第四章 精密機(jī)械制造技術(shù)

第4章精密機(jī)械制造技術(shù)儀器制造技術(shù)4.1概述4.1.1精密加工和超精密加工的概念（一）精密和超精密加工的范圍當(dāng)前的劃分：1.一般加工：加工精度為10μm以下（尺寸精度），相當(dāng)于IT5~IT7級(jí)精度，表面粗糙度Ra0.2~0.8μm的加工技術(shù)或加工方法。2.精密加工：加工精度為10μm~0.1μm，相當(dāng)于IT5級(jí)和IT5級(jí)以上精度，表面粗糙度在Ra0.1～0.02μm之間的加工方法，稱為精密加工。3.超精密加工：加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工方法，稱為超精密加工。儀器制造技術(shù)（二）精密和超精密加工的特點(diǎn)1.“進(jìn)化”加工原則（或稱創(chuàng)造性加工原則）2.微量切除3.與自動(dòng)化聯(lián)系十分緊密如采用計(jì)算機(jī)控制，在線檢測(cè)和在位檢測(cè)、誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。4.采用特種加工和復(fù)合加工方法精密和超精密加工方法中，不僅有傳統(tǒng)加工方法(如超精密車削、磨削等)，而且有特種加工和復(fù)合加工。在復(fù)合加工中有傳統(tǒng)加工方法之間的復(fù)合加工、傳統(tǒng)加工方法與特種加工方法的復(fù)合加工（如機(jī)械化學(xué)拋光），以及特種加工方法之間的復(fù)合加工。儀器制造技術(shù)（三）精密與超精密加工也適合于微小尺寸加工公差與配合標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)尺寸的分段是：大尺寸：＞500mm一般尺寸：3～500mm微小尺寸：＜3mm微小尺寸和一般尺寸除加工機(jī)理不同外，精度的表示方法也不一樣。1.大尺寸和一般尺寸以相對(duì)于加工尺寸的誤差來判斷其加工精度，稱作相對(duì)精度。在公差與配合標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)公差T為等級(jí)系數(shù)a與公差單位i的乘積表示：標(biāo)準(zhǔn)公差T=等級(jí)系數(shù)a×公差單位i儀器制造技術(shù)2．微小尺寸加工以絕對(duì)加工誤差來判斷加工精度，稱作絕對(duì)精度。

微小尺寸加工的絕大部分都落在了精密與超精密加工范圍內(nèi)，對(duì)微小尺寸加工分為：儀器制造技術(shù)4.1.2精密加工對(duì)設(shè)備及環(huán)境的要求1．對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求1）主軸部件應(yīng)具有高的回轉(zhuǎn)精度與剛度無論是精密切削加工，還是精密磨削加工，其機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度及剛度的影響是非常重要的。對(duì)高精度切削機(jī)床來說，其主軸的回轉(zhuǎn)精度一般不低于0.3μm。影響主軸回轉(zhuǎn)精度與剛度的主要因素是：軸承的結(jié)構(gòu)形式與精度、軸承間隙及裝配質(zhì)量等，這些因素直接影響到被加工零件的橫截面形狀和加工表面粗糙度。

儀器制造技術(shù)2）提高機(jī)床移動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)精度影響導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)精度的主要因素有：導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、幾何精度和接觸精度、油膜厚度和油膜剛度等。

為提高機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)精度，必須提高導(dǎo)軌的制造精度和采用液體靜壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌等。

3）刀具或工作臺(tái)具有良好的低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性精密加工刀具進(jìn)給量一般為10～20mm/min左右。低速運(yùn)動(dòng)易產(chǎn)生“爬行”。要消除“爬行”，提高刀具低速運(yùn)動(dòng)的等速性。為實(shí)現(xiàn)精密加工，應(yīng)使刀具實(shí)現(xiàn)微位移和微進(jìn)給。

2.對(duì)環(huán)境的要求消除振動(dòng)干擾及保持恒定環(huán)境溫度，恒濕及凈化要求。儀器制造技術(shù)4.2工藝路線的擬定4.2.1加工方法的選擇1）加工方法的經(jīng)濟(jì)精度和表面粗糙度應(yīng)與被加工表面所要求的精度和表面粗糙度相適應(yīng)加工經(jīng)濟(jì)精度:在正常的加工條件下所能達(dá)到的加工精度。正常的加工條件：采用符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備、工藝裝備和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)等級(jí)的工人及合理的加工時(shí)間等。了解各種加工方法所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度和表面粗糙度是擬定零件加工工藝路線的基礎(chǔ)。圖12）加工方法要能保證加工表面的幾何形狀精度和表面相互位置精度3）考慮工件材料的可加工性

