先進制造技術(shù)-第三章先進制造工藝技術(shù)

第三章先進制造工藝技術(shù)第一節(jié)概述第二節(jié)

超精密加工技術(shù)第三節(jié)

高速加工技術(shù)第四節(jié)

快速原型制造技術(shù)第五節(jié)

微細加工技術(shù)第六節(jié)

現(xiàn)代特種加工技術(shù)1

本節(jié)要點機械制造工藝的定義和內(nèi)涵先進制造工藝的產(chǎn)生、發(fā)展和特點第一節(jié)概述2第一節(jié)概述

一、機械制造工藝的定義和內(nèi)涵

機械制造工藝：將各種原材料通過改變其形狀、尺寸、性能或相對位置，使之稱為產(chǎn)品的方法或半成品的方法和過程。3

毛坯和零件成形——鑄造、鍛壓、沖壓、焊接、壓制、燒結(jié)、注塑、壓塑…

機械加工——切削、磨削、特種加工

材料改性與處理——熱處理、電鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、熱噴涂…

機械裝配——把零件按一定的關(guān)系和要求連接在一起，組合成部件和整臺機械產(chǎn)品，包括零件的固定、連接、調(diào)整、平衡、檢驗和試驗等工作鑄造金屬材料焊接鍛壓粉末冶金毛坯熱處理切削加工零件裝配機器4機械制造工藝方法與分類大類中類代碼代碼名稱0123456789中類名稱0鑄造砂型鑄造特種鑄造1壓力加工鍛造軋制沖壓擠壓旋壓拉拔其他2焊接電弧焊電阻焊氣焊壓焊特種焊接釬焊3切削加工刃具加工磨削鉗加工4特種加工電物理加工電化學加工化學加工復合加工其他5熱處理整體熱處理表面熱處理化學熱處理6覆蓋層電鍍化學鍍真空沉積熱侵鍍轉(zhuǎn)化膜熱噴涂涂裝其他78裝配包裝裝配試驗與檢驗包裝9其他粉末冶金冷作非金屬成形表面處理防銹纏繞編織其他機械制造工藝方法類別劃分及代碼（JB/T5992-92）5零件成形方法受迫成形在特定邊界和外力約束下成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等；去除成形將材料從基體中分離出去成形，如車、銑、刨、磨、電火花、激光切割；堆積成形將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等。6二、先進制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展

先進制造工藝是在傳統(tǒng)的機械制造工藝基礎上發(fā)展來的，優(yōu)化后的工藝和新型加工方法。是核心和基礎。

（1）制造加工精度不斷提高

18世紀，其加工精度為1mm；

19世紀末，0.05mm；

20世紀初，μm級過渡；

20世紀50年代末，實現(xiàn)了μm級的加工精度；目前達到10nm的精度水平。

手段：優(yōu)化加工方法；開發(fā)和研制新型刀具材料；研制超精密機床；對加工精度進行監(jiān)控。721世紀的超精密加工將向分子級、原子級精度推進8

（2）切削加工速度迅速提高

刀具材料發(fā)展。

9

20世紀前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，切削速度不超過10m/min；

20世紀初，高速剛，溫度可達500～600oC，切削速度30～40m/min;20世紀30年代，硬質(zhì)合金，800～1000oC，速度可達100m/min；

陶瓷刀具、金剛石刀具、立方氮化硼刀具，耐熱溫度達1000oC以上，切削速度可達1000m/min以上。10

（3）新型工程材料的應用推動了制造工藝的進步和變革超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材料、工程陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料。

手段：改善刀具材料的切削性能，改進設備；新型的制造工藝，電火花、電解、超聲波、電子束、離子束加工。11

（4）自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工的效率微電子、計算機、自動檢測和控制技術(shù)與制造工藝技術(shù)相結(jié)合，多種自動化。

單機自動化→系統(tǒng)自動化

剛性自動化→柔性自動化→綜合自動化工藝過程和工藝參數(shù)得到實時優(yōu)化，提高加工制造效率和質(zhì)量。12

（5）零件毛坯成形在向少無余量發(fā)展

使毛坯從接近零件形狀向直接制成工件精密成形或稱凈成形的方向發(fā)展毛坯接近或達到零件最終形狀。

成形方法有：

傳統(tǒng)方法：鑄造、鍛造、沖裁、焊接和軋制。

先進方法：熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、精密焊接和精密切割。13

（6）優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展

表面工程技術(shù)：表面涂覆、表面改性、表面加工等，來改變形態(tài)、化學成分和組織結(jié)構(gòu)。電刷渡、熱噴涂、化學熱處理、激光表面處理。提高產(chǎn)品性能、延長產(chǎn)品使用壽命、裝飾環(huán)境。14

本節(jié)要點精密和超精密加工的劃分精密和超精密加工主要研究內(nèi)容超精密切削加工超精密磨削和磨料加工第二節(jié)超精密加工技術(shù)15超精密加工

—在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。一、概述發(fā)展尖端技術(shù)、國防工業(yè)、微電子工業(yè)都需要精密和超精密加工出來的儀器設備。

當代的精密工程、微細工程和納米技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)的前沿，是明天制造技術(shù)的基礎。16零件加工精度表面粗糙度

激光光學零件形狀誤差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面鏡平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁頭平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁盤波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷達導波管平面度垂直度誤差＜0.1μmRa＜0.02μm

衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01μmRa＜0.002μm

天體望遠鏡形狀誤差＜0.03μmRa＜0.01μm

幾種典型精密零件的加工精度◆

幾種典型精密零件的加工精度（見下表）17

精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標鏜床坐標磨床氣動測微儀光學比較儀金剛石車床精密磨床光學磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份◆精密加工與超精密加工的發(fā)展（如下圖）18一、概述1.精密和超精密加工的劃分19按加工精度劃分，可將機械加工分為普通加工、精密加工、超精密加工三個階段。

