华中科技大学
硕士学位论文
FDM导丝机构及控制系统研究
姓名：赵仕平
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：叶春生
20090522
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摘 要
随着对产品研发设计效率要求的不断提高，快速成型技术得到了广泛的应用。作为快速成型技术之一的熔丝沉积（FDM ）技术，也快速发展起来。熔丝沉积（FDM ）技术的最大优点在于加工过程中不使用激光器，因此加工成本较低。
熔丝沉积（FDM ）技术中，有三个主要问题需要解决，第一个问题是丝材的传导过程中经常出现堵塞或断丝现象，第二个问题是所使用的成型材料的质量问题，第三个问题是加工过程中的扫描路径问题。
本课题所要解决的就是这三个问题的其中之一，即丝材传导过程中经常出现的丝材堵塞或断裂现象。在对FDM 技术和数控技术的研究分析基础上，进行了导丝机构的结构设计和控制系统的设计。提出了丝材传导双电机驱动的方法，并提出了以基于ARM 内核的32位微处理器STM32103VB 为核心的硬件平台和软件平台。控制系统硬件采用模块化设计，主要包括步进电机驱动电路、RS232串行通信电路、电源电路、USB 接口电路等；软件部分主要包括STM32103VB 与步进电机驱动芯片L9935之间的SPI 通信，步进电机的PWM （脉宽调制）调速。
通过以上工作，解决了导丝机构在丝材传导过程中经常出现的堵塞和断丝现象，丝材能够顺利导入加热块进行加热；电路的模块化设计，使得系统更加简洁，步进电机和PWM 调速方法的采用，使得丝材传导的速度更易控制。
关键词关键词：：熔丝沉积；丝材传导；ARM ；SPI 通信；脉宽调制
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Abstract
With the more requirements of high efficiency on product R&D, The rapid prototyping technology has been widely used. Fused deposition technology, as one kind of the rapid prototyping technology, has a persistent development and improvement. The most important advantage of FDM is that it doesn’t use laser, therefore the cost is relatively low.
There are three main problems need to solve in the FDM technology. The first is that the plastic wire is often blocked or parted in the process of transmission. The second is that the quality of some of the plastic material is not very good. The third is about the scan path.
The project is about the plug and rupture problem in the process of wire transmission. Based on the research on FDM technology and CNC technology, the mechanical structure and control system of the material transmission mechanism is designed. It put forward the double motor driving method and hardware and software platforms to 32-bit microprocessor at the core base on ARM core. Modular hardware of the control system consists of stepper motor drive circuit, RS232 serial communication circuit, power circuit, USB interface circuit, etc. The software mainly involves SPI communication between STM32F103VB and stepper motor driver L9935 and the PWM (Pulse Width Modulation) speed adjusting for the stepper motor.
The above-mentioned work solved the plug and broke problem happening at the wire transfer process. The wire can be smoothly transmitted into the heating block. The modular circuits make the system looks more clear. The employ of the stepper motor and the PWM speed adjusting method, makes it easier to control the speed of the wire transmission.
Key words: FDM；Wire transmission；ARM；SPI；PWM
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪论
1.1 FDM技术的发展现状
1.1.1 快速成型技术
快速成型（Rapid prototyping，RP）技术，是20世纪八九十年代在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料的基础上发展起来的一种先进的模型及产品制造技术[1]。快速成型技术的基本思想是把复杂的三维立体加工变为简单的平面加工，首先利用软件对三维模型进行切片处理，生成每一片的数据，根据所生成的数据进行逐层累积加工[2]。
快速成型技术主要包括光固化成型（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选择性粉末烧结（SLS）和熔丝沉积成型（FDM）[3]，另外，还包括三维打印(3DP)、形状沉积造型(SDM)等。光固化成型、叠层实体制造和选择性激光烧结三种快速成型技术的区别在于成型材料的不同。光固化成型所使用的材料是光敏树脂，利用激光器对液态的光敏树脂进行扫描，使其固化，然后，工作台下降一个层的高度，继续对覆于已经固化树脂上的第二层液态树脂进行扫描，第二层固化后随即粘结于第一层上，如此反复，即可完成产品的加工。与之类似，叠层实体制造技术所使用的材料是纸，用激光器在纸上切割出所需轮廓后，在其上覆盖第二层背面涂有热熔胶的纸，两层纸粘接在一起后，用激光器进行第二层纸的切割，如此反复。而选择性激光烧结技术所使用的材料是各种粉末，利用激光器将粉末加热至熔化状态而粘接在一起，在进行第二层烧结时，该层即和已经凝固的第一层粘接在一起。熔丝沉积制造技术与上述三者的最主要区别在于没有采用激光器，因为激光器价格昂贵，而且使用寿命一定，所以使用成本较高。没有使用激光器、低成本是熔丝沉积制造技术的最主要的优势[4]。
国外研究快速成型技术的公司和单位主要有：3D-Systems公司，主要研究开发光固化成型设备，至今已有20余年的历史；Helisys公司，主要研究开发叠层实体制
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造设备，这也是首个实现快速成型设备商品化的公司，比3D-Systems公司产品的商品化要早4年；DTM公司，主要研究开发选择性激光烧结设备，于1992年实现了产品的商品化；Stratasys公司等，主要研究开发熔丝沉积制造设备，其产品实现商品化的时间是1993年[5]。
我国的华中科技大学、清华大学、西安交通大学等高校和单位于上世纪90年代开始就已经开始了引进、研究快速成型技术的工作，至今已经取得了一系列具有突破性的创新成果。华中科技大学自主研发的叠层实体制造系统、选择性激光烧结系统、光固化成型系统等快速成型设备，其技术含量均达到了国内外先进水平。
