機(jī)械制造基礎(chǔ)第5章-精密加工和特種加工課件

1、第五章第5章精密加工和特種加工5.1精密和超精密加工5.2特種加工5.1精密和超精密加工5.1.1概述(1)一般加工指精度在10m左右，相當(dāng)于IT5IT7級(jí)精度，表面粗糙度值為Ra0.20.8m的加工方法，如車、銑、刨、鏜、磨等。(2)精密加工指加工精度為10.1m，表面粗糙度值為Ra0.10.01m的加工技術(shù)，如金剛車、高精密磨削、研磨、珩磨、冷壓加工、電火花加工、超聲波加工、激光加工等。(3)超精密加工指加工精度小于0.1m，表面粗糙度值小于Ra0.025m的加工技術(shù)。5.1.2精密與超精密加工的特點(diǎn)1.加工對(duì)象2.加工環(huán)境5.1精密和超精密加工(1)恒溫溫度增加1時(shí)，100mm長的鋼件就

2、會(huì)產(chǎn)生1m的伸長，精密加工和超精密加工的加工精度一般都在微米級(jí)、亞微米級(jí)或更高的精度，因此，加工區(qū)必須保證高度的恒溫穩(wěn)定性。(2)防振機(jī)床振動(dòng)對(duì)精密加工和超精密加工有很大的危害，為了提高加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，除了在機(jī)床設(shè)計(jì)和制造上采取各種措施外，還必須用隔振系統(tǒng)來保證機(jī)床不受或少受外界振動(dòng)的影響。(3)超凈在未經(jīng)凈化的一般環(huán)境下，塵埃數(shù)量極大。3.切削性能4.加工設(shè)備1)機(jī)床主軸應(yīng)具有極高的回轉(zhuǎn)精度及很高的剛性和熱穩(wěn)定性。5.1精密和超精密加工2)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)能提供超精確的勻速直線運(yùn)動(dòng)，保證在超低速條件下進(jìn)給均勻，不發(fā)生爬行。3)為了在超精密加工時(shí)實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，超精密機(jī)床必須配備位移精度極

3、高的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。4)超精密加工機(jī)床廣泛采用了微機(jī)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)，避免了手工操作引起的隨機(jī)誤差。圖5-1盒式超精密立式車床1低熱變形材料滑板2淋浴切削液3陶瓷滾珠絲杠4對(duì)稱熱源5切削液噴射裝置6、9切屑回收裝置7微位移工作臺(tái)8卡盤10油溫控制11隔振與調(diào)平裝置12空氣靜壓軸承 13散熱片14熱對(duì)稱殼體15恒溫循環(huán)裝置16熱對(duì)稱圓導(dǎo)軌17隔熱裝置18熱流控制19絲杠用電子冷卻軸20熱對(duì)稱三點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)5.1精密和超精密加工5.工件材料6.測量技術(shù)匹配5.1.3精密與超精密加工方法1.金剛石刀具精密切削(1)金剛石刀具精密切削機(jī)理金剛石刀具實(shí)現(xiàn)精密切削，加工余量只有幾微米，切屑非常薄，常在

4、0.1m以下。5.1精密和超精密加工圖5-2車刀刃口圓角半徑對(duì)的影響(2)影響金剛石刀具精密切削的因素5.1精密和超精密加工1)金剛石刀具材料的材質(zhì)、幾何角度設(shè)計(jì)、晶面選擇、刃磨質(zhì)量及對(duì)刀。2)金剛石刀具精密切削機(jī)床的精度、剛度、穩(wěn)定性、抗震性和數(shù)控功能。3)被加工材料的均勻性和微觀缺陷。4)工件的定位和夾緊。5)工作環(huán)境。2.超硬磨料砂輪精密和超精密磨削(1)超硬磨料砂輪磨削特點(diǎn)1)可用來加工各種高硬度、高脆性金屬和非金屬難加工材料。2)磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。5.1精密和超精密加工3)磨削力小，磨削溫度低，加工表面質(zhì)量好。4)磨削效率高。5)加工綜

5、合成本低。(2)超硬磨料砂輪的修整砂輪的修整過程可以分為整形和修銳兩個(gè)階段。1)車削法。2)磨削法。3)電加工法。圖5-3電解修銳法1工件2切削液3超硬磨料砂輪4電刷5支架6負(fù)電極7電解液5.1精密和超精密加工3.新型研磨、拋光方法(1)磁性研磨工件放在兩磁極之間，工件和極間放入含鐵的剛玉等磁性磨料，在直流磁場的作用下，磁性磨料沿磁力線方向整齊排列，如同刷子一般對(duì)被加工表面施加壓力，并保持加工間隙。(2)軟質(zhì)磨粒拋光軟質(zhì)磨粒拋光的特點(diǎn)是可以用較軟的磨粒，甚至比工件材料還要軟的磨粒(如SiO2、ZrO2)來拋光。圖5-4磁性研磨原理5.1精密和超精密加工圖5-5彈性發(fā)射加工原理圖5.1精密和超精