4）選定的加工方法要適應(yīng)生產(chǎn)類型5）選定的加工方法要適應(yīng)本廠的生產(chǎn)條件儀器制造技術(shù)4.2.2零件各表面加工順序的安排1．加工階段的劃分（1）粗加工階段主要任務(wù)是切除工件表面的大部分余量，并做出精基準(zhǔn)。這階段的精度要求不高，主要是提高生產(chǎn)率。（2）半精加工階段

減小粗加工中留下的誤差，并使加工表面達(dá)到一定精度，為后續(xù)精加工做準(zhǔn)備。（3）精加工階段使工件的尺寸、形狀和位置精度以及表面粗糙度達(dá)到或基本達(dá)到圖紙規(guī)定的要求。（4）精密、超精密或光整加工階段當(dāng)零件的加工精度和表面質(zhì)量要求很高時(shí)，在工藝過程最后要進(jìn)行精密加工。如安排珩磨或研磨等，以達(dá)到工件的最終精度要求。儀器制造技術(shù)劃分加工階段的目的：（1）滿足循序漸進(jìn)的原則工件的加工是由粗到精逐步達(dá)到要求的，工件粗加工時(shí)需要去除的余量較大。因而切削力、切削熱較大，工藝系統(tǒng)的受力變形、熱變形及工件內(nèi)應(yīng)力都較大。因而要?jiǎng)澐秩舾晒ば?，逐步消除。?）合理安排機(jī)床由于粗加工主要是為了去除工件表面的大部分余量，因而，粗加工可以選用功率大、精度低而加工效率高的機(jī)床進(jìn)行加工，而精加工階段可以選用與加工精度相適應(yīng)的精密機(jī)床進(jìn)行加工。應(yīng)嚴(yán)禁使用精密機(jī)床做粗加工，以保持精密機(jī)床的精度水平。

儀器制造技術(shù)（3）便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題

毛坯的各種缺陷，如氣孔、砂眼和加工余量不足等，一般在粗加工即可發(fā)現(xiàn)，可及時(shí)修補(bǔ)或報(bào)廢。以免后續(xù)工序再加工造成浪費(fèi)。（4）便于組織生產(chǎn)

由于各加工階段對(duì)生產(chǎn)條件的要求不同，這樣劃分加工階段后便于安排生產(chǎn)。如粗加工可在一般車間進(jìn)行，超精加工可在恒溫、凈化等環(huán)境中進(jìn)行。熱處理工序可放在粗、精加工之間，這樣由熱處理工序引起的變形可在精加工中消除。儀器制造技術(shù)2．工序的集中與分散工序集中與工序分散若工件的加工只集中在少數(shù)幾道工序里，每道工序所完成的加工內(nèi)容多，工藝路線短，工序數(shù)少。反之，若工件的加工分散在很多工序里完成，工藝路線長(zhǎng)，工序數(shù)多。工序集中減少工件的裝夾次數(shù)，提高生產(chǎn)率。易于保證表面之間的相互位置精度（在一次裝夾中加工的幾個(gè)表面）。工序分散機(jī)床設(shè)備和工夾具相對(duì)比較簡(jiǎn)單，機(jī)床調(diào)整容易，易于平衡各工序時(shí)間，組織流水生產(chǎn)。工序分散設(shè)備數(shù)量多，操作工人多，生產(chǎn)面積大。儀器制造技術(shù)3．加工順序的安排

（1）機(jī)械加工工序的安排1）先加工基準(zhǔn)表面，再加工其它表面工藝路線開始安排的加工面應(yīng)該是選做定位基準(zhǔn)的精基準(zhǔn)面，先加工基準(zhǔn)表面，然后以基準(zhǔn)表面定位，再去加工其它表面。

2）先加工主要表面，后加工次要表面主要表面：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面、裝配基準(zhǔn)面、主要的工作面。次要表面：鍵槽、螺孔等其它次要表面。3）先安排粗加工工序，后安排精加工工序。