1.精密和超精密加工的劃分加工階段加工精度表面粗糙度加工方法普通加工低于1μmRa0.1μm以上車、銑等精密加工0.1～1μmRa0.01～0.1μm金剛車、金剛鏜、研磨、砂帶磨削、超精加工超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm金剛石刀具超精密切削、超精密磨削加工、超精密特種加工20分類加工方法加工刀具精度/μm表面粗糙度Ra/μm被加工材料應

用刀具切削加工切削精密、超精密車削天然單晶金剛石刀具、人造聚晶金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具1～0.10.05～0.008金剛石刀具、有色金屬及其合金等軟材料，其他材料刀具，各種材料球、磁盤、反射鏡精密、超精密銑削多面棱體精密、超精密鏜削活塞銷孔微孔鉆削硬質(zhì)合金鉆頭，高速鋼鉆頭20～100.2低碳鋼、銅、鋁、石墨、塑料印刷線路板、石墨模具、噴嘴磨料加工磨削精密、超精密砂輪磨削氧化鋁、碳化硅、立方氮化硼、金剛石等磨料砂輪5～0.50.05～0.008黑色金屬、硬脆材料、非金屬材料外圓、孔、平面精密、超精密砂帶磨砂帶平面、外圓磁盤、磁頭研磨精密、超精密研磨鑄鐵、硬木、塑料等研具，氧化鋁、碳化硅、金剛石等磨料1～0.10.025～0.008黑色金屬、硬脆材料、非金屬材料外圓、孔、平面油石研磨氧化鋁油石、瑪瑙油石、電鑄金剛石油石平面磁性研磨磁性磨料10～10.01黑色金屬外圓去毛刺滾動研磨固結(jié)磨料、游離磨料、化學或電解作用液體黑色金屬等型腔拋光精密、超精密拋光拋光器氧化鋁、氧化鉻等磨料1～0.10.025～0.008黑色金屬、鋁合金外圓、孔、平面常用精密加工和超精密加工方法21液體動力拋光帶有楔槽工作表面的拋光器拋光液0.1～0.010.025～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面、圓柱面水合拋光聚氨酯拋光器拋光液0.1～0.10.01黑色金屬、非金屬材料平面磁流體拋光非磁性磨料磁流體0.1～0.10.01黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面擠壓研拋粘彈性物質(zhì)磨料50.01黑色金屬等型面、型腔去毛刺、倒棱噴射加工磨料液體50.01～0.02黑色金屬等孔、型腔砂帶研拋砂帶接觸輪1～0.10.01～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬外圓、孔、平面、型面超精研拋研具(脫脂木材，細毛氈)、磨料、純水1～0.10.01～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面超精加工精密超精加工磨條磨削液1～0.10.025～0.01黑色金屬等外圓珩磨精密珩磨磨條磨削液1～0.10.025～0.01黑色金屬等孔特種加工電火花加工電火花成形加工成形電極，脈沖電源、煤油、去離子水50～12.5～0.02導電金屬型腔模22特種加工電火線切割加工鉬絲、銅絲、脈沖電源、煤油、去離子水20～32.5～0.16沖模、樣板(切斷開槽)電化學加工電解加工工具極(銅、不銹鋼)電解液100～31.25～0.06導電金屬型孔、型面、型腔電鑄導電原模電鑄溶液10.02～0.012金屬成形小零件化學加工蝕刻掩模板、光敏抗蝕劑、離子束裝置、電子束裝置0.12.5～0.2金屬、非金屬、半導體刻線、圖形化學銑削刻形、光學腐蝕溶液、耐腐蝕涂料20～102.5～0.2黑色金屬、有色金屬等下料、成形加工(如印刷線路板)超聲加工超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具30～52.5～0.04任何硬脆金屬和非金屬型孔、型腔微波加工針狀電極(鋼絲、銥絲)、波導管106.3～0.12絕緣材料、半導體打孔紅外光加工紅外光發(fā)生器106.3～0.12任何材料打孔、切割電子束加工電子槍、真空系統(tǒng)、加工裝置(工作臺)10～16.3～0.12任何材料微孔、鍍膜、焊接、蝕刻離子束加工離子束去除加工離子槍、真空系統(tǒng)、加工裝置(工作臺)0.01～0.0010.02～0.01任何材料成形表面、刃磨、蝕刻離子束附著加工1～0.10.02～0.01鍍膜離子束結(jié)合加工

注入、摻雜激光束加工激光器、加工裝置(工作臺)10～16.3～0.12任何材料打孔、切割、焊接、熱處理23一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用24（1）超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標志之一

超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標志之一。例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用25（2）超精密加工國防工業(yè)的需求陀螺儀的加工:導彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對稱軸0.5nm，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。

大型天體望遠鏡的透鏡:直徑達2.4m，形狀精度為0.01μm，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體。

導彈紅外線探測器反射鏡：其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，表面粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導彈的引爆距離和命中率。激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。26（3）信息產(chǎn)品中的需求

計算機上：芯片、磁板基片、光盤基片錄像機的磁鼓、復印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機的噴墨頭等。（4）民用產(chǎn)品中的需求攝相機、照相機：各種透鏡，特別是光學曲面透鏡；激光打印機、激光打標機：各種反射鏡；超精密加工設備和裝置當然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。27一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素28

加工方法：金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密砂帶磨削；在非傳統(tǒng)加工中：電子束、離子束、激光束、電火花和電化學加工等高能加工方法。3.影響精密和超精密加工的因素29（1）被加工材料

材料的化學成分、物理力學性能、加工工藝性能均有嚴格要求。例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷，不能含有雜質(zhì)；材料在冶煉、鑄造、熱處理等工藝過程中，應嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學、力學等性能要求。

