精密加工与超精密加工44页PPT

05.08.2020
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2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律
一、切削参数对积屑瘤生成的影响 1、切削速度的影响
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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。
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2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响
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2.1 超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度
图2-3：图a是刀刃磨损的正 常情况，图b是剧烈磨损情 况，可以看到磨损后成层状， 即刀具磨损为层状微小剥落。 图2-4：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。 图2-5：金刚石切削时，若 有微小振动，就会产生刀刃 微小崩刃。
Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
2005年8月
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整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响 4、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。

3.4.2 珩磨工艺特点 ① 珩磨加工是一种使工件加工外表到达高精
度、高外表质量、高寿命的一种高效加工方法。 可有效地提高尺寸精度、形状精度和减小Ra值， 但不能提高孔与其他外表的位置精度。
② 可加工铸铁件、淬硬和不淬硬钢件及青铜 件等，但不宜加工韧性大的有色金属件。
③ 珩磨主要用于孔加工。在孔珩磨加工中， 是以原加工孔中心来进行导向。加工孔径 范围为φ5～ φ500，深径比可达10。
3.1.3 工艺特点
1．精密加工和超精密加工都是以精密元件为 加工对象，与精密元件密切结合而开展起 来的。
2．精密加工和超精密加工不仅要保证很高的 精度和外表质量，同时要求有很高的稳定 性或保持性，不受外界条件变化的干扰， 因此，要注意以下几个方面：
〔1〕工件材料本身的均匀性和性能的一致性，不允 许存在内部或外部的微观缺陷，甚至对材料组织 的纤维化有一定要求，如精密磁盘的铝合金盘基 就不允许有组织纤维化，精密金属球也是一样。
精密切削加工
3.2.1 精密切削加工
精密、超精密切削加工主要是利用立方氮 化硼〔CBN〕、人造〔聚晶〕金刚石和单晶 金刚石刀具进行的切削加工。
3.2.2 精密、超精密切削加工应用实例
尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工， 如：
(1)导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性 仪是超精密加工产品，1Kg重的陀螺转子， 其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起 100m的射程误差和50m的轨道误差；
3.3.3 精密磨削加工实例
1〕圆柱形镜面磨削加工方法：磨削速度选 V=25~35m/s，粗磨时fr=0.02~0.07mm，精 磨时fr=3~10µm；当用油石研、抛时， V=10~50m/min，材料的去除速度为 0.1µm~1µm/min。超精磨削可到达0.01µm的 圆度和Ra 0.002µm的外表粗糙度。

微进给装置
计算机数控
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砂带磨削 珩磨
超精研 研磨
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先进制造技术
单五击、此砂处带编磨削辑：母版标题样式
工艺整合化 在线加工检测一体化
绿色化
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先进制造技术
2.3 精密、超精密磨削加工
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一、概念
精密砂轮磨削：利用精细修正的粒度为60#～80#的普 通砂轮进行磨削，其加工精度可达1µm，表面粗糙度可达 Ra0.025µm。
超精密砂轮磨削：利用经过仔细修正的粒度为W40～ W5的砂轮进行磨削，可以获得加工精度为0.1µm，表面粗 糙度为Ra0.025～Ra0.008µm的加工表面。
不适宜加工铁族金属材料。
立方氮化硼（CBN）
硬度莫氏硬度9.8-10
导热系数、热膨胀系数和研磨 能力也很突出；
稳定性和化学惰性大大优于金 刚石
适合加工普通磨料难以加工且 金刚石又不宜加工的硬而韧的 金属材料如工具钢、模具钢、 不锈钢、耐热合金等特别是高 钒高速钢、铝高速钢等对磨削 温度较为敏感的金属材料。
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
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先进制造技术
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先进制造技术
单击超此精精处磨编削机辑理母： 版标题样式
1、超精磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削 深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此 磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力， 从而磨粒上所承受的切应力就极速地增大，可能接近被 磨削材料的剪切强度极限。同时，磨粒切削刃处收到高 温和高压的作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高 温硬度。