儀器制造技術(shù)（2）熱處理工序的安排

1）預(yù)備熱處理目的是為了改善工件材料的切削性能，方法有退火、正火。一般安排在機(jī)械加工之前。2）去應(yīng)力處理主要是消除毛坯制造時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及工件加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，方法有時(shí)效、退火?？砂才旁诖旨庸ぶ盎虼旨庸ぶ?，精加工之前進(jìn)行。另外，對(duì)精度要求很高的零件，如精密絲杠、主軸等，還可安排多次人工時(shí)效處理，使工件的精度穩(wěn)定。3）最終熱處理目的是提高材料的強(qiáng)度和硬度。常用的方法有淬火---回火，以及各種表面化學(xué)熱處理。如滲碳、氮化等。最終熱處理一般應(yīng)安排在半精加工之后，磨削加工之前。儀器制造技術(shù)（3）輔助工序的安排

輔助工序的種類很多，如檢驗(yàn)、去毛刺、清洗等等。檢驗(yàn)工序可安排在粗加工之后，重要工序之后或工件從一個(gè)車間轉(zhuǎn)到另一個(gè)車間時(shí)，以便控制質(zhì)量，避免浪費(fèi)工時(shí)。去毛刺工序應(yīng)在零件淬火之前進(jìn)行。儀器制造技術(shù)4.2.3典型表面加工路線的選擇1.外圓表面的加工路線圖22.孔表面的加工路線圖3孔的加工可在車床、鏜床、鉆床、磨床和拉床上等進(jìn)行；對(duì)精度要求高，表面粗糙度值很小的孔需要鉸孔、磨孔和研孔。圖4-3示出了孔的4條典型加工路線框圖。3.平面的加工路線圖44.型面的加工凡形狀不同于平面和圓柱面的表面均稱為型面。儀器中常見的型面零件有凸輪、球面和葉片等。儀器制造技術(shù)型面可分為三類：

旋轉(zhuǎn)體型面、直母線型面和立體型面圖5

型面零件可采用車削、銑削、磨削及特種加工方法加工。（1）車削、銑削型面1）趕型法按劃線用手動(dòng)進(jìn)給的方法加工，這種方法也叫雙手控制法。加工時(shí)兩手同時(shí)做縱向和橫向進(jìn)給，通過雙手的合成運(yùn)動(dòng)，加工出所需要的型面形狀。這種加工方法生產(chǎn)率低，只用于單件生產(chǎn)，并且精度低、表面粗糙度值大。儀器制造技術(shù)2）成型刀法

圖6將加工刀具的刀刃磨成工件表面形狀。如采用成型刀法進(jìn)行車削加工時(shí)，將車刀刀刃的形狀磨得跟工件表面形狀相同，這種車刀也叫成形刀（樣板刀）。成形刀可分為三種，普通成形刀；菱形成形刀；圓形成形刀。此法適用于小批生產(chǎn)，加工精度高。3）靠模法

預(yù)先做一個(gè)與工件形狀相同或相似的靠模板，依靠它使工件或刀具始終沿著它的外形輪廓做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而獲得準(zhǔn)確的型面。此法加工尺寸精度可達(dá)0.1～0.2㎜，表面粗糙度可達(dá)Ra1.25～Ra5μm。一般用于成批及大量生產(chǎn)。儀器制造技術(shù)4）利用專用裝置加工

專用裝置可以使刀具按所需要的軌跡運(yùn)動(dòng)。例如，車削加工時(shí)用圓弧刀架車削球面，專用裝置控制刀尖按外圓弧或內(nèi)圓弧的軌跡運(yùn)動(dòng)，即可車出各種形狀的圓弧。專用裝置加工生產(chǎn)率很高。（2）磨削型面磨削型面分為在特殊專用磨床上磨削和在一般磨床上磨削，特殊專用磨床如靠模磨床，一般磨床如平面磨床、外圓磨床等。在一般磨床上磨削，其方法又分為兩種。圖7（3）特種加工方法加工采用電火花、超聲波及電解加工型面也是行之有效的加工方法，尤其是對(duì)內(nèi)腔型面的加工。（4）數(shù)控機(jī)床加工儀器制造技術(shù)4.3精密磨削和超精密磨削精密磨削和超精密磨削是以精密砂輪和超精密砂輪為切削工具。砂輪實(shí)際上是由無數(shù)磨粒粘結(jié)成的多刃刀具，用它對(duì)工件表面進(jìn)行切削加工就是磨削。精密磨削是利用精細(xì)修整的粒度為60?！?0＃的砂輪進(jìn)行磨削，其加工精度可達(dá)1μm，表面粗糙度可達(dá)Ra0.025μm。