快速成型技术的优越性在于：快速成型技术应用于产品研发设计和制造领域，它的特点是能够显著缩短产品投放市场周期，以及提高研发效率，从而增强企业的竞争力。采用快速成型技术后，产品的研发周期明显缩短。快速成型技术并不需要模具就可实现产品的首件试制及模型制作，既提高了开发效率，又节约了开发成本；同时，用快速制模技术可以制作快速制作出成本低的硅橡胶模，可用于制造小批量的产品。利用快速成型技术进行模型或首件试制，可以及时发现产品设计过程中的失误，避免不必要的返工，从而可以把产品以更好的质量和更快的效率投向市场[6]。
随着技术的不断成熟，利用快速成型技术也可以直接制造成品，甚至可以利用选择性激光烧结技术制造强度较高、表面质量较好的金属零件。由于利用快速成型技术进行产品制造，不必设计制造模具，因此在单件生产和小批量生产中优势明显，大大节约了研发时间和成本。由于将实体的制造由复杂的三维加工变成一系列简单的平面层片的加工，大大降低了加工难度，在成型过程中成型难度与形状和结构的复杂程度无关，因此在理论上可以加工任意形状的零件[7]。
二十一世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，在世纪之初这种特征已经初见端倪。制造业面临复杂而激烈的竞争环境，产品的小批量和多品种化需求，对传统的加工方式提出了挑战。在经济全球化和制造业日趋国际化的形势下，缩短产品研发周期、控制研发成本和减小新产品投资风险，已成为企业是否在激烈的竞争中得到生存和发展的关键。快速成型技术的发展，无疑会成为企业生存和发展的需求，因此将会得到进一步发展和推广[8]。
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1.1.2 FDM技术及其国内外发展现状
熔丝沉积（FDM）又叫熔融沉积，它是将丝状的热熔性材料（如ABS）加热熔化，通过一个带有微细喷嘴的挤出头挤喷出来[9]。挤出头与机床的X轴和Y轴作相对运动，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而刚成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面粘接在一起。一个层面沉积完成后，工作台与挤出头的距离按照预定的增量增加一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型[10]。
FDM的工艺过程决定了在制造悬臂零件的时候必须采用支撑，因此现在的FDM 快速成型机一般有两个挤出头，一个用来挤喷成型材料，一个用来挤喷支撑材料。两种材料特性不同，保证成型完毕后较容易地去除支撑材料[11]。
目前，熔丝沉积快速成型方法得到了广泛应用，它具有下特点[12]：
（1）系统构造和操作简单，维护成本低，运行安全，所使用的ABS等成型材料无毒无味；
（2）设备体积小，噪音低，可在办公环境中安全使用；
（3）可以成型形状任意复杂的零件，常用于成型具有复杂内腔、孔的零件；
（4）原材料利用率高，成型过程中无化学变化；
（5）支撑去除简单，分离容易。
当然，熔丝沉积快速成型方法也有一些缺点，具体如下：
（1）由于分层厚度较大，成型件表面有明显的条纹，对表面质量要求高的零件，需要做表面处理；
（2）沿垂直方向的强度比较弱；
（3）对于带悬臂结构的制件，需要制作支撑结构；
（4）相对于其他主要快速成型方法，成型时间长。
国外研究熔丝沉积成型的公司主要是Stratasys公司和MedModeler公司。Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM机型FDM-1650，其最大加工尺寸为250mm，此后，先后推出了FDM-3000、FDM-8000等机型。其中，FDM-8000最大加工尺寸为610mm。1998年该公司推出的FDM-Quantum机型，最大造型尺寸为600
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mm，该机型同一时间内可以同时控制两个挤出头，所以其成型速度大大提高，为过去的五倍。1998年，Stratasys公司和MedModeler公司合作开发了专用于医学研究和医院的MedModeler机型，成型材料使用ABS。1999年，两个公司又合作推出了使用聚酯热塑性材料作为成型材料的Genisys型改进机型——Genisys Xs，其最大成型尺寸为305 mm。国内研究熔丝沉积成型的单位主要有华中科技大学和清华大学(推出了MEM机型)等，均取得了一批具有突破性的创新成果[13]。
目前广泛使用的成型材料主要有ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性材料。1998年，澳大利亚Swinburn工业大学开发了一种金属-塑料复合材料丝。1999年，Stratasys 公司开发出了水溶性支撑材料，有效解决了小型或复杂空洞中支撑材料难以去除或无法去除的难题[14]。
熔丝沉积制造（FDM）技术的优势在于低成本地制造中小型零件，由于其加工工艺特点，并不适合制造体积较大的零件，这是因为它靠机床的三轴机械传动完成对各个部位的加工，零件体积的增大必然要求机床体积增大，这样FDM的使用成本就会增加，从而不能发挥出它与其他快速成型技术的比较优势。
1.2 数控技术的发展现状和趋势
随着数控技术在关系到国计民生的各个领域得到广泛的应用和研发队伍的日益壮大，技术创新和更新的速度在不断加快。其研究热点和发展趋势主要集中在以下几个方面：
（1）高精度、高速度加工趋势
当今的加工制造业越来越注重产品的质量和设计加工效率，一方面是市场提出了越来越高的要求，另一方面来自于日益增大的竞争压力，企业要实现长远发展和赢利，必须有自己的核心技术和自主知识产权，这在21世纪知识经济的大环境下表现的日益明显，因此，比较评价制造类企业的竞争实力，只看其经济规模的时代已经一去不返了。目前，大型复杂零件的加工精度已经达到了几个微米；加工一大型薄壁零件，原来需要10个小时，现在只需要不到30min就可完成。这些质量和效率的进步，离不开数控技术的应用。如果一个机床上没有数控系统，不可能达到如此
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高的质量和效率。
（2）多轴联动和复合型机床得到快速发展
5轴联动数控机床在加工复杂曲面的效率是3轴联动机床的两倍，加工质量也明显提高。目前，在该领域技术最先进的是德国和日本。我国的沈阳机床等公司也成功开发了5轴联动数控系统。目前，我国在数控技术领域的研究已经取得了一系列的具有突破性的成果，如华中数控最新研发的HNC-21/22数控系统及其功能部件，已经达到国际一流水平。但是因为高端数控系统的主机结构复杂、软件开发难度大等原因，目前只有部分大型企业才有实力购买这种设备。复合型机床可以实现原来在多台机床上才能完成的加工任务，主要依靠其先进的数控系统来实现。
（3）向智能化、网络化、开放式方向发展
21世纪人工智能技术得到了飞速的发展，数控领域不可避免地涉及到此。尽管自动编程、工艺参数的自动生成也可称为人工智能，但是现在已经成为很普通的技术。也就是说，对人工智能的认识和定义，其起点已经越来越高。开放式指的是数控系统的模块化和标准化，面向机床生产厂家和用户，通过增减某些模块，就可形成各种档次的产品[16]。网络化指的是信息集成，技术的高度发达带来的是信息量的剧烈增加，必须对千头万绪的信息进行整理和集成，形成信息网络，才能提高效率，有条不紊。日本的山崎马扎克公司和德国西门子公司开发的新机型，正好代表了网络化的发展趋势。
1.3 论文论文研究背景及研究背景及研究背景及内容安排内容安排
1.3.1 课题的研究背景
课题来源于华中科技大学快速成型实验室的FDM 快速成型系统开发项目。所开发的FDM 快速成型机，在机械结构和控制方式方面，都比原先实验室开发的FDM 设备有很大改进，目前，首台设备已经调试成功并能够加工质量优良的产品。
在设备中，有一个相对独立的部件，即把丝材导入加热块的机构，我们称之为导丝机构。该机构在工作过程中，经常出现堵塞或断丝的现象，为此，需
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要设计新的导丝机构及其控制系统，以解决这个问题。
1.3.2 论文的内容安排
本文主要论述课题的主要内容，包括导丝机构的机械结构，基于ARM的控制系统，包括其开发思路、硬件电路和软件部分。
