第七章 第二節(jié)-精密超精密加工技術(shù)

1、西安交通大學(xué)第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 微機械及其微細(xì)加工技術(shù)微機械及其微細(xì)加工技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)一、一、 精密和超精密加工的基本概念精密和超精密加工的基本概念1 1加工精度和加工方法加工精度和加工方法 精密加工：精密加工：獲得微米至亞微米的加工；獲得微米至亞微米的加工； 超精密加

2、工：超精密加工：獲得亞微米以上精度的加工。獲得亞微米以上精度的加工。 項目項目 精密加工精密加工 超精密加工超精密加工尺寸精度尺寸精度圓度圓度圓柱度圓柱度平面度平面度表面粗糙度表面粗糙度2.50.750.70.21.250.381.250.380.20.050.30.250.380.060.250.130.250.130.030.01西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 精密切削加工技術(shù)中的車削和磨削精密切削加工技術(shù)中的車削和磨削:v超精密切削加工是一種微量切削加工方法，一般采取超精密切削加工是一種微量切削加工方法，一

3、般采取刀具切削刀具切削或或磨具切削磨具切削這兩種工藝。這兩種工藝。v采用采用刀具刀具切削的超精密加工方法有切削的超精密加工方法有超精密車削超精密車削、超精超精密銑削密銑削、超精密拉削超精密拉削以及以及超精密鉸削超精密鉸削等方法。等方法。v采用采用磨具磨具切削的超精密加工方法主要有切削的超精密加工方法主要有超精密磨削超精密磨削、珩磨珩磨、研磨研磨以及用以及用游離磨粒磨削游離磨粒磨削的加工方法。的加工方法。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 2 2超精密加工條件超精密加工條件影響超精密加工精度和表面質(zhì)量的主要影響因素影

4、響超精密加工精度和表面質(zhì)量的主要影響因素 :超 精 密 加 工 精 度及 表 面 質(zhì) 量加 工 環(huán) 境檢 測 及 計 量 技 術(shù)其 它操 作 者 水 平誤 差 分 析 及 補 償機 床 設(shè) 備刀 具 或 磨 具微 切 削 加 工 機 理主 軸 、 導(dǎo) 軌 、 進(jìn) 給 機 構(gòu) 的 靜 動 特 性熱 變 形微 切 削 機 理切 削 材 料 性 能刀 具 磨 具 切 削性 能刀 具 磨 具 材 料振 源熱 源環(huán) 境 污 染專 業(yè) 技 術(shù) 知 識技 巧 、 熟 練 程度西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)二、超精密車削二、超精

5、密車削1車床的精度車床的精度用于超精密車削的車床，必須具備以下條件：用于超精密車削的車床，必須具備以下條件：主軸能以高精度高速度旋轉(zhuǎn)，且具有足夠的剛度；主軸能以高精度高速度旋轉(zhuǎn)，且具有足夠的剛度；直線導(dǎo)軌的直線進(jìn)給精度高，不產(chǎn)生爬行及微小的振直線導(dǎo)軌的直線進(jìn)給精度高，不產(chǎn)生爬行及微小的振動；動；進(jìn)給機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的微量進(jìn)給，且進(jìn)給平穩(wěn)、均進(jìn)給機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的微量進(jìn)給，且進(jìn)給平穩(wěn)、均勻、無振動；勻、無振動；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件精度高，具有足夠的剛度。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件精度高，具有足夠的剛度。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 為

6、滿足上述基本條件，為滿足上述基本條件，超精密車床設(shè)計和制造超精密車床設(shè)計和制造所所采用的技術(shù)和工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)車床設(shè)計制采用的技術(shù)和工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)車床設(shè)計制造的范疇。在車床的結(jié)構(gòu)上，主要采取以下主要造的范疇。在車床的結(jié)構(gòu)上，主要采取以下主要措施：措施：1 1）主軸）主軸 提高提高主軸旋轉(zhuǎn)精度主軸旋轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵零件是支撐它的軸承。的關(guān)鍵零件是支撐它的軸承。 超精密加工用的主軸軸承，主要有超精密加工用的主軸軸承，主要有滾動軸承滾動軸承、液體靜液體靜壓、動壓軸承、空氣靜壓、動壓軸承壓、動壓軸承、空氣靜壓、動壓軸承以及以及磁懸浮軸承磁懸浮軸承等。等。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究