2.2精密与超精密加工的主要方法
1、 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）
金刚石砂轮
（铁纤维结合剂）
电源
电刷
冷却液
＋－
进给
冷却液
图2-8 ELID磨削原理
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。
Ra ＜0.02μm
雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm Ra ＜0.02μm
卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜0.01μm
Ra ＜0.002μm
天体望远镜 形状误差 ＜ 0.03μm
Ra ＜0.01μm
精密加工与超精密加工的发展（图2-1）
2.1 概 述
加工误差（μm）
102 101 100 10-1 10-2 10-3
1140 1020 640 720
2.2精密与超精密加工的主要方法
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
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，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和
六根2次对称轴（图2-4）。
L4 （100）
L2
L3
（111）
（110）
与高新技术产品紧密结合 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）。 与自动化技术联系紧密 广泛采用计算机控制、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。

茶色金刚石：韧性差，硬度最高，一般用于难切削材料的镜面加 工中。 2）热传导率
金刚石的热传导率是矿物中最大的，切削加工中发热量非常小。
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精密与超精密加工技术
天然金刚石的加工多采用研磨加工方法，通常采用空气轴承 研磨机，由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径。
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ห้องสมุดไป่ตู้
精密与超精密加工技术
1）刀尖的磨损 在切削距离到达100km以前，后刀面磨损急剧上升，以后磨损逐渐减
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精密与超精密加工技术
（1）超精密磨削表面的形成机制
超精密磨削获得的极低的表面粗糙度，主要靠砂轮精细修整得到的大量的、 等高性很好的微刃来实现微量切削作用。
(1) 对产品高质量的追求 (2) 对产品小型化的追求 (3) 对产品高可靠性的追求 (4) 对产品高性能的追求
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精密与超精密加工技术
国际知名超精密加工研究单位与企业主要有： 美国LLNL实验室和Moore公司 英国Granfield大学和Tayler公司 德国Zeiss（蔡司）公司和Kugler公司 日本东芝机械、丰田工机和不二越公司等
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精密与超精密加工技术
世界发达国家均予以高度重视。最近启动的研究 计划包括 ：
美国的NNI(National nanotechnologyinitiative)纳米计划 英国的多学科纳米研究合作计划IRC(Interdisciplinary research collaboration in nanote-chnology)， 日本的纳米技术支撑计划
精密与超精密加工技术
1
内容
1、超精密加工技术概述 2、超精密加工技术的发展历程 3、超精密加工的范畴 4、超精密加工的主要研究领域 5、超精密加工的主要方法 6、超精密加工的发展趋势

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精密超精密加工材料
金属材料
01
02
03
钢铁
常用的金属材料，具有高 强度、耐磨性和耐腐蚀性 ，适用于各种精密超精密 加工应用。
铜合金
具有良好的导热性和导电 性，广泛用于电子和通信 行业。
钛合金
具有高强度、轻质和耐腐 蚀性，常用于航空和医疗 领域。
非金属材料
陶瓷
具有高硬度、耐高温和化学稳定性，适用于高精度和 高硬度的加工需求。
详细描述
防止加工过程中的损伤需要从多个方面入手，包括优化刀具设计、选择合适的切削参数 、加强刀具管理和维护等。此外，采用新型的涂层技术和刀具材料也是防止损伤的有效
手段。
06
பைடு நூலகம்
精密超精密加工的应用案例
航空航天领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在航空航天领域的应用广泛，涉 及发动机叶片、涡轮盘、航空仪表等关键部件的制造 。
这些技术包括离子束加工、电子束加工、激光束加工等。这些技术通常具有更高的加工精度和更广泛 的适用范围，可以应用于各种不同的材料和领域。
03
精密超精密加工设备与工具
超精密切削加工设备
01
超精密切削加工设备主要用于高 精度零件的切削加工，其特点是 切削精度高、加工表面质量好、 加工效率高。
02
常见的超精密切削加工设备包括 数控机床、激光切割机、水切割 机等。
汽车工业领域的应用案例
总结词
精密超精密加工技术在汽车工业领域的应用主要涉及 汽车发动机、变速器、制动系统等关键零部件的制造 。
详细描述
在汽车工业领域，精密超精密加工技术主要用于制造汽 车发动机、变速器、制动系统等关键零部件。这些零部 件的性能对汽车的性能和安全性有重要影响。精密超精 密加工技术能够提高零部件的精度和耐磨性，降低摩擦 和阻力，提高燃油经济性和排放性能。同时，还能缩短 产品研发周期，提高生产效率，降低制造成本。

