(常温)开始氧化温度约630 开始碳化温度650(在惰性气体中)和铝合金、黄铜间的摩擦系数-0.050.07(在常温下),天然金刚石：透明（贵）、半透明、不透明无色、浅绿、浅黄、褐色（硬度最高）,金刚石刀具适合切削的材料,金刚石超精密加工技术应用 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,精密与超精密加工技术,图 金刚石车床及其加工照片,加工4.5mm陶瓷球,3.磨损对加工质量的影响：金刚石刀具机械磨损很微小、刀具表面保持很光滑，对加工

41、质量影响很小。,磨损不到0.1,Ra基本不变，在0.08左右,磨料磨损时的情形,修光刃,4.刀具磨损三阶段：初期、正常、急剧磨损,金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带,金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合,磨钝极限：工艺磨损极限：根据加工质量确定合理磨损极限：根据磨损量确定耐用度：金刚石刀具耐用度：切削路程的长度表示 几百公里避免振动、冲击等造成崩刃细小的崩刃超硬刀具,第一章 精密切削加工,1-3 精密切削加工机床及应用一、精密机床发展概况二战后、美国、导弹、核技术，早在20世纪50年代末，美国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

42、承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。,正在进行加工的Nanosys 300非球面复合加工系统,1984年:大型光学金刚石车床(Large Optics DiamondTurning Machine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工设备的最高水平，该机床可加工直径为2.1m，重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨，在1.07m1.12m范围内直线度误差小于0.025m(在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013m(激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.057(通过两路激光干涉仪测量，压电

43、陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统，不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在（200.0025）。采用摩擦驱动，运动分辨率达0.005m。最终可实现加工大型光学零件直径达1.4m，面形精度为 0.025m，表面粗糙度Ra5nm。,进入80年代后，随着民用光学应用范围的扩大，超精密加工技术在民用行业得到了应用。高精度、高效、大型、微型化发展中国，60年代开始，8/90年代出成品、欧美国家开始解禁,超精密机床的特征,高精度：高静态精度，高动态精度。包括几何精度、定位精度、重复精度及分辨率高刚度：静态刚度、动态刚度、接触刚度工件、机床、刀具夹具等整个工艺系统的刚度高稳定性：保持精

44、度、耐磨性、抗振性、热稳定性等高自动化：质量的一致，人为干扰的减少,1、按加工方法分：超精密切削机床超精密磨削机床超精密研抛机床超精密特种加工设备2、按通用化程度分：专用超精密加工机床通用型超精密加工机床,超精密切削机床：采用天然金刚石刀具加工软金属材料超精密磨削机床：加工黑色金属及硬脆的陶瓷、半导体材料超精密研抛机床：机床的精度不高，依靠特殊的原理方法加工，如弹性发射抛光、磁性抛光等超精密特种加工机床：加工难加工的材料和形状，微细加工等,1-3 精密切削加工机床及应用二、精密机床的精度指标 主轴、导轨、进给驱动三方面普通机床：径向跳动 导轨直线度 0.01mm、0.02/1000mm精密车床

45、：0.003mm(3m)0.01mm/1000mm超精密车床：0.5m 0.25m/250mm,超精密机床的精度指标,精密机床精度等级和指标,零件精度要求与机床精度关系机床回转精度为零件的1/4、机床运动精度与工件形状精度接近圆度与径向跳动；圆柱度与导轨直线度零件粗糙度为尺寸精度的10左右机床回转精度的约1/4,超精密加工机床的关键部件超精密主轴超精密床身超精密导轨超精密运动驱动部件超精密微量进给装置超精密运动检测系统超精密数控系统,第一章 精密切削加工,1-3 精密切削加工机床及应用三、精密主轴部件液体静压轴承主轴空气静压轴承主轴主轴的驱动方式静压轴承的原理：轴颈和轴承被外界供给的一定压力的