第一章，绪论部分，介绍了快速成型技术尤其是FDM技术的原理、国内外发展现状和发展趋势；介绍了数控技术的发展现状和发展趋势。
第二章，介绍了与课题研究密切相关的ARM技术，即其指令集和内核；重点介绍了所使用的STM32F103VB微处理器中的Cortex-M3内核。
第三章，介绍了所开发的导丝机构的机械结构，以及与原先设计的比较。进行了电机的选择，确定使用两相步进电机，使用PWM脉冲驱动方式。
第四章，介绍了控制系统的硬件部分，包括STM32F103VB、L9935步进电机芯片之间的端口连接；步进电机驱动电路、RS232电路模块等。
第五章，介绍了控制系统的软件部分，软件部分实现的功能一是STM32F103VB与L9935的SPI通信，另一个是步进电机转速的控制。
第六章，总结与展望。
1.4 本章小结
本章介绍了快速成型技术尤其是FDM技术的国内外发展现状，数控系统的发展趋势，对论文的内容安排，包括其各章主要内容进行了简要概括。
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2 ARM技术及其应用
2.1 ARM技术简介
ARM（全称为Advanced RISC Machines），是英国一家知名电子公司和知识产权供应商。ARM公司只出售技术授权，其本身并不生产芯片。自上世纪九十年代推出世界领先的32位嵌入式RISC处理器以来，所有的ARM处理器均采用了这一体系结构[17]。
经过十多年的发展，目前，世界上知名的半导体公司大部分都采用了ARM公司的技术。ARM技术广泛应用于工业控制、电子商务、家用电器、数字视频音频、汽车智能与安全监控等方方面面，其成熟的技术方案，使其在各个领域均具有良好的适用性，已经逐步深入到生活的各个方面，基于ARM技术的微处理器占据了32位微处理器四分之三的产品市场份额，向传统8位/16位微处理器提出了挑战。
ARM技术在2001年进入中国市场，在仅仅不到八年的时间内，ARM中国发生了翻天覆地的变化，并且具有强大的团队。因此可以说，ARM技术在中国的推广产生了良好的效果。目前在中国市场占有率最高的是ARM7系列和ARM9系列[18]，ARM7处理器比较便宜，能够满足大多数的使用场合，但该系列处理器时钟数量较少；ARM9系列处理器的主频普遍较高。
2.2 ARM处理器的指令集
ARM处理器有两种指令集，一种是32位的ARM指令集，另一种是16位的Thumb指令集。ARM处理器具有两种工作状态，一种是ARM状态，另一种是Thumb 状态。前者用于处理32位的ARM指令集，后者用于处理16位的Thumb指令集，根据所处理指令集的不同，ARM处理器在两种工作状态中切换。在ARM状态，操作数寄存器状态位为1，处理器执行BX指令；在Thumb状态，恰好相反，操作数寄存器状态位为0时，处理器执行BX指令。ARM处理器之所以保留处理16位Thumb 指令集的功能，是因为ARM体系结构得到广泛应用时，8位和16位处理器仍然占据着嵌入式控制器市场[19]。这些处理器产品不能满足高端的应用，这些高端应用需要更高的代码密度。目前所开发的Cortex系列内核，其性能目前是最先进的。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Thumb从ARM指令集中抽出36条指令格式，编成16位操作码，运行时，又解压成32位的指令。16位的Thumb核，使设计者得到32位指令性能的同时，又可享有前者产生代码的优势。当然，与后者相比，Thumb指令集也有一定的缺点：一是需要更多的指令以完成相同的操作；二是没有包含需要异常处理时的一些指令。这两个局限性决定了其必须要与ARM指令集配合使用[20]。
2.3 ARM内核
2.3.1 ARM内核介绍
处理器模式：ARM处理器有7种运行模式，如表2-1所示。除用户模式之外的其他模式都为特权模式，除系统模式，其他特权模式又称异常模式。处理器模式可以通过软件、外部中断或异常处理过程进行切换。一般情况下，处理器运行在用户模式。当需要进行模式切换时，应用程序可以产生中断处理，在异常处理过程中进行处理器模式切换。程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。
表2-1 ARM处理器的7种运行模式
操作模式功能
用户模式(usr) 正常程序执行的模式
快速中断模式（fiq）用于高速数据传输和通道处理
外部中断模式（irq）用于通用中断处理
数据访问终止模式（abt）主要用于虚拟存储及虚拟保护
管理模式（svc）操作系统使用保护模式
系统模式（sys）运行具有特权的操作系统任务
未定义指令终止模式（und）用于支持硬件协处理器软件的仿真
异常处理：目前，ARM核能够识别并处理7种处理器异常，如表所示。每一种异常都对应于某一种处理器模式。异常发生时，处理器就切换到该异常所对应的处理器模式[21]。
2.3.2 Cortex-M3内核
ARM公司于2006年推出的Cortex系列，是基于ARMv7-M的32位处理器，而Cortex-M3是该系列的第一款，它的特点是功耗低、调试成本低、终端延迟时间短。该系列处理去包含A、V、R三种不同的系列，分别面向不同的应用。而Cortex-M3
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属于M系列，主要用于微控制系统、无线网络和工业控制等领域，用它进行系统的开发，成本很低[22]。
Cortex-M3处理器在达到高速运算的同时，功耗比同类处理器明显小很多。在采用ARM指令的同时，也可以使用Thumb指令集。测试表明，其加、减、乘法运算速度达到了2.2M次/秒，比ARM7TDMI-S提高了40%，其Flash容量提高了更是提高了一倍。除法运算达到了2M次/秒，比ARM7TDMI-S提高了25%。处理器中的可选模块MPU可以进行存储保护，这样，可以提高系统的可靠性。Cortex-M3处理器可以实现低成本的跟踪调试，即只需时钟和数据两个引脚，进行串行线调试。
基于Cortex内核而开发的STM32系列微控制器，就是一种性能优良、性价比高的微控制器，目前已经受到越来越多公司和单位的认可。这也正好验证了cortex内核的优越性。Cortex系列可以完全取代16位的处理器，所以，Cortex以其明显的优点，必定成为所属领域所流行使用的处理器。
异常的类型和优先级：在进行异常处理时，首先划分优先级的大小，优先级高的首先处理，优先级低的只能在高优先级异常处理完成之后再进行处理。中断子程序结束前后，处理器的状态发生变化。由于同时进行中断向量的获取和状态的保存，所以中断处理效率很高。异常的类型有复位、硬故障、不可屏蔽中断、总线故障、存储管理、外部中断等共14种。Cortex-M3的故障大多是同步的[23]。
在多种异常类型中，除了优先级最高的复位、硬故障、不可屏蔽中断之外，其余的中断优先级都可以通过软件配置，软件配置的优先级比硬件的优先级要高，不过对上述三种优先级最高的异常没有影响。NVIC通过对优先级进行分组来对中断的优先级进行管控，以提高处理效率。实际上，优先级可被分成抢占优先级和次要优先级两部分，异常优先级大小就是由这两部分决定的。
2.4 本章小结
本章分析了ARM技术、ARM主要产品特性及ARM指令集；并对ARM的7种处理器模式和异常处理进行了论述；最后阐述了Cortex-M3这一目前为止最先进的ARM内核。
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3 导丝机构的结构
3.1 导丝机构的结构设计
3.1.1 原有设计
导丝机构是FDM快速成型设备中的重要部件之一，也是一个相对独立的机构，其设计的好坏，直接影响到工艺过程的顺畅程度，以及所加工产品的质量。导丝机构普遍存在传导不畅，丝材容易堵塞、断丝等现象[24]。出现这些现象的原因主要有：1．导丝机构设计不合理，或者装配不良。导丝机构的机械结构，是影响丝材传导的最关键的因素[25]。该机构的结构中，最为关键的部分是与丝材直接接触的滚轮。滚轮的材质，以及几何形状，直接影响其与丝材的接触面积和摩擦力的大小；而装配情况则关系到丝材受法向挤压而引起变形的程度。
2．电机的类型和转速不合适。当丝材传导的量大于加热块的熔化量时，就容易发生堵塞现象；当丝材传导的量小于加热块的熔化量时，则容易发生断丝现象。普遍采用小型直流电机进行丝材传导装置的驱动，因为传动的精度要求不是太高，所以通过调节电机电流的大小，达到调节转速的目的，基本上就可以达到要求。但是，因为传动精度不高，不能够精确控制传导量，而且当传导速度和加热块对丝材的熔化速度不一致时，比较容易出现断丝或堵塞情况。