超精密磨削是利用經(jīng)過仔細(xì)修整的粒度為W40～W5的砂輪進(jìn)行磨削，可以獲得加工精度為0.1μm，表面粗糙度為Ra0.025～0.008μm的加工表面。儀器制造技術(shù)4.3.1精密和超精密磨料磨具（砂輪）砂輪是由磨料和結(jié)合劑制成的，砂輪的內(nèi)部有許多空隙，這些空隙起著散熱和容納磨屑的作用。砂輪的特性包括磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度等。1．磨料：砂輪中磨粒的材料稱為磨料。在磨削過程中，磨料擔(dān)負(fù)著切削工作，磨料要經(jīng)受劇烈的擠壓、摩擦以及高溫的作用。

磨料有兩類，天然磨料和人造磨料。目前砂輪磨料主要是各種人造磨料。常用的除了有剛玉系磨料和碳化物系普通磨料外，還大量使用超硬磨料，如人造金剛石和立方氮化硼。儀器制造技術(shù)2．粒度：

粒度是指磨料的顆粒尺寸，磨料從其粒度考慮又分為磨粒和微粉，磨粒的大小用粒度號(hào)表示。每一粒度號(hào)對(duì)應(yīng)某一范圍內(nèi)的磨粒尺寸。磨料的粒度對(duì)磨削表面的粗糙度和磨削效率有很大的影響。3．結(jié)合劑：

結(jié)合劑是用于將磨粒粘結(jié)成各種砂輪的粘結(jié)材料。結(jié)合劑的種類及其性質(zhì)將影響砂輪的強(qiáng)度、硬度、耐沖擊性、耐熱性和耐腐蝕性等。常用的無機(jī)結(jié)合劑主要是陶瓷結(jié)合劑，而有機(jī)結(jié)合劑主要有樹脂結(jié)合劑和橡膠結(jié)合劑。儀器制造技術(shù)4．硬度：

硬度是指結(jié)合劑粘結(jié)磨粒的牢固程度，也指磨粒在磨削力作用下，從砂輪表面上脫落下來的難易程度。同一種磨料，可以做出不同硬度的各種砂輪。砂輪的硬度對(duì)加工表面質(zhì)量和磨削生產(chǎn)率有直接的影響。若太硬，磨粒變鈍后仍不能脫落，不僅磨削效率降低，磨削力和磨削熱會(huì)顯著增加，工件表面會(huì)被燒傷，使表面的粗糙度降低。若太軟，當(dāng)磨粒還很鋒利時(shí)就會(huì)脫落，使砂輪損耗過快，很快失去正確的幾何形狀，工件精度難于控制，同時(shí)工件表面也容易受脫落磨粒的劃傷，也會(huì)降低表面的粗糙度。儀器制造技術(shù)4.3.2精密磨削

指加工精度為1μm～0.1μm，表面粗糙度達(dá)到Ra0.2～0.025μm的磨削方法，也稱小粗糙度磨削。分為普通磨料砂輪和超硬磨料砂輪精密磨削兩大類，多用于精密軸系、滾動(dòng)導(dǎo)軌、量具及刃具等的精密加工。1．精密磨削機(jī)理精磨依靠的是砂輪的精細(xì)修整，砂輪經(jīng)過仔細(xì)修整以后，砂輪表面上的磨粒就具有了微刃性和等高性。圖8

經(jīng)精細(xì)修整后，在一個(gè)磨粒上就形成了多個(gè)微刃。相當(dāng)于一個(gè)磨粒形成了多個(gè)微磨粒，或者說相當(dāng)于使砂輪的粒度變細(xì)。

儀器制造技術(shù)2．砂輪的選擇

選擇以易產(chǎn)生和保持微刃及其等高性為原則。磨削鋼件及鑄鐵件時(shí)，常采用剛玉類磨料。由于剛玉類磨料韌性較高，易保持磨粒的微刃性和等高性。粒度可選粗和細(xì)兩種：粗粒度砂輪經(jīng)過精細(xì)修整，微刃切削作用是主要的；細(xì)粒度砂輪經(jīng)過精細(xì)修整，半鈍態(tài)微刃在適當(dāng)壓力下與工件表面的摩擦、拋光作用比較顯著，其加工表面粗糙度值較粗粒度砂輪所加工的要低。結(jié)合劑以樹脂類較好。如果加入石墨填料，則可加強(qiáng)摩擦、拋光作用。