7、所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2）直線導(dǎo)軌）直線導(dǎo)軌 直線導(dǎo)軌可分為：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)直線導(dǎo)軌可分為：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌以及磁懸浮導(dǎo)軌；軌、空氣靜壓導(dǎo)軌以及磁懸浮導(dǎo)軌； 對精密加工用的導(dǎo)軌對精密加工用的導(dǎo)軌，經(jīng)常采用高分子材料制造的滑，經(jīng)常采用高分子材料制造的滑動導(dǎo)軌（摩擦系數(shù)低）、高精度滾動導(dǎo)軌以及液體靜動導(dǎo)軌（摩擦系數(shù)低）、高精度滾動導(dǎo)軌以及液體靜壓導(dǎo)軌；壓導(dǎo)軌； 對超精密加工用的導(dǎo)軌對超精密加工用的導(dǎo)軌，則采用專門設(shè)計制造的液體，則采用專門設(shè)計制造的液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌比較合適。靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓

8、導(dǎo)軌比較合適。 3 3）進(jìn)給機構(gòu)）進(jìn)給機構(gòu) 進(jìn)給機構(gòu)主要有：進(jìn)給機構(gòu)主要有：滑動絲杠進(jìn)給機構(gòu)滑動絲杠進(jìn)給機構(gòu)、滾動絲杠滾動絲杠、液液體靜壓絲杠體靜壓絲杠、空氣靜壓絲杠空氣靜壓絲杠、靜壓油缸進(jìn)給機構(gòu)靜壓油缸進(jìn)給機構(gòu)、直直流線性電機進(jìn)給機構(gòu)流線性電機進(jìn)給機構(gòu)以及以及微量進(jìn)給機構(gòu)。微量進(jìn)給機構(gòu)。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)4 4）機床熱變形控制）機床熱變形控制 首先，要減少發(fā)熱源。首先，要減少發(fā)熱源。 其次，采用熱對稱結(jié)構(gòu)，選用低熱變形復(fù)合材料，以其次，采用熱對稱結(jié)構(gòu)，選用低熱變形復(fù)合材料，以從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑

9、制。從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑制。 第三是以恒溫的方式控制熱變形。第三是以恒溫的方式控制熱變形。 第四是對熱變形誤差進(jìn)行補償控制等等第四是對熱變形誤差進(jìn)行補償控制等等 。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密車削的刀具超精密車削的刀具 為了實現(xiàn)超微量切除，金剛石刀具是目前超精密車削為了實現(xiàn)超微量切除，金剛石刀具是目前超精密車削加工的主要刀具；加工的主要刀具； 金剛石車削中的一項關(guān)鍵技術(shù)是刀具的刃磨質(zhì)量，包金剛石車削中的一項關(guān)鍵技術(shù)是刀具的刃磨質(zhì)量，包括晶面的選擇及刀刃鈍圓半徑的大??；括晶面的選擇及刀刃鈍圓半徑的大

10、??； 天然金剛石的硬度、耐磨性具有各向異性的特點。實天然金剛石的硬度、耐磨性具有各向異性的特點。實踐中一般是先選定金剛石的晶向，該晶向不能與解理踐中一般是先選定金剛石的晶向，該晶向不能與解理晶面平行，否則會造成加工中金剛石層的整片剝落。晶面平行，否則會造成加工中金剛石層的整片剝落。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密車削的刀具超精密車削的刀具 然后，采用研磨的方法，將金剛石固定在夾具上，放然后，采用研磨的方法，將金剛石固定在夾具上，放在鑄鐵研磨盤上研磨，使得已選擇的晶向與主切削刃在鑄鐵研磨盤上研磨，使得已選

11、擇的晶向與主切削刃平行。研磨劑一般選用金剛砂和潤滑油。影響刃磨質(zhì)平行。研磨劑一般選用金剛砂和潤滑油。影響刃磨質(zhì)量的主要因素是刀刃的鈍圓半徑。切削加工的最小切量的主要因素是刀刃的鈍圓半徑。切削加工的最小切除量與刀具切削刃最小鈍圓半徑有關(guān)，而刀刃鈍圓半除量與刀具切削刃最小鈍圓半徑有關(guān)，而刀刃鈍圓半徑的大小取決于刀具材料晶體的微觀結(jié)構(gòu)。徑的大小取決于刀具材料晶體的微觀結(jié)構(gòu)。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)3 3金剛石刀具超精密加工的應(yīng)用金剛石刀具超精密加工的應(yīng)用 主要用于有色金屬的主要用于有色金屬的精密車削精密車削和和精