为此，设计了新型的丝材传导机构1，如图3-1所示其最大几何尺寸为98mm×36mm×34mm（不包括螺钉探出部分），与以前的类似装置相比，在体积上做到尽量减小。壳体材料采用了2A12铝合金，以减轻机构的重量。减轻机构重量是一个比较关键的要素，因为新型的FDM（熔丝沉积）机床，其本身的体积已经大大减小（长宽均不超过一米），该导丝机构固定于Z轴的悬臂梁上，重量的减轻，可以改善悬臂梁的受力情况，减小其变形量，提高产品的成型精度。
该导丝机构的主要特征是：
1．包括成型材料和支撑材料两组传导装置，满足了成型材料和支撑材料不同时
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需要由两个挤出头单独喷挤的工艺要求。每组传导装置包括一个主动轮（由直流电机直接驱动，和两个从动轮（无电机驱动）。传导过程中，丝材从两个从动轮之间被传导进入加热块。主动轮的转动，带动其中一个从动轮转动（当然，通过丝材的运动，另一个从动轮也处于滚动状态）。
2．每一组传导装置的两个从动轮，其中心距可以调整。原理如下：电机驱动的主动轮和与之直接接触的从动轮装配在同一块板上，保证它们没有相对运动的可能，而且这块板在水平方向上与壳体的相对位置可以调整；另一个从动轮则固定在壳体上，与壳体之间的水平相对位置不可调整。这样，就可以调整两个从动轮对丝材的挤压程度，通过实验，可以调整至最佳的挤压程度（即最佳的两个滚轮间距）。这样设计的优点在于如果发现丝材传导效果不好，调整滚轮间距就可以了，而不是将此导丝机构直接报废换新。
虽然在使用的过程中，该导丝机构的导丝效果良好，与之前的类似机构相比，确实有比较大的改进，故障率大为减少。但是，以下问题仍然没有得到较好解决：丝材在受到滚轮挤压时，变形较大；丝材有时会发生堵塞，传导不畅。
图3-1 丝材传导机构1
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3.1.2 导丝机构的设计
新设计的导丝机构，其最大几何为77mm×72mm×36mm（不包括螺钉探出部分），如图3-2所示，在能够保证正常装配的基础上，使其体积最小，以节省空间和制造成本。该机构左右对称，分别是成型材料的传导装置和支撑材料的传导装置。为了使丝材能够顺利导入该机构，在机构的入口开设了上宽下窄的倒锥形口。成型材料的导入装置部分采用两对滚轮传导。支撑材料的传导部分也采用了相同的结构。为减轻重量，壳体材料采用了2A12铝合金。
图3-2 导丝机构的结构
该导丝机构同以前的设计的最大不同如下：
1．每对滚轮中都包括一个主动轮（电机驱动）和一个从动轮（无电机驱动）；而普通的导丝机构大多采用一对滚轮传导，即使采用两对滚轮，也只有一对滚轮中有一个主动轮，另一对则全部为从动轮。
2．滚轮的结构有很大不同，每个滚轮都由两部分组成：金属材料制作的轴状芯，以及包覆在中部的橡胶材料，工作时，被传导的丝材即与橡胶材质接触，而不是与金属材质直接接触；还有一个不同之处是：与丝材接触的滚轮橡胶部位，开设了弧
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形凹槽。
3．虽然该导丝机构采用的驱动电机数目（共有4个）比普通装置多一倍，滚轮的结构也比较复杂，但是整个装置的零件却比较少，原因在于更加合理的结构设计。零件数目的减少，使装配变得容易，装配的精度也较高。
该导丝机构的优点是：
1．成型材料和支撑材料都采用上下两个电机驱动传导，改善了传导的效果和效率。而且下面的一个电机离加热块很进，有利于丝材能够直接进入加热块，不会出现堵塞现象。实验的结果是，丝材能够顺利地传导下去且连续长时间工作（数几十小时）均没有出现问题，工作状况良好。
2．受传导的丝材与软材质的橡胶接触，而不是与金属材质接触，工作过程中，橡胶材质受丝材的挤压而变形，从而减小了丝材在传导过程中的变形。滚轮橡胶与丝材接触的部位为圆弧形，而不是圆柱形（上面有滚花，以增大摩擦力），这样，增大了与丝材的接触面积呈现两个滚轮的弧形面对接后，对丝材形成包紧状态，摩擦力也大大增加；圆弧装的形态同时避免了丝材变形过大而强度减弱的现象（一旦出现这种情况，丝材就会出现弯折而传到不畅）。
3．采用了步进电机驱动，步进电机与传统的直流电机（普通的导丝机构一般都采用直流电机驱动）相比，其传动的精度较高。能够根据脉冲数目直接判断转动量，可以实现数字化控制，因此可以较精确地判断丝材的传导量，无论是转速的调整，还是初期的调试，都比较快捷高效。
步进电机的选择及及驱动方式
3.2 步进电机的选择
3.2.1 步进电机的原理和特点
‘步进电机是将电脉冲信号转化成角位移的执行机构’[26]。步进电机由步进驱动器驱动，步进驱动器接受到的脉冲信号与步进电机的角位移成正比，因此，可以通过控制发送脉冲的数量来控制步进电机的角位移，具有定位精确的特性。可以通过调节所发送脉冲的频率来控制步进电机的转速，同样，脉冲频率和转速也成正比。因此，步进电机是一种非常适合用于自动控制的电机。当然，它在传动过程中达到
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的精度并不是最高的，比较适合于小型机床。若所传输的功率很大，且需要反馈时，则应该选择伺服电机。它有良好的性能价格比，因此得到了广泛的使用。
以三相反应式步进电机为例，介绍其工作原理[27]：
（1）结构主要分为定子和转子，定子上分布着两两相对的6个磁极，每相对的两个磁极为一相，缠绕同一绕组。每一磁极表面均分布着间距相同的小齿。转子表面也均匀分布着与定子相同的小齿。
（2）定子的A、B、C三相小齿存在错齿现象，保证其中一相的小齿与转子小齿对齐，处于最大最大磁导时，另外两相并不处于这种状态。
（3）A、B、C三相以固定的组合方式轮流循环通电，转子在电磁力的作用下被推动旋转。
如图3-3所示，A相通电，则该相的磁场建立，在电磁力作用下，A相小齿与转子小齿对齿，这时，B相与C相与转子并不对齿；A相关断，B相通电，开始同样的过程，如此循环。A、B、C三相循环通电一次，转子转过一个齿距的角度（齿距角）。
图3-3 三相反应式步进电机的内部结构
步进电机按照转子所采用材料的不同，可以分为永磁式步进电机（PM，转子由
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永磁材料制造）、反应式步进电机（VR，转子由软磁材料制造）和混合式步进电机（HB，软磁材料制成的转子内部包含一个永磁体，兼有反应式与永磁式步进电机的优点）三类。其中，混合式步进电机的性能明显优于永磁式和反应式步进电机，但其制造工艺复杂，成本较高[28]。
步进电机具有如下特点：
（1）没有累计误差，角位移与接收到的脉冲数成正比；
（2）可以使用开环控制，不必使用反馈，直接通过判断脉冲数来判断位移量；
（3）可以直接驱动所需转速较低的部件，中间不必使用减速器（有的步进电机也带减速器），即步进电机可以达到很低的转速，这是其他类型的电机不能比拟的。
（4）容易产生失步现象，所谓失步，指的是步进电机的角位移量与脉冲数不成正比，与理论值之间有偏差[29]。
3.2.2 步进电机的选型
导丝机构使用的电机选用华阳24BYJ28型号，其额定电压为12V，额定电流为1.5A，外形尺寸为24mm，内部有减速机构，适用于转速较慢的工作场合。本导丝机构对电机转速的要求为较低的6rpm，因此适用。本电机为两相混合式步进电机，有四根引线，两根线由A相引出，另外两根由B相引出，适合使用H桥双极驱动。
双极驱动的方式，电流可在一相绕组上换向，可以实现电机的正反转。在一个H 桥中，对角线上的两个开关管的导通和关段状态总是相同，相邻的开关管的状态总是相反，电机绕组的接线如图3-4所示，那么，假设目前电机正转，若控制逻辑把开关管的开关状态改变，那么，电机就会反转。也就是说，因此，二相步进电机双极驱动时相当于四相步进电机的单极驱动，其驱动电路如图所示，由两个H桥组成，分别驱动步进电机的绕组A和绕组B。
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图3-4 两相步进电机的驱动电路
电机的结构如图3-5所示，两相混合式步进电机，主要由定子、定子绕组、转子、转子中的永磁体以及外壳组成。转子被分为N极和S极，且两段是对称的。其中，N极转子的磁力线呈放射形穿过铁心，S极的磁力线穿过气隙回到转子。之所以会有N极和S极之分，是因为在两段转子的内部有一块永磁铁，形成转子的N极和S极。与此相似，定子也分为A相和B相绕组，且两相呈对称状态。作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ与磁阻Rm的乘积，即F=ΦRm。气隙磁场在电机磁场中占了绝大部分，所以影响很大。对于两相混合式步进电机，由永磁铁所产生的磁动势（F m）和定子绕组所产生的磁动势F s共同构成了其气隙磁动势，而这也是与其他类型的步进电机的不同之处。气隙对磁场的大小影响很大，其微小的变化都会引起磁场的剧烈变化所谓气隙，指的是以空气为介质的间隙，气隙的变化可以引起磁路和磁阻的很大变化。两种磁动势因电流方向的变更，会产生相互增强或相互削弱的现象[30]。