30加工設備：有超精密切削磨削機床、各種研磨機和拋光機等。對于超精密加工所用加工設備應有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和高度自動化的要求。（2）超精密加工設備31

1)高精度。超精密切削機床應具有高的幾何精度、運動精度和分辨率。機床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導軌，并可以進一步采用誤差補償方法來提高其精度。為了能進行微細切削、機床配有微動工作臺，采用電致伸縮、磁致伸縮、彈性元件等微位移機構(gòu)，實現(xiàn)微進給。

（2）超精密加工設備32

2）高剛度

超精密加工時，切削深度和進給量很小，切削力很小，但仍應該有足夠剛度，例如超精密磁盤加工鋁合金基片的端面時，其主軸軸向剛度可達490N/um。33

3)高穩(wěn)定性

在機床結(jié)構(gòu)上，多采用熱導率低、熱膨脹系數(shù)小、內(nèi)阻尼大的天然花崗石來制作床身、工作臺等，也可采用人造花崗石制作床身、工作臺和軸承等。防止熱變形對加工精度的影響：機床放在恒溫室中使用外；控制溫度的密封罩，用液體淋浴或空氣淋浴來消除來自外部及內(nèi)部的熱源影響。液體淋浴靠對流和傳導帶走熱量，可使溫度控制在20±0.006℃，比空氣淋浴好，但成本較高，目前，溫控精密最高可達20±0.005℃。34

4）抗振性好

在機床結(jié)構(gòu)上應盡量采用短傳動鏈和柔性連接，以減少傳動元件和動力元件的影響，電動機等動力元件和機床的回轉(zhuǎn)零件應進行嚴格的動平衡，以使本身振動最小。為了隔離動力元件等振源的影響，超精密機床可采用分離結(jié)構(gòu)形式，即將電動機、油泵、真空泵等與機床本體分離，單獨成為一個部件，放在機床旁邊，再用皮帶傳動方式連接起來，獲得了很好的效果。對于大件或基礎件，還應選用抗振性強的材料。35

5）控制性能好

超精密切削機床采用微機數(shù)字控制，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，不僅要考慮所需完成的功能，而且應有良好的控制性能，如插補、進給速度控制、刀具尺寸補償、主軸轉(zhuǎn)速控制等，要求插補速度快、插補精度高、進給速度穩(wěn)定。

還應有編程簡便、操縱使用方便、伴有跟蹤顯示等特點。此外，除應具有一般機床的靜態(tài)和動態(tài)精度外，還應具有良好的隨動精度。36（3）加工工具

主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應達到2～4nm，同時應解決其檢測方法。

刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。37（3）加工工具

磨具當前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。38（4）檢測與誤差補償

尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀和激光干涉儀來測量；

表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進行接觸測量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進行非接觸測量；表面應力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測量；

誤差預防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償是利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態(tài)和動態(tài)補償，以消除誤差本身的影響；

39一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境40◆恒溫——要求：±1℃～±0.01℃

實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）◆恒濕——要求：相對濕度35%～45%，波動±10%～±1%

實現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

◆凈化——要求：10000～100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm塵埃個數(shù)不超過100）

實現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣◆隔振——要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動干擾

實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器4.精密與超精密加工環(huán)境41一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容42

(1)超精密加工的加工機理

在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行研究；微觀表面完整性研究。

(2)超精密加工設備制造技術(shù)

納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎件，如軸系、導軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術(shù)研究。5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容43

(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)

金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。

(4)精密測量技術(shù)及誤差補償技術(shù)

納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術(shù)研究；測量集成技術(shù)研究。

(5)超精密加工工作環(huán)境條件

超精密測量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究。44一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容二、超精密切削加工45二、超精密切削加工

超精密切削：指金剛石刀具超精密車削，主要用于加工銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學玻璃、大理石和碳素纖維等非金屬材料。

用于加工：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也服從金屬切削的普遍規(guī)律。金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。

46

1）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。

2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄切削厚度。

3）刀刃無缺陷，切削時刃形將復制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。

4）與工件材料的抗粘性好、化學親和性小、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石。1.超精密切削對刀具的要求47超精密切削刀具用的天然單晶金剛石，大顆粒（0.5～1.5克拉），具有性能特征如下：（1）具有極高的硬度，其硬度達到6000～10000HV；（2）能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現(xiàn)象。刃口能磨到5～30μm；（3）熱化學性能優(yōu)越，具有導熱性能好，與有色金屬間的摩擦系數(shù)低，親和力??；（4）耐磨性好，刀刃強度高。優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石，價格昂貴，淺色透明，無雜質(zhì)、無缺陷。2.金剛石刀具的性能特征48金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片典型機床簡介49一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工50

超精密砂輪磨削超精密砂帶磨削三、超精密磨削和磨料加工超精密磨削和磨料加工是利用細粒度的磨?；蛭⒎勰チ现饕獙谏饘?、硬脆材料進行加工，分固結(jié)磨料和游離磨料兩加工方式。

固結(jié)磨料加工主要有：

51一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

521.超精密砂輪磨削技術(shù)

超精密磨削：加工精度在0.1um以下、表面粗糙度Ra0.025um以下的砂輪磨削方法。磨粒去除切屑極薄，將承受很高的壓力，其切削刃表面受到高溫和高壓作用。用人造金剛石、立方氮化硼(CBN）等超硬磨料砂輪。531.超精密砂輪磨削技術(shù)

超精密磨削與普通磨削的區(qū)別：主要是切削深度極小，是超微量切除，除微切削作用外，可能還有塑性流動和彈性破壞等作用。超精密磨削與砂輪特性、修整砂輪的工具、修整方法和修整用量等密切相關(guān)。54一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)552.超精密砂帶磨削技術(shù)

砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達到高精度和低表面粗糙度值。

56一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)3.超精密研磨與拋光技術(shù)573.超精密研磨與拋光技術(shù)

磨?；蛭⒎鄄皇呛徒Y(jié)合劑固結(jié)在一起，而是呈游離狀態(tài)放在工件和工具之間，新的研磨方式。超精密研磨和拋光加工。

（1）超精密研磨技術(shù)

研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對運動并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處。

58超精密研磨技術(shù)：加工誤差達0.1微米以上，表面粗糙度達0.02微米以下的研磨方法，是一種原子、分子加工單位的加工方法。

特點：恒溫條件，磨料與研磨液混合均勻，磨粒的顆粒非常小，研具材料較軟、研具剛度精度高、研磨液嚴格過濾。超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導體硅片、石英晶體、高級平鏡和光學鏡頭等零件的最后加工工序。研磨劑研磨平面拋光59一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)3.超精密研磨與拋光技術(shù)四、超精密加工技術(shù)的發(fā)展及典型機床簡介60

(1)美國是開展研究最早的國家。

(2)日本是當今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。

(3)我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。四、超精密加工技術(shù)的發(fā)展及典型機床簡介61

精密機床是實現(xiàn)精密加工的首要基礎條件。

1）美國：50年代首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。

2）英國：1991年研制成功大型超精密機床OAGM2500。

3）日本：現(xiàn)在在中小型超精密機床生產(chǎn)上已經(jīng)具有一定的優(yōu)勢，甚至超過了美國。

4）中國：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

62DTM-3大型超精密車床

采用精密數(shù)控伺服方式，控制部分為內(nèi)裝式CNC裝置和激光干涉測長儀，精確測量定位，在伺服機構(gòu)內(nèi)裝有壓電微位移機構(gòu)，實現(xiàn)納米級微位移。63大型光學金剛石車床LODTM

機床采用立式結(jié)構(gòu)，采用止推軸承，雙頻激光測量系統(tǒng)，使用在線測量和誤差補償，各發(fā)熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。64OAGM2500大型超精密機床

機床的x和y向?qū)к壊捎靡后w靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，用精密數(shù)控驅(qū)動，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測運動位置。65AHN1O型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動的高精度轉(zhuǎn)臺，借助三軸精密數(shù)控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承。66北京機床研究所納米級數(shù)控車床square2超精密銑床67復印機感光鼓超精密車床68

1）液體靜壓軸承主軸

回轉(zhuǎn)精度——在主軸空載手動或機動低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。影響回轉(zhuǎn)精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。關(guān)鍵在于精密軸承。1.精密主軸部件69（1）液體靜壓軸承工作原理靜壓軸承組成：供油系統(tǒng)、節(jié)流器、軸承70

（1）軸承內(nèi)圓柱面上，等間隙地開有幾個油腔（通常為4個）。（2）各油腔之間開有回油槽。（3）用過的油一部分從這些回油槽流回油箱（徑向回油），另一部分則由兩端流回油箱（軸向回油）。

71（4）油腔四周和軸頸之間的間隙一般為0.02～0.04mm。（5）油泵供油壓力為ps

，油液經(jīng)節(jié)流器T進入各油腔，將軸頸推向中央，油液最后經(jīng)封油面流回油箱，壓力降低為零。（6）當主軸不受載荷且忽略自重時，則各油腔的油壓相同，保持平衡，軸在軸承正中心，這時軸頸表面與各腔封油面之間的間隙相等，均為h0。（7）當主軸受徑向載荷（包括自重）F作用后，軸頸向下移動產(chǎn)生偏心量e。72

（8）油腔3處的間隙減小為h0-e，流量減小，因而流過節(jié)流器T3的流量減少，壓力損失隨之減小；（9）供油壓力ps

一定，油腔3內(nèi)的油壓p3升高；

73（10）油腔1處的間隙增大為h0＋e，流量增加，因而流過節(jié)流器T1的流量增加，壓力損失亦隨著增加，所以油腔1內(nèi)的油壓p就降低，這樣油腔3與油腔1之間形成了壓力Δp=p3-p1，產(chǎn)生與載荷方向相反的托起力，以平衡外載荷F。（11）如油腔的有效承載面積為A，則軸承的承載能力為：F=A（p3-p1）

74

1）液體靜壓軸承的溫升很高，難以控制，造成熱變形，影響主軸精度。

2）靜壓油回油時將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，降低軸承的剛度和動特性。

解決措施：

1）提高靜壓油的壓力到6～8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高靜壓軸承的剛度和動特性。

2）靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達到恒溫，減少軸承的溫升。

3）軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。（2）液體靜壓軸承的缺點75雙半球空氣軸承主軸

前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調(diào)心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。2）空氣靜壓軸承主軸76前部用球形，后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸77床身要求：抗振、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足。導軌要求：高直線精度，不得爬行有液體靜壓導軌、空氣靜壓導軌。2.床身和精密導軌78平面型空氣靜壓導軌示意圖1-靜壓空氣2-移動工作臺3-底座

79微量進給裝置要求：分辨率達到0.001-0.01μm；

精微進給與粗進給分開；低摩擦和高穩(wěn)定性；末級傳動元件必須有很高的剛度；工藝性好，容易制造；應能實現(xiàn)微進給的自動控制，動態(tài)性能好。3.微量進給裝置80雙T形彈性變形微進給裝置1-微位移刀夾2、3-T形彈簧4-驅(qū)動螺釘5-固定端6-動端分辨率0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，81最大位移

15-16μm分辨率

0.01μm靜剛度

60N/μm壓電陶瓷微進給裝置1-刀夾2-機座3-壓電陶瓷4-后墊塊

5-電感測頭6-彈性支承82第三節(jié)高速加工技術(shù)