◎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”。
劈开面
（111）面网C原子分布和解理 劈开面
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➢ 金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）
➢金刚石刀具角度（如图）
6.4
单晶金刚石
450
120 R=1.6～4.8
R 350
AA
6.4
R=0.5～1.2 50 B
R 110～1200 B
6.4
6.4
A-A 60
10 B-B
60
60
金刚石刀具角度
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金刚石车床
加工4.5mm陶瓷球
金刚石车床及其加工照片
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第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削
◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点：
➢ 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：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命 中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工 误 差 从 60μm 降 至 12μm ， 发 电 机 压 缩 效 率 从 89% 提 高 到 94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1920 1940
1960 1980
离子束加工 扫描电镜
分子对位加工 电子线分析
2000
年份
仪
精密加工与超精密加工的发展
3
精密与超精密加工地位
➢ 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0.01μm；超大规模集成电路 最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm

➢自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 ➢自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较 低能阶 ➢受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能 阶，并释放光子。
激光器
➢ 固体激光器
➢YAG (钇、铝和石榴石构成) 激光器,红宝石激光器 ➢特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大
墨最常用。
➢工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高 放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有 煤油、机油、去离子水、乳化液等。 ➢放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必 要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程 中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并 带动工具电极缓慢向工件进给。
电火花加工工作要素
➢高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲 击点处形成瞬时高温(几分之一微秒时间内升 高至几千摄氏度)，工件表面局部熔化、气化 直至被蒸发去除。
电
子
电子束
束
加工的
喷丝头
加
异形孔
工
电子束加工曲面、穿孔
电子束加工特点及应用
➢ 电子束束径小(最小直径可达 0.01-0.05mm )，而其 长度可达束径几十倍，可加工微细深孔、窄缝。
➢可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 ➢工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 ➢被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺
寸精度可达0.01~0.05mm 。
➢加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变
形零件。
➢ 生产效率较低。采用超声复合加工(如超声车削，超声 磨削，超声电解加工，超声线切割等)可提高加工效率。
➢优点：无焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料 之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。

Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
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教材：《精密和超精密加工技术》(第2版) 袁哲俊、王先逵主编 机械工业出版社
➢ 学时：28 ➢ 周二下午5-6节(H514) ➢ 周四上午1-2节(H514)
参考材料： 1、张建华主编《精密与特种加工技术》 2、王先逵编《精密加工技术实用手册》，
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1.1 发展精密和超精密加工技术的重要性
精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键
作为制造技术的主战场，作为真实产品的实 际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术， 例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要 在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力， 应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了 计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的 汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、 日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。
热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工
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精密和超精密加工方法分类（2）
分类 切削加工 磨料加工
特种加工
复合加工
加工方法
等离子体切削 微细切削 微细钻削
微细磨削 研磨 抛光 弹性发射加工 喷射加工
电火花成形加工 电火花切割加工 电解加工 超声波加工 微波加工 电子束加工 粒子束去除加工 激光去除加工 光刻加工
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。
➢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；
➢超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙

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美国Pneumo公司的MSG-325超精密车床
采用T形布局，主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜 板作x向运动。机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动 均≤0.05μm。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0.01μm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。使用精密的圆弧刃金刚石刀具加工非球曲面的反 射镜，可达到很高的形状精度和很小的表面粗糙度。
也是世界公认技术水平最高、精度最高的大 型金刚石超精密车床之一。
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OAGM 2500大型超精密机床
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1991年由英国CUPE公司和SERC 公司联合研制。用于精密磨削和坐 标测量X射线天体望远镜的大型曲 面反射镜，最大加工尺寸 2500mm×2500mm×610mm ， φ2500mm高精度回转工作台。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
我国金刚石超精密机床
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