精密和超精密加工的应用和发展趋势 [摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。 【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势 精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），并发展了相应的空气轴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等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。 在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。 我国的精密、超精密加工技术在20世纪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。北京机床研究所是国内进行超
精密和超精密加工技术复习思考题答案 第一章 1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。 答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。 尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。 2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。 答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4.试展望精密和超精密加工技术的发展。 答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。 5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。 答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。 6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。
精密和超精密加工论文 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c.珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d.精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，
精密和超精密加工现状与发展趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。 超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。 超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对
《精密超精密加工技术》期末试题 1～6题为必答题（每题10分）。 1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领 域？ 答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。 超精密加工领域包括： （1）超精密切削加工。如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。 （2）超精密磨削和研磨抛光加工。如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。 （3）精密特种加工。如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。 2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人 造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？ 答：超精密切削对刀具性能的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷能得到超光滑的镜面。4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。 天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。 人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。 人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。
超精密加工技术的发展现状与趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但 这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加 工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 1.1砂带磨削 用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 1.2精密切割 也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 1.3珩磨 用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、 韧性好的有色金属。 1.4精密研磨与抛光 通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求 的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方 法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配 偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 二、精密加工的发展现状 2.1精密成型加工的发展现状与应用 精密成型加工的发展现状与应用精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形 技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制
考试复习题库 一、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1、精密和超精密加工目前包含的三个领域：（超精密切削）、（精密和超精密磨削研磨）和（精密特种加工）。 2、金刚石晶体的激光定向原理是利用金刚石在不同的（结晶方向）上因晶体结构不同而对激光放射形成不同的（衍射图像）进行的。 3、金刚石刀具在超精密切削时所产生的积屑瘤，将影响加工零件的（表面质量）和（尺寸精度）。 4、目前金刚石刀具主要用于（铝、铜及其合金等软金属）材料的精密与超精密加工，而对于（黑色金属、硬脆）材料的精密与超精密加工，则主要应用精密和超精密磨料加工。 5、金刚石刀具在超精密切削时所产生的积屑瘤，将影响加工零件的（表面质量）和（尺寸精度）。 6、金刚石有（人工目测定向）、（X射线定向）和（激光定向）三种方法。 7、由于金刚石的脆性，在保证获得较小的加工表面粗糙度前提下，为增加切削刃的强度，应采用（较大）的刀具楔角β，故刀具的前角和后角都取得（较小）。 8、金刚石刀具适合加工（铝合金）、无氧铜、黄铜、（非电解镍）等有色金属和某些非金属材料。 9、单晶金刚石有（100 ）、（110 ）、（111 ）三个主要晶面。 10、研磨金刚石晶体时，（110 ）晶面摩擦因数最大，（100 ）晶面次之，（111 ）晶面最小。 11、在高磨削率方向上，（110 ）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100 ）晶面的磨削率次之，（111 ）晶面磨削率最低，最不容易磨。 12、单晶金刚石的（破损）机理主要产生于（111 ）晶面的解理。 13、单晶金刚石的磨损机理主要属（机械磨损），其磨损的本质是（微观解理）的积累。 14、超硬磨料在当前是指（金刚石）和（立方氮化硼）以及它们为主