儀器制造技術(shù)3．精密磨削時(shí)的砂輪修整

砂輪的修整是精密磨削的關(guān)鍵之一，修整方法是采用金剛石修整工具以極低而均勻的進(jìn)給速度進(jìn)行精細(xì)修整，以使其表面磨粒上具有大量的等高微刃。

圖95．超硬磨料砂輪的精密磨削超硬磨料砂輪有金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪。用來對(duì)各種高硬度、高脆性金屬材料和非金屬材料進(jìn)行精密磨削，如陶瓷、寶石、耐熱合金鋼等。金剛石砂輪有較強(qiáng)的磨削能力和磨削效率，可加工非金屬脆硬材料、有色金屬及其合金，但金剛石砂輪不適宜加工鋼鐵材料。立方氮化硼不易與鐵族元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和親合作用，加工鋼鐵金屬時(shí)，有較高的耐磨性。儀器制造技術(shù)4.3.3超精密磨削1.超精密磨削和鏡面磨削超精密磨削指加工精度達(dá)到或高于0.1μm，表面粗糙度低于Ra0.025μm，是亞微米級(jí)的加工方法。鏡面磨削指加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.02～0.01μm，表面光澤如鏡的磨削方法，它在加工精度的含義上不夠明確，從精度和表面粗糙度對(duì)應(yīng)和統(tǒng)一的觀點(diǎn)來理解，應(yīng)該認(rèn)為鏡面磨削屬于精密磨削和超精密磨削范疇。超精密磨削特點(diǎn)：⑴超精密磨削是超微量切除加工：超精密磨削是一種極薄切削，其去除的余量可能與工件所要求的精度數(shù)量級(jí)相當(dāng)，因此在加工機(jī)理上不同于一般磨削加工。儀器制造技術(shù)⑵超精密磨床是超精密磨削的關(guān)鍵：

由于超精密磨削是在超精密磨床上進(jìn)行，其加工精度主要決定于機(jī)床，它是一種“模仿式加工”，加工精度一般不會(huì)超過機(jī)床精度。由于超精密磨削的精度要求越來越高，已經(jīng)進(jìn)入0.01μm，甚至納米級(jí)，這就給超精密磨床的研制帶來了很大困難，需要多學(xué)科多技術(shù)的密集和結(jié)合。⑶超精密磨削是一個(gè)系統(tǒng)工程：超精密磨削需要一個(gè)高穩(wěn)定性的工藝系統(tǒng)，對(duì)力、熱、振動(dòng)、材料組織、工作環(huán)境的溫度和凈化等都有穩(wěn)定性的要求，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。儀器制造技術(shù)2．超精密磨削機(jī)理由于超精密磨削是超微量切除，要求砂輪的修整要更加嚴(yán)格。超精密磨削時(shí)，其磨削深度可能小于材料的晶粒尺寸。由于磨削是在晶粒內(nèi)進(jìn)行的，磨削力要超過晶體內(nèi)非常大的原子、分子結(jié)合力，磨削時(shí)，磨粒要承受極大地剪切應(yīng)力，這樣，磨粒的切削刃處也受到高溫和高壓作用，要求磨粒材料要有很高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度。在高溫、高壓和高剪切力的作用下，普通磨料的磨粒將會(huì)很快磨損或崩裂，因此，超精密磨削時(shí)多采用人造金剛石、立方氮化硼等超硬磨料砂輪。儀器制造技術(shù)鏡面磨削比超精密磨削、精密磨削對(duì)砂輪的修整要求更為嚴(yán)格，在磨削用量上，光磨的次數(shù)明顯增多，故加工出來的工件表面粗糙度可達(dá)到小于Ra0.01μm。儀器制造技術(shù)3．超精密磨床（1）超精密磨床的特點(diǎn)