6、密加工4.微細(xì)加工技術(shù)(1)微細(xì)加工的概念及特點(diǎn)微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。(2)微細(xì)加工方法微細(xì)加工方法與精密加工方法一樣，也可分為切削加工、磨料加工、特種加工和復(fù)合加工，大多數(shù)方法是相同的。1)預(yù)處理。2)涂膠。5.1精密和超精密加工3)曝光。4)顯影與烘片。5)刻蝕。6)剝膜與檢查。5.1精密和超精密加工表5-1光刻加工過程預(yù)處理（脫脂）（拋光）（酸洗）（水洗）顯影烘片涂膠（甩涂）（浸漬）（噴涂）（印刷）刻蝕（化學(xué)）（離子束）（電解）曝光（電子束）（X射線）（遠(yuǎn)紫外線）（離子束）剝膜檢查5.2特種加工5.2.1特種加工的概念(1)力學(xué)加工應(yīng)用機(jī)械能來進(jìn)行加工，如超聲波

7、加工、噴射加工、水射流加工等。(2)電物理加工利用電能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能和光能等進(jìn)行加工，如電火花成形加工、電火花線切割加工、電子束加工、離子束加工等。(3)電化學(xué)加工利用電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行加工，如電解加工、電鍍、刷鍍、鍍膜和電鑄加工等。(4)激光加工利用激光光能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工。(5)化學(xué)加工利用化學(xué)能或光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行加工，如化學(xué)銑削和化學(xué)刻蝕(即光刻加工)等。5.2特種加工(6)復(fù)合加工將機(jī)械加工和特種加工疊加在一起就形成復(fù)合加工，如電解磨削、超聲電解磨削等，最多有四種加工方法疊加在一起的復(fù)合加工，如超聲電火花電解磨削。5.2.2特種加工的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1)特種加工時(shí)工件和工具之

8、間無明顯的切削力，只有微小的作用力，在機(jī)理上與傳統(tǒng)加工方法有很大不同。2)特種加工的內(nèi)容包括去除和結(jié)合等加工。3)特種加工中，工具的硬度和強(qiáng)度可以低于工件的硬度和強(qiáng)度，因?yàn)樗饕皇强繖C(jī)械力來切削，同時(shí)工具的損耗很小，甚至無損耗，如激光加工、電子束加工、離子束加工等。4)加工中的能量易于轉(zhuǎn)換與控制，工件一次裝夾中可實(shí)現(xiàn)粗、精加工，有利于保證加工精度，提高生產(chǎn)率。5.2特種加工5.2.3特種加工方法1.電火花加工(1)加工原理電火花加工是利用脈沖放電對(duì)導(dǎo)電材料的腐蝕作用去除材料，以滿足一定形狀和尺寸要求的一種加工方法，其原理如圖5-6所示。圖5-6電火花加工原理示意圖1床身2立柱3工作臺(tái)4工件電

9、極5工具電極6進(jìn)給結(jié)構(gòu)及間隙調(diào)節(jié)器7工作液8脈沖電源9工作液箱5.2特種加工圖5-7電火花加工時(shí)工件表面形成過程5.2特種加工(2)影響電火花加工的因素1)極性效應(yīng)。圖5-8電火花線切割機(jī)床及加工件1走絲溜板2卷絲筒3絲架下臂4絲架上臂5絲架6鉬絲7工件8絕緣墊板9工作臺(tái)10溜板11床身5.2特種加工2)工作液。3)電極材料。(3)電火花加工的類型1)電火花成形加工。2)電火花線切割加工。(4)電火花加工的特點(diǎn)電火花加工可以加工任何導(dǎo)電材料，不論其硬度、脆性、熔點(diǎn)如何，在一定條件下，還可以加工半導(dǎo)體材料及非導(dǎo)電材料。(5)電火花加工的應(yīng)用1)穿孔加工。2)型腔加工。3)線切割。5.2特種加工4