精密和超精密加工 1、微细加工:指制造微小尺寸零件的生产加工技术 2、电子束加工:利用电子束的高能量密度进行钻孔，切槽，光刻等工作 3、空气洁净度:指空气中含尘埃量多少的程度 4、恒温精度:指相对于空气平均温度所允许的偏差值 5、镜面磨削:一般指加工表面粗糙度达到Ra0.02-0.01um，表面光泽如镜的磨削方法 6、解理现象:是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象。 7、进化原则:即在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高。也称创造性原则。 8、研磨加工：是指利用硬度比被加工材料更高的微米级磨粒，在硬质研磨盘作用下产生的微切削和滚扎作用实现被加工表面的微量材料去除，使工件的形状，尺寸精度达到要求值，并降低表面粗糙度、减小变质层的加工方法。 1、最近出现的隧道扫描显微镜的分辨率是0.01nm，是目前世界上精度最高的测量仪，可用于测量金属和半导体零件表面的原子分布的形貌。最新研究，在扫描隧道显微镜下可移动原子实现精密工程最终目标--原子的精密加工 2、用金刚石刀具进行超精密切削，用于加工铝合金，无氧铜，黄铜，非电解镍等有色金属和某些非金属材料 3、使用切削液后，以消除了积屑瘤对加工表面粗糙度的影响，这时切屑速度已和加工表面粗糙度无关，这种情况和普通切削时钢的规律不同 4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度，使用的超精密机床的机能状态，切削的环境条件等都直接有关 4、金刚石有较大的热容量和良好的导热性，不适宜磨削，钢铁材料，不能加工黑色金属材料 5、无论是正电压或者负电压，传感器的伸长量是相同的 6、保证零件加工精密途径 1）靠所用机床保证即机床精度高于工件所要求精度，｛蜕化原则母性原则｝2）精度比工件要求较低的机床利用误差补偿技术提高加工精度，使加工精度化机床原有精度高｛进化原则，创造性原则｝ 1、精度和超精度的三个领域 1）超精密切削 2）精密和超精密磨削研磨 3）精密特种加工 2、金刚石具有两个比较重要的问题 1）晶面的选择 2）金刚石刀具的研磨质量--切削刀钝圆半径rn
精密和超精密加工机床的现状及发展对策 摘要:精密和超精密加工技术的发展直接影响尖端技术和国防工业的发展。精密和超精密加工机床是精密和超精密加工技术的基础，本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并通过对比说明提出了我国应重视超精密加工机床的研究、加大投入的观点，对精密超精密加工机床的发展对策给出了几条建议。 关键词:精密;超精密;机床;发展 正文:1精密和超精密加工机床发展的意义 精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平而、曲而和复杂形状的加工需求日益迫切。目前，国外己开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。 制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱.其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。随着高技术的蓬勃发展和应用，发达国家提出了“先进制造技术”(AMT)新概念。所谓先进制造技术，就是将机械工程技术、电子信息技术(包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术)和自动化技术，以及材料技术、现代管理技术综合应用于产品的计划、设计、制造、检测、管理、供销和售后服务全过程的综合集成生产技术。先进制造技术追求的目标就是实现优质、精确、省料、节能、清洁、高效、灵活生产，满足社会需求。 从先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表而质量极限.后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措。两者有密切关系，许多精密和超精密加工要依靠自动化技术得以达到预期指标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的、决定性的作用，是先进制造技术的支柱。 最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方而取得不小进展，但仍和国外有较大差距。我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。 由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，因此，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。 2我国精密和超精密加工机床的现状及发展趋势 超精密加工目前尚没有统一的定义，在不同的历史时期、不同的科学技术发展水平情况下，有不同的理解。目前，工业发达国家的一般工厂己能稳定掌握3um的加工精度(我国为5um )。因此，通常称低于此值的加工为普通精度加工，而高于此值的加工则称之为高精度加工。在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同。分为3个档次:
超精密加工领域国内外发展状况分析比较 摘要:超精密加工技术的发展程度决定了我国综合国力的发展步速，因此正确、直观、深入的了解超精密加工的国内外发展状况并进行分析比较，对于加快我国工业发展是十分必要和重要的。 关键词:超精密加工；国内外；分析比较 前言： 超精密加工的技术范畴 由于加工技术水平的发展，超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差△和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。精密加工:Δ=1。0~0。1 μm，Ra=0。1~0。03 μm；超精密加工：Δ=0。1~0。01 μm，Ra=0。03~0。005 μm；纳微米加工：Δ<0。01 μm，Ra<0。005 μm。随着科学技术的飞速发展，超精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等，并向更高层次发展。 超精密加工的影响因素很多，只有广泛研究和综合采用各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。现代科学技术的发展以试验为基础，所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。 ; 主体： 1. 国内外发展现状及比较分析 国际上本领域发展状况 超精密加工发展到今天，已经取得了重大进展，超精密加工已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。影响超精密加工精度的主要因素包括：超精密机床、超精密加工工具（刀具、磨具、磨料等）、超精密加工工艺、被加工材料、夹具、在线检测与误差补偿、超精密加工环境（包括恒温、隔振、洁净控制等）。只有将各个领域的最新技术成就集成起来，才有可能实现超精密加工。 国际上本领域基础研究发展状况 超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。其加工机理随着加工单位（加工应力作用的范围）和工件材料的不均质程度（材料缺陷或因加工产生缺陷）不同而异，若在硬脆材料（如陶瓷、硅单晶等）表面用金刚石刃头划个刻痕，硬脆材料则发生脆性破坏，在材料表面残留无数微裂纹。由压入所引起的变形破坏范围的模型为压痕半径，Rs 为表面上裂纹长度，c 为弹性变形范围的边界。根据这一模型，就可以解释为什么脆性材料磨削过程中不仅有带裂纹的磨痕，同时还掺杂一些由塑性变形而引起的磨痕。但若在磨削及抛光时将加工单位减小，那么就成了因滑移而产生塑性变形的破坏方式来进行加工。虽然，塑性域加工可获得与抛光相当的表面粗糙度，但亚表面损伤（如位错、滑移等）较大。若将加工单位进一步减小至分子或原子级单位，在材料弹性域范围内实现加工，这时材料的化学性能将支配着加工，就可能进行无损伤加工。当加工尺度达到纳米级时，会产生一系列介观物理现象，如：小尺度效应、量子尺寸效应等，此时再用宏观的切削原理来描述加工过