1）高精度目前國內(nèi)外各種超精密磨床的磨削精度和表面粗糙度可達(dá)到的水平為：尺寸精度：±0.25～±0.5μm表面粗糙度：Ra0.006～0.01μm2）高剛度超精密磨床是進(jìn)行超精密加工，切削力一般不會(huì)很大，但由于精度要求極高，應(yīng)盡量提高磨削系統(tǒng)剛度，其剛度值一般在200N/μm以上。儀器制造技術(shù)3）高穩(wěn)定性為了保證超精密磨削質(zhì)量，超精密磨床的傳動(dòng)系統(tǒng)，主軸、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)，溫度控制和工作環(huán)境等均應(yīng)有高穩(wěn)定性。4）微進(jìn)給裝置。由于超精密磨床要進(jìn)行超微量切除，因此在切深方向都配有微進(jìn)給裝置。5）計(jì)算機(jī)數(shù)控現(xiàn)代超精密磨床多為計(jì)算機(jī)數(shù)控，可減少人工操作的影響，使質(zhì)量穩(wěn)定。儀器制造技術(shù)（2）超精密磨床結(jié)構(gòu)1）主軸系統(tǒng)：主軸支承由液體靜壓向空氣靜壓發(fā)展，空氣靜壓軸承精度高、發(fā)熱小、工作穩(wěn)定，但要注意提高承載能力和剛度。2)導(dǎo)軌：多采用空氣靜壓導(dǎo)軌。3)基座：多采用石材部件。床身、工作臺(tái)等大件一般采用穩(wěn)定性好的天然或人造花崗巖制造。4)熱穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)：整個(gè)機(jī)床采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、淋浴結(jié)構(gòu)等熱穩(wěn)定性措施。圖10儀器制造技術(shù)4.4超精密車削加工4.4.1金剛石刀具和超精密切削的機(jī)理金剛石刀具質(zhì)量是超精密切削中的關(guān)鍵。金剛石刀具有兩個(gè)比較重要的問題：晶面的選擇和研磨質(zhì)量——刃口半徑ρ。由于金剛石晶體是各向異性，不同晶面耐磨性不同，因此，晶面選擇對(duì)刀具的使用性能有重要關(guān)系。另外，超精密切削中，最小切削厚度取決于金剛石刀具的刃口半徑ρ，刃口半徑ρ越小，則最小切削厚度越小。據(jù)國外報(bào)道，現(xiàn)在研磨質(zhì)量最好的金剛石刀具，其刃口半徑ρ可以小到幾納米的水平，并用此刀具成功地實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)切削厚度的穩(wěn)定切削。圖11

儀器制造技術(shù)機(jī)理：在超精密機(jī)床上采用金剛石刀具切削時(shí)，其切削深度、進(jìn)給量很小，一般切削厚度在1μm以下，切削深度小于材料的晶粒尺寸，切削是在晶粒內(nèi)進(jìn)行。因此，切削力一定要超過晶粒內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，刀刃要承受極大的剪切應(yīng)力。同時(shí)由于產(chǎn)生很大的熱量，刀刃切削處的溫度將極高。因此要求刀刃要有很高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度。一般刀具材料難于勝任，而金剛石可以承擔(dān)。金剛石具有一系列優(yōu)異的特性：如硬度極高，能磨出極鋒銳的刀刃、耐磨性和強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、與有色金屬的摩擦系數(shù)小等。儀器制造技術(shù)金剛石超精密切削時(shí)，金剛石只能采用單晶金剛石，人造金剛石不行。

由于金剛石的這些特點(diǎn)，使得金剛石作為超精密加工刀具的材料比硬質(zhì)合金要優(yōu)越得多。天然單晶金剛石刀具適于對(duì)銅、鋁等有色金屬材料的超精加工，但由于金剛石是由碳原子組成，它與鐵原子的親和力強(qiáng)，故不適于切削黑色金屬。此外，金剛石的價(jià)格昂貴，性脆而抗振性差，故不適用于一般的加工。儀器制造技術(shù)4.4.2影響金剛石超精密切削的因素1．金剛石刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)金剛石刀具刀刃形狀和幾何角度是影響金剛石超精密切削質(zhì)量（表面粗糙度）的主要因素之一。金剛石刀具不采用主、副切削刃相交為一點(diǎn)的尖銳刀尖。金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間一般采用過度刃對(duì)加工表面起修光作用。有用直線修光刃的，也有用圓弧修光刃的，這有利于獲得好的加工表面質(zhì)量。圖11儀器制造技術(shù)2．機(jī)床的精度、剛度和微位移超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密切削的首要條件。金剛石超精密切削機(jī)床應(yīng)具有較高的精度、剛度和穩(wěn)定性。主軸應(yīng)采用空氣或液體靜壓軸承，以取其流體薄膜均勻的優(yōu)點(diǎn)，使其回轉(zhuǎn)精度高于0.05μm。此外，還要采用相應(yīng)的精密導(dǎo)軌及精密微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。還應(yīng)有恒溫、恒濕、凈化和抗振條件，才能保證加工質(zhì)量。儀器制造技術(shù)3．切削用量合理的切削用量是金剛石超精密切削的關(guān)鍵之一。實(shí)驗(yàn)表明，金剛石刀具超精密切削可以使用很高的切削速度，刀具在高速下長(zhǎng)期切削磨損甚小。超精密切削應(yīng)在高切削速度（υ﹥100m/min），小切深（t=0.005～0.05mm）及小進(jìn)給（S=0.01～0.05mm/r）下進(jìn)行，以控制切削力，減小切削過程的力變形影響。4.金剛石刀具超精密切削的應(yīng)用金剛石刀具精密切削銅、鋁及其合金等軟金屬是當(dāng)前最有成效的精密和超精密加工方法。如計(jì)算機(jī)用磁盤、激光核聚變和紅外光技術(shù)中的非球面鏡等各種鏡面零件。