10、)回轉(zhuǎn)共軛加工。5)電火花回轉(zhuǎn)加工。6)金屬表面強(qiáng)化。7)打印標(biāo)記、仿形刻字等。2.電解加工(1)電解加工基本原理電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)原理對(duì)工件進(jìn)行成形加工的一種方法。圖5-9電解加工原理示意圖1直流電源2工件3工具電極4電解液5進(jìn)給機(jī)構(gòu)(2)電解加工的特點(diǎn)和應(yīng)用電解加工采用低電壓(624V)、大電流(50020000A)工作；能以簡單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出形狀復(fù)雜的型面或型腔(如鍛膜、葉片等)；生產(chǎn)效率較高，約為電火花加工的510倍以上，在某些情況下比切削加工的生產(chǎn)效率還高；加工中無機(jī)械切削力或切削熱；但加工精度不太高，平均精度為0.1mm左右；附屬設(shè)備較多，造價(jià)昂

11、貴，占地面積大；另外電解液腐蝕機(jī)床，且容易污染環(huán)境。3.激光加工4.超聲波加工5.電子束加工6.離子束加工7.水射流加工5.3表面處理技術(shù)3.激光加工(1)加工原理激光是一種亮度高、方向性好、單色性好的相干光。(2)激光加工的應(yīng)用(1)加工原理激光是一種亮度高、方向性好、單色性好的相干光。圖5-10固體激光器加工原理示意圖1全反射鏡2工作物質(zhì)3部分反射鏡4透鏡5工件6激光束7聚光器8光泵9玻璃管(2)激光加工的應(yīng)用1)激光打孔。2)激光切割。3)激光焊接。4)激光熱處理。4.超聲波加工(1)加工原理超聲波加工是利用超聲頻振動(dòng)(1630kHz)的工具沖擊磨料直接對(duì)工件進(jìn)行加工的一種方法，如圖5-

12、11所示為超聲波加工示意圖。(2)超聲波加工的特點(diǎn)和應(yīng)用超聲波加工適宜加工各種硬脆材料，尤其是電火花加工和電解加工無法加工的不導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等。(1)加工原理超聲波加工是利用超聲頻振動(dòng)(1630kHz)的工具沖擊磨料直接對(duì)工件進(jìn)行加工的一種方法，如圖5-11所示為超聲波加工示意圖。圖5-11超聲波加工示意圖1超聲波發(fā)生器2、3切削液4超聲換能器5變幅桿6工具7工件8磨料懸浮液(2)超聲波加工的特點(diǎn)和應(yīng)用超聲波加工適宜加工各種硬脆材料，尤其是電火花加工和電解加工無法加工的不導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等。圖5-12超聲波振動(dòng)車

13、削加工示意圖6.離子束加工圖5-13電子束加工原理示意圖1高速加壓2電子槍3電子束4電池透鏡5偏轉(zhuǎn)器6反射鏡7加工室8工件9工作臺(tái)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10窗口11觀察系統(tǒng)6.離子束加工圖5-14離子束加工示意圖1真空抽氣口2燈絲3惰性氣體注入口4電磁線圈5離子束流6工件7、8陰極9陽極10電離室7.水射流加工(1)水射流加工的基本原理與特點(diǎn)(2)水射流加工設(shè)備目前，國外已有系列化的數(shù)控水射流加工機(jī)。(3)水射流加工的應(yīng)用水射流加工的流束直徑為0.050.38mm，除可以加工大理石、玻璃外，還可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料。(1)水射流加工的基本原理與特點(diǎn)1)水射流加工的基本原理：如圖5-15所示，

14、水射流加工是利用水或加入添加劑的液體，經(jīng)水泵至貯液蓄能器使高壓液體流動(dòng)平穩(wěn)，再經(jīng)增壓器增壓，使其壓力達(dá)到70400MPa，最后由人造藍(lán)寶石噴嘴形成300900m/s的高速液體射流束，噴射到工件表面，從而達(dá)到去除材料的目的。圖5-15水射流加工的基本原理1帶有過濾器的水箱2水泵3貯液蓄能器4控制器5閥6藍(lán)寶石噴嘴7射流束8工件9排水口10壓射距離11液壓系統(tǒng)12增壓器(1)水射流加工的基本原理與特點(diǎn)2)水射流加工的特點(diǎn)：采用水射流加工時(shí)，工件材料不會(huì)受熱變形，切縫很窄(0.0750.40mm)，材料利用率高，加工精度一般可達(dá)0.0750.1mm。5.3表面處理技術(shù)5.3.1概述5.3.2表面涂層技術(shù)5.3.3表面改性技術(shù)5.3.4其他表面技術(shù)5.3.1