本節(jié)要點概念切削速度范圍切削理論優(yōu)點和應用領域所涉及的關(guān)鍵技術(shù)83一、高速加工的概念與特征

普通加工超過70％是輔助時間（零件的上下料、測量、換刀和調(diào)整機床）幾十年，主要是減少加工過程的輔助時間。數(shù)控技術(shù)的應用。機床空行程動作（自動換刀、上下料）大大加快，輔助工時也大為縮短。自動換刀時間縮短小于1s，空行程速度提高到30～60m/min。但再減少輔助工時，技術(shù)上有難度，經(jīng)濟上不合算。可以減少切削的工時，提高切削速度和進給速度。高速加工可以成倍提高機床的生產(chǎn)效率，還可以改善加工質(zhì)量和精度。

84

（2）刀具：PCD、CBN、超細晶粒硬質(zhì)合金、Si3N4陶瓷、TiN基硬質(zhì)合金，涂層刀具。

高速加工技術(shù)：是指采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運動的自動化制造設備，極大地提高材料的切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。

（1）以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的5～10倍。85

1.高速加工切削速度的范圍

通常，考慮到切削刀具直徑和轉(zhuǎn)速等因素。我們用切削加工的線速度來描述切削速度。單位是米／分鐘（m／min）。由于機床主軸是提供高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵部件。用主軸轉(zhuǎn)速來劃定高速切削的范圍。86

1.高速加工切削速度的范圍（1）按切削速度劃分

車削700一7000m／min；銑削300一6000m／min；鉆削200一1100m／min；磨削150m／s以上。這種劃分比常規(guī)切速幾提高了一個數(shù)量級、而且還有繼續(xù)提高的趨勢。1）按不同加工工藝劃定87

2）按加工不同的工件材料劃分

1.超高速加工切削速度的范圍

20世紀80年代德國Darmstadt工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）對鋼、鑄鐵、鎳基臺金、鈦基合金、鋁合金、銅合金和纖維增強塑料等材料分別進行高速切削實驗，得到適合于高速切削的速度范圍。其研究結(jié)果得到了國際上的公認，至今仍是大家認可的高速切削速度。88（2）按加工不同的工件材料劃分

1.超高速加工切削速度的范圍◎鋁合金：1000-7000m/min◎銅：900-5000m/min◎鋼：500-2000m/min◎灰鑄鐵：800-3000m/min◎鈦：100-1000m/min89（2）根據(jù)機床主軸轉(zhuǎn)速劃分按主軸的Dn值區(qū)分。

Dn值是指用主軸軸徑（或主鈾軸承內(nèi)徑尺寸）D（mm）和主軸能達到的最高轉(zhuǎn)速n（r／min）的乘積。高速主軸的Dn值（1一5）×106。902.高速切削基礎理論研究

高速切削從假設到工業(yè)應用經(jīng)歷了一個漫長的過程，但每一步都伴隨著理論的研究和指導。雖然高速切削現(xiàn)在已經(jīng)在世界上很大范圍使用，并取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益，但是，高速切削理論仍然繼續(xù)處于研究之中，而且還遠還沒有成熟，受研究條件和研究水平的限制。(1)高速切削基礎理論研究的歷史回顧91

泰勒（FrederickW.Taylor）是最早研究金屬切削機理的學者之一。提出了傳統(tǒng)的切削速度和刀具壽命的關(guān)系為線性，即刀具的速度越高，刀具的磨損越快。在20世紀上半葉，一些研究人員開始發(fā)現(xiàn)但在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)了違反這一規(guī)律的現(xiàn)象。

2.高速切削基礎理論研究

(1)高速切削基礎理論研究的歷史回顧92

大多數(shù)人認為，提出這一問題的人是德國人薩洛蒙（Carl.J.Salomon）。薩洛蒙博土在1924—1931年間，進行了一系列的高速切削實驗。薩洛蒙宣稱切削溫度隨著切削速度的提高而升高，直到看起來像一個山頂?shù)呐R界峰值出現(xiàn)在—個給定的速度值上，這個速度叫做臨界速度。超過這個速度，沿著山峰往下走，切削溫度理論上開始下降，刀具的壽命也得到改善。對于切削不同的工件材料，具有不同形狀的“切削溫度——切削速度”曲線。薩洛蒙博士已經(jīng)成為人們公認的“高速切削之父”、因為他的理論提出了一個描述切削條件的區(qū)域或者是范圍。93

美國洛克希德飛機公司（LockheedAircraft）的工程師沃漢，20世紀50年代后期的社會環(huán)境，在這個時期，試驗研究獲得了一系列數(shù)據(jù)，但沒有得出實用的方法。

提出了在1960年確定使用“彈道切削”，即用槍或炮打出一個工件，以4500一11000m／min的速度通過一個單刃刀具。微型攝像機拍下彈道切削過程的照片，這就提供了很好的分析數(shù)據(jù)，來研究高速切削過程。

94

研究指出，在高速切削的條件下，切屑的形成過程和普通切削不同。隨著切削速度的提高，塑性材料的切屑形態(tài)將從帶狀、片狀到碎屑不斷演變，單位切削力初期呈上升趨勢，爾后急劇下降。

說明，在高速切削條件下，材料的切削機理將發(fā)生變化，切削過程變得比常規(guī)切削輕松和容易。95

20世紀70年代后期，美國通用電氣公司（GE）也組織了一批研究人員研究高速切削技術(shù)。研究指出，隨著切削速度的提高，切削力下降，加工表面質(zhì)量提高，刀具磨損主要取決于刀具材料的導熱性，確定：

鋁合金的最佳切削速度范圍是1500一4500m／min。

96

1984年，在德國達姆斯塔特工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所，PTW。在舒爾茲教授（H．Schulz）的領導下，聯(lián)合了德國41家機床制造廠、刀具生產(chǎn)廠、主軸、數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動單元的制造廠商，在有關(guān)高速切削應用技術(shù)的各個方面進行了全面的研究，得到一系列引導實際應用的研究結(jié)果和大量數(shù)據(jù)，取得了國際公認的高水平研究成果。