精密和超精密加工技术 第一章 1.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。 答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 2、现代机械工业之所以要至于提高加工精度，其主要原因在于： 提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。 5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，二是切削刃钝圆半径r。 6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿。相应发展起恒温技术、防振技术、净化技术。 7、我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。 答：根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下几个方面： 1)超精密切削磨削的基本理论和工艺； 2)超精密设备的精度，动特性和热稳定性； 3)超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿； 4)超精密加工的环境条件； 5)超精密加工的材料。 第二章 8、金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择? 答：超精密切削实际选择的切削速度，经常是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，因为在该转速时表面粗糙度最小，加工质量最高，获得高质量的加工表面是超精密切削的首要问题。使用质量好，特别是动特性好，振动小的超精密机床可以使用高的切削速度，可以提高加工的效率。 9、超精密切削能达到的最小切削厚度与那些因素有关 答：实际切削达到的的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等都有直接有关。还有被切材料的物理力学性能有关。 10、超精密切削对刀具有哪些要求？为什么单晶金刚石是被公认为理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料？ 答：为实现超精密切削。刀具应具有如下性能。 1)极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。 2)刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。 3)刀刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。 4)和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。 天然单晶金刚石有着一系列优异的特件。如硬度极高、耐磨性和强度高、导热性能好、和有色金属摩擦系数低，能磨出极锋锐的刀刃等。因此虽然它的价格昂贵，仍被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具材料。 11、SPDT:金刚石刀具切削和超精密切削等同起来叫做。 12、试述超精密切削用金刚石刀具的磨损和破损特点。 答：金刚石刀具的磨损，主要是机械磨损，其磨损本质是微观解理的积累。金刚石晶体的破损，主要产生于（111）晶面的解理。
1、精密和超精密加工目前包含的三个领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨和精密特种加工 2、超精密切削时积屑瘤的生成规律：1）在低速切削时，h0值比较稳定；在中速时值不稳定。2）在进给量f很小时，h0较大3）在背吃刀量a p<25um时，h0变化不大；在a p>25um时，h0将随a p的值增大而增大。 3、超精密切削时积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力小。 4、超精密切削时积屑瘤对加工表面粗糙度的影响：积屑瘤高度大，表面粗糙度大；积屑瘤小时表面粗糙度小。 5、超精密切削时极限最小切削厚度：超精密切削实际达到的最小切削厚度，是1nm。 6、超精密切削对刀具的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r n值极小，能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。4）和工件的抗粘接性好，化学亲和性小，摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。 7、为什么单晶金刚石被公认为理想的、不能替代的超精密切削的刀具材料。 天然金刚石有着一系列优异的特性，如硬度极高，耐磨性和强度高，导热性能好，和有色金属摩擦系数低，能磨出极其锋锐的切削刃等。 8、单晶金刚石有（100）、（110）、（111）三个主要晶面。 9、金刚石有人工目测定向、X射线定向和激光定向三种方法。 10、单晶金刚石的前面应选用（100）晶面。 11、试述金刚石刀具的固定方法包括机械夹固、用粉末冶金法固定和使用粘结或钎焊固定。 12、好磨难磨方向：习惯上把高磨削率方向成为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。 13、金刚石刀具适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。 14、单晶金刚石的破损机理主要产生于（111）晶面的解理。 15、单晶金刚石的磨损机理主要属机械磨损，其磨损的本质是微观解理的积累。 16、镜面：粗糙度值极小的超光滑表面。 17、固结磨料加工：将磨粒或微粉与结合剂粘在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。适用于精密和超精密砂轮磨削、精密和超精密砂带磨削、油石研磨、精密研磨等 18、游离磨料加工：在加工时，磨粒或微粉不是固结在一起，而是成游离状态、适用于磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光等。 19、超精密磨削：指加工精度达到或高于0.1um，表面粗糙度小于Ra0.025um，是一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展。 20、镜面磨削：指加工表面粗糙度达到Ra0.02~0.01um，表面光泽如镜的磨削方法。 21、ELID：电解在线修锐 22、砂带磨削的方式从总体上可以分为闭式和开式两大类。 23、砂带磨削的特点：1)弹性磨削 (弹性、柔性、减振、跑合与抛光)。2)冷态磨削 (散热时间长、切屑不易堵塞)。 3)高效磨削 (效率为铣削的10倍，为磨削的5倍) 。4)廉价磨削，制作简单，价格低廉，使用方便。 5)万能磨削，应用范围广，可用于内外表面及成形表面加工。 24、空气轴承的优缺点 优点：1）回转精度高、转速高，可达100,000r/min。2）转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。3）不发热、即使在高速下，温升很小，变形小。4）摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦。5）因为不使用油，不存在密封和泄露问题。6）可靠性高、维护保养方便。 缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。 26、超精密主轴有哪些驱动方式以及它们的优缺点： 1）电机通过带传递驱动机床主轴 优点：实现无级调速，使主轴尽可能和振动隔离 缺点：无法应用在采用T型总体布局的超精密机床上 2）电机通过柔性联轴器驱动机床主轴 优点：方便实现无级调速，提高超精密机床主轴的回转精度 缺点：主轴部件的轴向长度较长，使整个机床的尺寸加大