12、密鏜削精密鏜削； 近年來它主要用來加工近年來它主要用來加工鋁合金鋁合金和和銅合金銅合金等等軟材料軟材料； 采用天然金剛石刀具加工高密度硬磁盤的鋁合金片基，采用天然金剛石刀具加工高密度硬磁盤的鋁合金片基，使表面粗糙度值可達(dá)使表面粗糙度值可達(dá)RaO.003RaO.003m m，平面度，平面度0.20.2m m，實現(xiàn)了，實現(xiàn)了對軟材料的對軟材料的鏡面加工鏡面加工； 采用數(shù)控金剛石超精密車削可加工采用數(shù)控金剛石超精密車削可加工非球面反射鏡非球面反射鏡和和凹面凹面鏡鏡； 另外，還可以車削多達(dá)另外，還可以車削多達(dá)9090面的面的光學(xué)多面體光學(xué)多面體，其最大外徑，其最大外徑為為200mm200mm，最大寬度

13、為，最大寬度為70mm70mm，加工的表面粗糙度為，加工的表面粗糙度為O.01O.01m m，平面度可達(dá)平面度可達(dá)0.030.03m m。zR西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)三、超精密磨削三、超精密磨削超精密磨削主要分為超精密磨削主要分為固結(jié)磨料固結(jié)磨料加工和加工和游離磨料游離磨料加工兩大類加工兩大類 1 1磨床的精度磨床的精度提高磨床精度的主要措施有：提高磨床精度的主要措施有： 幾何精度的提高；幾何精度的提高； 進(jìn)給機構(gòu)低速運動性能的改善；進(jìn)給機構(gòu)低速運動性能的改善； 減少振動；減少振動； 減小熱變形等等。減小熱

14、變形等等。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密磨削用的磨料磨具超精密磨削用的磨料磨具 用固結(jié)磨料的磨具進(jìn)行超精密磨削可以加工出表面粗用固結(jié)磨料的磨具進(jìn)行超精密磨削可以加工出表面粗糙度為糙度為R Ra a0.10.1m m的鏡面，通常也稱為的鏡面，通常也稱為鏡面磨削鏡面磨削。其使用。其使用的固結(jié)磨料磨具常見的有兩種，即的固結(jié)磨料磨具常見的有兩種，即細(xì)粒度的油石細(xì)粒度的油石和和細(xì)細(xì)粒度粒度的砂帶。的砂帶。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工

15、技術(shù)1）超精密油石磨削拋光機理 如圖如圖a a所示，油石以一定的壓力所示，油石以一定的壓力F F與工件接觸，在沿軸與工件接觸，在沿軸向往復(fù)運動的同時，在徑向還以一定的頻率振動向往復(fù)運動的同時，在徑向還以一定的頻率振動 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)1）超精密油石磨削拋光機理 對于圖對于圖b b所示的短工件，如滾動軸所示的短工件，如滾動軸承內(nèi)、外圈，只有油石的振動和工承內(nèi)、外圈，只有油石的振動和工件的轉(zhuǎn)動；件的轉(zhuǎn)動； 超精加工是由油石的微細(xì)磨粒和工超精加工是由油石的微細(xì)磨粒和工件表面凸峰之間連續(xù)劃擦、摩擦、件表面凸

16、峰之間連續(xù)劃擦、摩擦、切削這一過程來完成的。切削這一過程來完成的。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 開始時，油石與工件表面只有少數(shù)點相接觸，接觸面上比開始時，油石與工件表面只有少數(shù)點相接觸，接觸面上比壓大，兩者之間不能形成完整的潤滑油膜，油石往復(fù)振動壓大，兩者之間不能形成完整的潤滑油膜，油石往復(fù)振動切削工件切削工件( (圖圖a)a)。 隨著工件表面粗糙度逐漸降低，大量細(xì)微的切屑嵌入油石隨著工件表面粗糙度逐漸降低，大量細(xì)微的切屑嵌入油石表面磨粒的間隙之中，油石表面漸趨平整、光滑，接觸面表面磨粒的間隙之中，油石表面漸

17、趨平整、光滑，接觸面上比壓下降，形成潤滑油膜，此時油石的振動僅起到拋光上比壓下降，形成潤滑油膜，此時油石的振動僅起到拋光作用作用( (圖圖b)b)。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 隨著油石相對工件進(jìn)給，光滑的油石表面重新與粗糙的工隨著油石相對工件進(jìn)給，光滑的油石表面重新與粗糙的工件表面接觸，使油石的光滑表面受到破壞，因油石磨粒的件表面接觸，使油石的光滑表面受到破壞，因油石磨粒的自銳性，又開始切削工件的粗糙面，從而形成油石磨粒的自銳性，又開始切削工件的粗糙面，從而形成油石磨粒的切削鈍化堵塞脫落自銳切削切削鈍化堵塞脫落自銳切削這一過程，直