97

1996年，舒爾茲教授出版了全面介紹他們研究結(jié)果的新著《高速切削》，進一步充實、完善了高速切別理論和應用技術(shù)，提供了大量在各種情況下的切削實驗數(shù)據(jù)，有力地推動了高速切削技術(shù)的普及應用。98(2)薩洛蒙高速切削假設和實驗

德國的切削物理學家薩洛蒙博士于1929年進行了高速模擬切削實驗。1931年4月發(fā)了著名的高速切削理論，并在德國申請了專利。

應該指出，薩洛蒙在高速切削理論上的最大貢獻，在于他提出了一個不可切削區(qū)域的概念。99

CarlSalmon薩洛蒙對鋁和鑄銅等有色金屬進行了高速實驗，所得結(jié)果圖中的實線所示。虛線是推算出來的，并沒有經(jīng)過實驗驗證。圖

Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應區(qū)非鐵金屬100切削速度變化和切削溫度的關(guān)系

薩洛蒙指出：A區(qū)(常規(guī)切削區(qū))，切削速度t隨切削溫度v的提高而升高；在B區(qū)(不可用切削區(qū))，當速度v增大到某一數(shù)值v0

后(v0的大小同工件材料的種類有關(guān))，v再增大，t反而下降了。由于在這個區(qū)域，t太高，任何刀具材料都無法接受，切削加工不可能進行，因此，這個區(qū)域被稱之為“死谷”。

C區(qū)，高速切削區(qū)。

Salomon的最大貢獻是預言了非切削工作區(qū)域的存在，被譽為“高速加工之父”。101（1）加工效率高：進給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍；（2）切削力小：較常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和細長件；（3）切削熱?。杭庸み^程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件；

3.超高速加工的特點102（4）加工精度高：刀具激振頻率遠離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動；又切削力小、熱變形小、殘余應力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)量；

3.超高速加工的特點

（5）減少工序：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對硬表面進行加工，從而可使工序集中在一道工序中完成。這對于模具加工具有特別意義。103

1976年，美國的Vought公司的超高速銑床，采用了內(nèi)裝式電機主軸，轉(zhuǎn)速達20000r/min，功率15KW。

二、高速加工技術(shù)的發(fā)展與應用

美國于1960年前后開始進行高速切削試驗。1977年美國在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進行高速切削試驗。104

1983年德國GuerhingAutomation公司格林自動化公司，超高速磨床，轉(zhuǎn)速10000r/min，功率60KW.

日本于20世紀60年代就著手高速切削機理的研究。進入20世紀90年代以來。陸續(xù)向市場推出不少高速加工中心和數(shù)控銑床，日本廠商現(xiàn)已成為世界上高速機床的主要提供者。法國、瑞士、英國、前蘇聯(lián)、意大利和澳大利亞等國在高速切削方面也做了不少工作。105

1994年，中國機床工具工業(yè)協(xié)會組織考察工作組，赴美、掃考察高速切削機床的發(fā)展和應用情況。

20世紀90年代初期，北京理工大學開始研究高速切削的基本方法和理論，由于缺乏研究設備，實質(zhì)性的研究還無法深入進行。廣東工業(yè)大學以張伯霖教授為首的高速加工與機床研究室，逐漸對高速切削技術(shù)的各個方面以及高速加工機床的主要部件進行了更深人的理論研究和實驗研究，取得了一定的成果，對在我國發(fā)展應用高速切削技術(shù)起到很大的推動作用。106HSM600U型數(shù)控五軸高速加工中心

生產(chǎn)廠家：瑞士Mikron

主軸轉(zhuǎn)速：最高42000rpm

主軸功率：13KW進給速度：最高40m/min

定位精度：0.008mm重復定位精度：0.005mm107108用于航空航天業(yè)的ACM高速加工中心（METAV1998）

5軸聯(lián)動高速切削切削輕金屬和鈦合金水平裝卡垂直加工，便于排屑109用于模具制造的DROOP&REIN加工中心框架結(jié)構(gòu)加工板材沖壓模具單件小批量生產(chǎn)主軸轉(zhuǎn)速：15.000r/min

難加工材料加工110用于模具制造的MIKROMAT高速銑床

高抗熱礦物鑄鐵（Mineralguss）床身模塊化構(gòu)造高速電機主軸：60.000r/min

進給速度24m/min

刀卡：HSK63111高速車床（PTWDarmstadt）聚合混凝土斜床身寬調(diào)速交流電機直接帶動主軸滾動軸承，氣體冷卻主軸的大內(nèi)孔，降低轉(zhuǎn)動慣量

單獨支承的尾架

最高轉(zhuǎn)速：16.000r/min112

美國Ingersoll公司是高速機床應用直線電動機的先鋒。該機床用于加工汽車模具的高速龍門銑床。三個坐標都采用直線電動機驅(qū)動。主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，快速移動40m/min。已用在日本豐田公司模具加工。

113

（1）航空航天領域

大型整體結(jié)構(gòu)件、薄壁類零件和葉輪零件等。飛機大梁、肋板、雷達組件、鈦和鈦合金零件、鋁或鎂合金壓鑄件。材料去除率達100-180cm3/min?，F(xiàn)代飛機構(gòu)件都采用整體加工技術(shù)，高速切削，加工出高精度的鋁合金的構(gòu)件，不用鉚接的工藝。