46、承载介质完全隔开，从而减低轴颈和轴承间相对摩擦、振动,内腔用电火花共轭回转加工浅槽用离子束加工,液体静压轴承主轴,径向轴承,止推轴承,真空吸盘,液体静压轴承主轴 压力,主轴实物,液体静压轴承优点：无固体摩擦 摩擦力小、运动平稳无振动（滚动轴承有误差振动）刚度和承载能力强变形、振动小，保证加工质量液体静压轴承的缺点：油温升高，（速度变化，温升也变化）主轴热变形强制冷却（对油和轴承冷却）油内气泡会降低轴承的性能加大压力6-8MPa,气体静压轴承,气体静压轴承：回转精度高、运转平稳、振动小无固体摩擦，摩擦小、温升小使用寿命长,可以在极高和极低的温度、速度下,以及辐射环境中工作,因此在航空、航天领域以

47、及精密测量和惯性测试设备上得到广泛应用。,单边间隙6-15m空气静压轴承的缺点：刚度和承载能力差可以满足超精密加工；多孔质气体静压轴承能明显提高轴承的承载能力,超精密空气静压轴承主轴,水静压轴承与油静压轴承相比，发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。,超精密机床主轴和轴承的材料材料选择的原则考虑不易磨损偶尔的不通气会发生接触转动，材料不易腐蚀生锈空气轴承无润滑剂，工作空气干燥，但不工作时潮湿空气会进入材料要稳定且线膨胀系数小温升仅1-2-3，仍然会影响正常工作精度，主轴和轴承应选用线膨胀系数小，接近的材料，且可以用恒温油喷淋降温。制造空气主轴和轴套的材料：38CrMo

48、,超精密机床主轴和轴承的材料材料选择的原则考虑不易磨损，偶尔的不通气会发生接触转动，材料不易腐蚀生锈，空气轴承无润滑剂，工作空气干燥，但不工作时潮湿空气会进入材料要稳定且线膨胀系数小温升仅1-2-3，仍然会影响正常工作精度，主轴和轴承应选用线膨胀系数小，接近的材料，且可以用恒温油喷淋降温。制造空气主轴和轴套的材料：38CrMoAl，表面氮化、低温稳定处理不锈钢多孔石墨和轴承钢,轴向轴承,径向轴承,电机,径向轴承,轴向轴承,利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。高速、真空、超净等特殊环境,主轴的驱动方式电动机带传动驱动电动机柔性联轴器驱动内装式同轴电动机,电动机带传动驱动无

49、接缝丝带动平衡、无齿轮（减少振动）、直流或变频电机调速 早期的驱动方式,带轮 径向及止推轴承 电磁联轴器 径向轴承 轴 球轴承,电磁联轴器,电动机柔性联轴器驱动（如电磁联轴器减少振动）电机、主轴同轴线；回转精度高、超精密机床用柔性联轴器可以消除安装误差引起的振动和回转误差电机严格的动平衡应用最多,电磁联轴器,内装式同轴电动机：定子主轴箱；转子主轴空气轴承、无刷电机（减小摩擦振动）、电机强制冷却 无丝带、无联轴器,无刷电机是利用位置传感器感应到转子的具体位置，然后控制触发电路，依次触发均匀分布于定子上的由晶体管控制的多相绕组（一般为三相），使之产生类似于“旋转磁场”的动磁场，在转子上产生感应电流

50、后使之产生转矩。,电机无轴承，依靠主轴的空气轴承支撑；主轴采用水冷却,第一章 精密切削加工,四、床身和精密导轨部件机床要求：高稳定性各部件尺寸稳定尺寸稳定性好的陶瓷、花岗岩、铟钢、合金铸铁零件要消除应力、时效、冷处理、缓冷刚度高、变形小、抗振减振运动件的位置的变化（如刀架）、工件的装卸、受力的变化变形要求高刚度接触面接触良好、接触刚度高，变形小,1.材料/优质耐磨铸铁、花岗岩优质耐磨铸铁：膨胀系数小、耐磨、减振、易生锈花岗岩（多用）：稳定性、膨胀小、耐磨（硬度高）、减振、耐腐蚀 吸潮变形（岩石）、加工困难（铸石）人造花岗岩：树脂黏结花岗岩颗粒，可以浇筑成型，吸潮性小，减振更好氧化铝陶瓷、合金铸