儀器制造技術(shù)4.5光整加工4.5.1研磨

研磨是一種傳統(tǒng)的光整、精密加工方法。研磨精度可達(dá)到亞微米級(jí)的精度，尺寸精度可達(dá)0.025μm，表面粗糙度可達(dá)Ra0.01μm，并能使兩個(gè)零件的接觸面達(dá)到精密配合。1.研磨的機(jī)理和特點(diǎn)圖12研磨是將微細(xì)的自由磨粒（磨粉或磨膏）及其油液或油脂涂于或嵌在研磨工具表面上，磨粒在一定的壓力作用下，通過滾動(dòng)、刮擦、擠壓以及研磨劑的化學(xué)作用，起到切除細(xì)微材料層的作用。

儀器制造技術(shù)研磨時(shí)磨粒的工作狀態(tài)：1)磨粒在工件與研具之間發(fā)生滾動(dòng)，產(chǎn)生滾軋效果；2)磨粒壓入到研具表面，用露出的磨粒尖端對(duì)工件表面進(jìn)行微量刻劃，實(shí)現(xiàn)微切削加工；3)磨粒對(duì)工件表面的滾軋與微量刻劃同時(shí)作用。研磨時(shí)，磨粒究竟處于什么樣的工作狀態(tài)，取決于研磨時(shí)的工作條件：研磨壓力、研具和工件材質(zhì)、磨粒的性質(zhì)，以及研磨液等條件。例如，研磨金屬材料時(shí)，由于金屬材料受壓后，只在表面產(chǎn)生塑性變形的壓坑，不會(huì)發(fā)生象脆性材料那樣的破碎和裂紋。因此，研磨金屬材料時(shí)，磨粒的作用主要是微量刻劃即微切削加工。儀器制造技術(shù)2．研磨的方法（1）手工研磨

主要用于單件小批生產(chǎn)和修理工作中，也用于形狀比較復(fù)雜，不便于采用機(jī)械研磨的工件。手工研磨不僅操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且要求操作者技術(shù)熟練，特別是對(duì)某些高精度工件，研磨時(shí)，要使工件同時(shí)都達(dá)到要求，就是對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的操作者來說，也不是一件容易的事。此外，在有些手工研磨中，被研磨工件或研磨工具之一是機(jī)動(dòng)的，但仍屬于手工研磨。研具的結(jié)構(gòu)如圖13所示，

儀器制造技術(shù)（2）機(jī)械研磨

機(jī)械研磨主要用于大批大量生產(chǎn)中，特別是對(duì)幾何形狀不太復(fù)雜的工件，經(jīng)常采用機(jī)械研磨，生產(chǎn)效率高。機(jī)械研磨所用研磨機(jī)的設(shè)計(jì)主要考慮研磨運(yùn)動(dòng)軌跡不能單一，研磨運(yùn)動(dòng)軌跡越復(fù)雜，工件表面的研磨質(zhì)量越好。圖14儀器制造技術(shù)根據(jù)磨料是否嵌入研具，研磨又可分為嵌砂研磨和無嵌砂研磨兩種：（1）嵌砂研磨1）自由嵌砂法：磨料直接加入工作區(qū)域內(nèi)，磨料受擠壓自動(dòng)嵌入研具。用此法研磨時(shí)，研磨劑多用糊狀的研磨膏，粗、精研均可采用。2)強(qiáng)迫嵌砂法：用一定的壓力預(yù)先把磨料直接擠壓到研具表面中去，研磨時(shí)，只在研具表面涂以少許潤(rùn)滑劑，這種方法可獲得很高的加工精度及低的表面粗糙度。但研磨的效率較低，一般用于精研。如：研磨量塊等精密量具。儀器制造技術(shù)（2）無嵌砂研磨