如波音公司的F15戰(zhàn)斗機的起動減速板。由500個零件裝配而成，約為3個月。高速加工，整體銑削，僅需幾天。

114高速銑削典型工件鋁合金整體零件：

整體零件“掏空”，切除量大零件有薄壁，要求小切削力小直徑刀具較長的刀具懸伸115

（2）汽車工業(yè)領域

大批生產(chǎn)領域中鑄鐵和剛的高速切削。采用高速數(shù)控機床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)116

（3）模具工具工業(yè)領域簡化加工手段，縮短加工周期，提高加工效率，降低成本。可以直接在淬硬材料加工?？梢赃_到高表面質(zhì)量。省去了電加工，研磨和拋光的工序。鍛模和鑄模經(jīng)超高速切削即可。超高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍。采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修117b）高速模具加工的過程圖

兩種模具加工過程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修a）傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修電極制造★對于復雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。118119

高速切削加工電火花加工用工具電極比普通加工快12倍，而且不需要手工修整。如圖中的銅電極，粗銑：主軸轉(zhuǎn)速35000r/min，進給速度6m/min;精銑：40000m/min，進給速度8m/min。整體加工時間為29min，提高了工具電極的加工速度。

120

（4）難加工材料領域。硬金屬材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可達IT5~IT6級，粗糙度可達0.2～1微米。

（5）超精密微細切削加工領域。電路板上有許多0.5mm左右的小孔，用高速加工。

121高速切削加工：粗銑整體鋁板；精銑去口；鉆680個直徑為3mm的小孔。時間為32min。122三、高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

高速主軸、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、先進的機床結(jié)構(gòu)、高速加工刀具等。

1.高速主軸

最關(guān)鍵部件。超高速化指標：dn值，至少達到1×106。目前，轉(zhuǎn)速范圍為10000～25000r/min，進給速度達到10m/min以上。

電主軸：交流伺服電動機內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝在機床的主軸上，定子安裝在主軸單元的殼體中，采用水冷或油冷。精度高、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

采用的軸承有：滾動軸承、氣體靜壓軸承、液體靜壓軸承、磁浮軸承。

電主軸：交流伺服電動機內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝在機床的主軸上，定子安裝在主軸單元的殼體中，采用水冷或油冷。精度高、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

采用的軸承有：滾動軸承、氣體靜壓軸承、液體靜壓軸承、磁浮軸承。

電主軸：交流伺服電動機內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝在機床的主軸上，定子安裝在主軸單元的殼體中，采用水冷或油冷。精度高、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

采用的軸承有：滾動軸承、氣體靜壓軸承、液體靜壓軸承、磁浮軸承。123陶瓷軸承超高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)124采用電動主軸（電機與主軸作成一體）；采用C或B級精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類似；采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4；與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點是：

◎陶瓷球密度減小60%，從而可大大降低離心力；

◎陶瓷彈性模量比鋼高50%，使軸承具有更高剛度；

◎陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失；

◎陶瓷耐磨性好，軸承壽命長。軸承轉(zhuǎn)速特征值（=軸徑（mm）×轉(zhuǎn)速（r/min））較普通鋼軸承提高1.2～2倍，可達0.5～1×106。陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征125◆電磁鐵繞組通過電流I0，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力F，與轉(zhuǎn)子重量平衡，轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置。轉(zhuǎn)子受擾動后，偏離其平衡位置。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子位移，將位移信號送至控制器。控制器將位移信號轉(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)功放變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置磁浮軸承高速主軸◆位移傳感器通常為非接觸式，其數(shù)量一般為5-7個，對其靈敏度和可靠性要求均較高?！艨刂破髟O計較復雜，使磁懸浮軸承成本較高（一套磁懸浮軸承售價約1萬美元）。放大器電磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子磁懸浮軸承工作原理控制器126前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器磁浮軸承超高速主軸磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)127主軸由兩個徑向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。轉(zhuǎn)速特征值可達4×106?；剞D(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達0.2μm。機械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。磁浮軸承主軸特點128

2.快速進給系統(tǒng)

機床工作臺要有很高進給速度為60m/min以上，特殊情況可達120m/min，甚至更高；

高加速度，一般要求1～2g，特殊可達到2～10g；高精度；

高可靠性和高安全性；

合理的成本。

129

2.快速進給系統(tǒng)伺副電動機+大導程超高速精密滾珠絲杠副。用于中小載荷、中小速度（10～40m/min）和中小加速度（0.5～1.0g）的場合。

直流直線電機、交流永磁同步直線電動機、交流感應異步直線電動機的進給系統(tǒng)。

直線電機：進給速度可達160m/min，加速度可達2.5-10g。消除了機械傳動間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機床進給傳動的基本形式。用于高檔超高速加工中心?？梢韵龣C械傳動系統(tǒng)的間隙和彈性變形。130

3.高性能的CNC控制系統(tǒng)

要有很高的運算速度和精度，以及快速響應的伺服控制。32位或64位CPU，計算機處理軟件。幾何補償軟件。131

4.先進的機床機構(gòu)

安全保障系統(tǒng)：在線監(jiān)控系統(tǒng)，來監(jiān)測刀具的破損；用足夠厚鋼板做安全罩，用防彈玻璃做觀察窗。

床身和工作臺的要求：高的動、靜剛度和抗振性；好的精度保持性；更好的抗熱變形能力。采取的措施：床身、立柱、橫梁、工作臺等基礎件一般采用整體鑄造；多應用高強度鑄鐵、聚合物混凝土、大理石等材料。

并聯(lián)機床1325.超高速加工刀具

對刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮花硼刀具。

133

天然金剛石

天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，根據(jù)其質(zhì)量不同，硬度范圍為HV8000-12000。天然金剛石耐磨性極好，刀具壽命可長達數(shù)百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達0.01μm。天然金剛石耐熱性為700-800℃，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。天然金剛石價格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。134