第一章精密和超精密加工技术及其发展展望 精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 什么叫精密加工？ 加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称为精密加工。 什么叫超精密加工？ 加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的加工方法称为超精密加工。 以下哪些是精密和超精密加工的分类？ A.去除加工； B.结合加工； C.变形加工； D.切削加工； E.磨粒加工； F.特种加工； G.复合加工； 影响精密与超精密加工的因素有哪些？ 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、工作环境等。 我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？ （1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。 第二章超精密切削与金刚石刀具 举例说明超精密切削的应用范围有哪些？ 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、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。 超精密切削速度是如何选择的？ 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。 金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。 第二章超精密切削与金刚石刀具 ?举例说明超精密切削的应用范围有哪些？ 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、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。 ?超精密切削速度是如何选择的？ 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。 ?金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。 ?刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响？ 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。 ?刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响？ 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
精密和超精密加工现状与发展趋势 核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度 Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm。电化学抛光可提高到Ra0.1~0. 08μm。
一、名词解释 1.金刚石晶体的解理现象：金刚石晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于（111） 平面平整地劈开的现象，称为解理现象。 2.精密磨削：是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度达到Ra0.2~0.025μm的磨削方法， 又称为小粗糙度磨削。 3.超精密磨削：是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度小于R a0.025μm的一种亚 微米级的加工方法，并正向纳米级发展。 4.在线检测：工件在加工过程中的同时进行检测，称之为在线检测。 5.空气洁净度：是指空气中含尘埃量多少的程度。 6.恒温精度：是指相对于平均温度所允许的偏差值。 7.恒温基数：是指空气的平均温度。 二、填空题 1.精密和超精密加工包含三个领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。 2.金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，再就是金刚石刀具的研磨质量— —切削刃钝圆半径r n。 3.隧道扫描显微镜是目前世界上精度最高的测量仪，可用于测量金属和半导体零件表面的 原子分布的外貌。 4.最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标——原子 级精密加工。 5.超精密切削实际选择的切削速度，经常是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。 6.超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性 能状态、切削时的环境条件等都直接有关。 7.金刚石刀具的磨损，主要属机械磨损，其磨损本质是微观解理的积累。 8.对金刚石刀具来说，切削刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，故切削刃的微观强 度是刀具设计选择晶面的主要依据。 9.金刚石晶体定向方法有：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。 10.精密磨削机理可归纳为：微刃的微切削作用；微刃的等高切削作用；微刃的滑挤、摩擦、 抛光作用。 11.超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。 12.从加工机理来看，砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光的综合作用。 13.砂带磨床上的关键部件是砂带头架；在砂带磨削头架中，最重要而关键的零件是接触轮。 14.花岗岩是超精密机床的床身和导轨的热门材料，这是因为花岗岩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、耐磨并不会生锈等。 15.微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。 16.微细切削时，为保证工件尺寸精度要求，其最后一次的表面切除层厚度必须小于尺寸精 度值。 17.洁净室实现空气净化的基本要求是发尘量要小、及时排除尘埃、供给洁净的空气。 三、判断题（以下判断题都是正确的） 1.用金刚石刀具进行超精密切削，用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属 和某些非金属材料。（如果说用于加工黑色、铜铁材料进行超精密切削是错误的） 2.超精密切削时，切削速度并不受刀具寿命的制约。（也就是说与速度无关） 3.在超精密切削的前提下，积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小。 4.加工表面粗糙度是直接和积屑瘤的高度有关。
精密加工和超精密加工 1．镜面铣技术及其应用 1. 镜面铣在超精密机床中属于最简单的一类。其关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳定性的滑台。在现有的镜面铣床中，主轴多采用气体静压支承，只有个别的主轴采用液体静压支承技术。滑台的支承多数为气体静压系统，但最近几年液体静压系统呈上长趋势，其主要原因是液体静压系统具有高阻尼、高刚度优点。 2．镜面铣床的布局 如图1所示，镜面铣床多采用立式布局。主轴装在垂直滑台上，工件装夹在水平滑台上，垂直滑台只在加工开始前作进给移动，铣削过程中停留在某一位置不动，水平滑台在切削时则作连续运动。这种布局的主要优点在于工件可以直接放在水平滑台上进行调整和装夹，而且装夹力不需很大，只要能克服切削力即可。立式布局尤其适合于加工较大的工件，它的缺点是排屑问题。由于工件处于水平位置，已加工表面上易堆积切屑，如果切屑被飞刀带动擦过已加工表面，常造成刻痕或损伤，而在加工时使用冷却液更为突出。 为了解决然属问题，有些镜面铣床采用了图2所示的卧式结构。主轴装在水平滑台上，工件垂直装在另一水平滑台上，这种布局除了便于排屑外，还解决了某些超薄工件的自重变形问题，因而适合于加工较薄的大型平面。它的缺点是装夹问题，当工件较大较重时，调整工件位置十分困难。究竟采用哪种布局合适？主要取决于被加工工件的特点，只有限定工件的形状与尺寸范围，才能决定出最佳的布局。 除上述两种基本布局外，还有一些在此基础上衍生出的特殊布局。这些布局主要针对某一种或几种固定产品，虽然通用性较差，但就其加工的主要产品而言，生产率提高。 图3是一台在立式镜面铣床上装了转台而改装成的特殊铣床。用它除了可以加工普通平面外，通过调整刀盘的直径和倾角，还可以加工各种椭圆柱面。