采用較軟的磨料（如氧化鉻）和較硬的研具（如淬硬鋼）。研磨前，把預(yù)先配置好的液狀研磨混合劑涂敷在研具表面上，研磨過程中，磨粒始終處于自由狀態(tài)，不嵌入研具表面，此法的加工效率高，但加工表面的幾何形狀精度和尺寸精度不如嵌砂研磨，因此，多用于粗研和半精研。3．研磨劑

研磨劑是由磨料、研磨液及輔料按一定的比例調(diào)配而成的混合劑。研磨劑常配制成液態(tài)研磨劑、研磨膏和固體研磨劑（研磨皂）三種。儀器制造技術(shù)（1）磨料

磨料的粒度應(yīng)根據(jù)所要求的表面粗糙度來選擇，一般說粒度越細(xì)則加工的表面粗糙度值越低。粗研時(shí)為了提高生產(chǎn)率，用較粗的粒度，如用W40；精研時(shí)則用較細(xì)的粒度，如用W5；鏡面研磨時(shí)甚至可細(xì)到W0.5。（2）研磨液

研磨液不僅具有冷卻和潤(rùn)滑作用，同時(shí)它還具有一定的粘度，起到調(diào)和磨粒，使其分布均勻的作用。常用的研磨液中含有煤油、礦物油、航空汽油、乳化液、水等各種物質(zhì)，采用其中的一種或幾種成分按一定的比例配制而成。儀器制造技術(shù)（3）輔助材料

輔助材料不僅起吸附、潤(rùn)滑作用，而且在研磨過程中還起化學(xué)作用，以加快研磨過程。比如，加入一定量的硬脂酸和油酸后，工件的表面會(huì)形成一層氧化膜，易于被研掉，加快了研磨的速度。常用的輔助材料有硬脂酸、油酸和工業(yè)甘油等。4.研磨用量研磨壓力手工研磨時(shí)主要靠操作者的感覺來確定，而機(jī)械研磨時(shí)一般為0.01～0.3MPa,研磨壓力過小，研磨效率下降；研磨壓力過大，研具磨損加快，研磨表面粗糙度值上升，效率反而下降?；瑒?dòng)速度過高的滑動(dòng)速度不僅會(huì)造成發(fā)熱現(xiàn)象，甚至燒傷被研表面，而且研具急劇磨損，直接影響加工精度。一般在粗研時(shí)取40～50m/min，精研時(shí)降至6～12m/min。儀器制造技術(shù)5．對(duì)被加工工件的要求研磨的精度和粗糙度，很大程度上取決于工件研磨前的加工質(zhì)量。一般研磨余量?jī)H留0.01～0.02㎜。如研磨前工件的誤差過大，就難以糾正，如余量過大，應(yīng)分粗、精兩道工序研磨。

6．研磨的應(yīng)用范圍按被研磨工件表面形狀不同，研磨可應(yīng)用于平面、內(nèi)孔、外圓、球面、螺紋、齒輪、各種曲面以及各種配合偶件的配合研磨等。按被研磨工件的材料不同，研磨可以加工各種鋼、鑄鐵、銅、硬質(zhì)合金、玻璃、單晶硅、天然油石以及石英等材料制成的工件。儀器制造技術(shù)4.5.2超精研1．超精研的加工機(jī)理超精研加工是采用細(xì)粒度、低硬度的油石，在一定的壓力和切削速度下對(duì)工件的表面進(jìn)行的一種光整加工方法。

圖154.5.3珩磨珩磨是一種低速磨削法，主要用于內(nèi)孔表面的精加工。珩磨加工可以獲得較低的表面粗糙度值。一般可達(dá)Ra0.32～0.02μm。此外珩磨加工還能獲得較高的尺寸精度和形狀精度。對(duì)形狀誤差，如圓度、圓柱度和表面波度等，有輕微的修整作用。1．內(nèi)孔珩磨的工作機(jī)理