聚晶金剛石人造金剛石是在高溫高壓條件下，借助于某些合金觸媒的作用，由石墨轉(zhuǎn)化而成金剛石粉。在高溫高壓下，金剛石粉經(jīng)二次壓制形成聚晶金剛石（20世紀60年代出現(xiàn)）。聚晶金剛石不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-8000。聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損。135較高的硬度和耐磨性：

PCBN硬度HV3000-5000。切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍?！鬚CBN切削性能

聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年問世高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具136良好的化學穩(wěn)定性

1200-1300℃與鐵系材料不發(fā)生化學反應；2000℃才與碳發(fā)生化學反應；對各種材料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料。較低的摩擦系數(shù)

CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.3（硬質(zhì)合金為0.4-0.6），且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小，加工表面質(zhì)量提高。137作業(yè)：

1.在怎樣的速度范圍下進行加工屬于高速加工？

2.繪制出薩洛蒙曲線？說明其意義？

3.高速切削加工的優(yōu)點有哪些？應用在哪些領域？

4.高速機床和普通數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上有哪些區(qū)別？138

本節(jié)要點快速原型制造的工作原理、工藝過程方法：立體印刷SLA、選擇性激光燒結(jié)SLS、分層實體制造LOM、熔融沉積成形FDM第四節(jié)快速原型制造技術(shù)

RapidPrototypingManufacturing

139一、RPM技術(shù)的產(chǎn)生

進入20世紀后期，市場環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。一方面表現(xiàn)為消費者需求日趨主體化、個性化和多樣化；另一方面則是產(chǎn)品制造商們都著眼于全球市場的激烈競爭。面對市場，產(chǎn)品制造商們不但要很快地設計出符合人們消費需求的產(chǎn)品，而且必須很快地生產(chǎn)制造出來，搶占市場。與此同時，計算機、微電子、信息、自動化、新材料、和現(xiàn)代企業(yè)管理技術(shù)的發(fā)展日新月異，制造工程與科學取得了前所未有的成就。快速成型技術(shù)就是在這種背景下逐步形成并得到飛速的發(fā)展。140

1988年，世界上第一臺快速成型機誕生于美國。

傳統(tǒng)方法中制造產(chǎn)品原型需要幾周或幾個月以及高昂的費用，而快速成型技術(shù)的發(fā)展，使得產(chǎn)品設計、制造的周期大大縮短，可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接地實現(xiàn)產(chǎn)品（或零件）的單件生產(chǎn)，從而給制造業(yè)帶來了根本性的變化。我國92年進入RPM領域；清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京隆源等單位在RMP設備、材料和軟件方面先后完成了開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程；我國RPM許多關(guān)鍵技術(shù)達到或領先國際先進水平。141二、RPM技術(shù)原理屬于離散/堆積成形。通過離散獲得堆積的路徑、順序和方式，通過堆積材料疊加起來形成三維實體。構(gòu)造三維模型，分層切片，截面輪廓①激光束選擇性切割一層層的紙；②固化一層層的固化樹脂；

③燒結(jié)一層層的粉末材料；④選擇性噴射一層層的熱熔材料。各截面疊加堆積。RPS分層切片STL文件CAD模型三維數(shù)字化儀等CAD造型系統(tǒng)142CAD建模分層層面信息處理層面加工與層層堆積后處理根據(jù)每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu)由CAD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習慣稱為分層）成形機制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實體三、RPM工藝過程1431.立體印刷法－StereoLithographyApparatusSLA又稱立體光刻、光固化立體造型、激光印刷

SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3DSystem公司推出的商品化樣機SLA—1，是世界上第一臺快速原型技術(shù)成形機。目前，SLA各型成形機占據(jù)著RP設備市場的較大份額。

四、典型RPM成形方法

144立體印刷的基本原理

基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理。將激光聚集到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面逐點掃描，令其有規(guī)律地固化，由點到線到面，完成一個層面的建造。而后升降移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，進行第二層掃描，再建造一個層面，第二層就牢固地粘貼到第一層上，由此層層迭加成為一個三維實體。145立體印刷(SLA)的特點

鼠標外殼激

光樹脂原型照相機激光樹脂原型

SLA方法是目前快速成形技術(shù)領域中研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。特點：

SLA工藝成形的零件精度較高，能達到0.1mm；產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學實驗。需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂價格昂貴，有一定的毒性；且產(chǎn)品不能溶解，不利于環(huán)保。146

選擇性激光燒結(jié)工藝由美國德克薩斯大學于1989年研制成功，已被美國DTM公司商品化，推出SLSModel125成形機。

我國的北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司也分別推出了各自的SLS工藝成形機。2.選擇性激光燒結(jié)法（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）147選擇性激光燒結(jié)的基本原理

SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。先在工作臺上鋪上一層有很好密實度和平整度的粉末，用高強度的CO2激光器在上面掃描出零件截面，有選擇地將粉末熔化或粘接，形成一個層面，利用滾子鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘接成另一個層面并與原層面熔結(jié)或粘接，如此層層疊加為一個三維實體。148選擇性激光燒結(jié)（SLS）的產(chǎn)品特點

1.材料適應面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以制造出能直接使用的金屬零件。

2.SLS工藝不需加支撐，因為沒有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。

3.精度不高。表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。149

LOM工藝由美國Helisys公司于1986年研制成功。這種方法的代表是美國Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形機。3.分層實體制作成形法LaminatedObjectManufacturing，簡稱LOM150分層實體制作的基本原理

切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。通過升降平臺的移動和箔材的送給,并利用熱壓輥輾壓將后鋪的箔材與先前的層片粘接在一起，再切割出新的層片。這樣層層迭加后得到下一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。

151分層實體制作的特點

LOM可制作一些激光立體固化成形法難以制作的大型零件和厚壁樣件，且制作成本低廉、速度高。（1）使用膠紙作為成型材料；

（2）低成本：原材料易于獲得

（3）大尺