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1、金加 论 坛M E T A L W O R K I N GF O R U M20 0 8年 第 3 期57汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M1超精密加工的技术范畴 由 于 加 工 技 术 水 平 的 发 展 ，超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状 误 差和 表 面 粗 糙 度 Ra的 数 量级 可 分 为 以 下 档 次 。 精 密 加 工 ：=1.00.1 m，Ra=0.10.03 m；超精密加工：=0.10.01 m ，Ra=0.030.005 m；纳微米加工：0.01 m，Ra0.005 m。随着科学
2、技术的飞速发展，超精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等，并向更高层次发展。 超精密加工的影响因素很多，只有广泛研究和综合采用各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。2超精密加工的关键技术2.1 主轴 机床的主轴在加工过程中直接带动工件或刀具运动，故主轴的回转 精 度 直 接 影 响 到 工 件 的 加 工 精度。现在
3、超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承，其实用精度可达0.05 m ，但还不能满足纳米级加工的要求。近年来磁悬浮轴承的发展非常迅速，有望在未来有所突破，但目前还达不到空气静压轴承的精度。而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度，因为理论上这两者是成正比的。另外，还要想办法提高气孔供气的平稳性。通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式，有待进一步研究。此外，还可以利用控制技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。2.2 直线导轨 总的来说，从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。虽然它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮 导 轨 优 点 也 很 明 显 ， 如 无 需
4、进行油温控制，对环境没有污染。此外，纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。目前，空气导轨的直线度可达（ 0.10.2 ） m/250 mm，国内303所也可做到0.1 m/200 mm的水平。纳米水平的机床导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度。国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到0.1 m/300 mm 的精度水平。在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。由于空气导轨的气膜厚度大概只有10 m，在使用过程中防尘显得很重要，若不保证洁净的
5、环境，导轨有可能因为灰尘而受损伤，这种损伤常常是难超精密加工的关键技术及发展趋势 超精密加工是在超精密机床设备上利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和极低表面粗糙度的加工过程，其精度从微米到亚微米，乃至纳米。它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节。而且，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。黑龙江工程学院 陈树海 哈尔滨工程大学机电工程学院 任文超名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
6、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 金加 论 坛M E T A L W O R K I N GF O R U M金属加工汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2 008 年 第 3期58以修复的。2.3 传动系统 传统进给装置的主要任务之一是把旋转运动转化成直线运动，主要使用滚珠丝杠。与轴承一样，为了克服摩擦引起的爬行和反向间隙现象，出现了静压丝杠。由于介质膜的均化作用，目前的空气静压丝杠分辨率可达到0.01 m ，进给精度比 C0 级滚珠丝杠高2 个数量级，但刚度有所欠缺。所以，又出现了传动原理类似齿轮齿条传动的摩擦传动，它
7、能够实现无反向间隙的传动，同时因为结构非常简单，弹性变形因素较小。目前，已有的摩擦传动分辨率能达到1.25 nm ，定位精度能达到0.1 m，而根据其原理，采用高分辨率的电机还可以使这两个数值进一步减小。微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用作补偿工具。用压电陶瓷驱动、弹性铰链支撑的微位移机构得到了广泛的应用。2.4 超精密测控技术 在距离的测量仪器中，双频激光干涉仪测量精度高、测量范围大，但对环境的要求过高，在使用中有很多困难。近年来，微光学器件的发展使光栅技术有了很大的进步。德国Heidenhain 的超精密光栅尺被世界各超精密设备厂家选用。在小距离的测量仪器中，电容式、电感式
8、测微仪仍是主要的设备，光纤测微仪也发展很快。在更小测量范围的测量仪器中有扫描隧道显微镜（STM ）、扫描电子显微镜、原子力显微镜，这些仪器可进行纳米级的测量，常用于表面质量检测。测量仪器的稳定性和可靠性也是超精密测量中的一项十分重要的指标。2.5 微进给技术 微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用来微进给或作补偿工具。压电陶瓷材料具有较好的微位移特性和可控制性。以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支撑的微位移机构目前是用得最多的。美国LODTM 机床上用的快速刀具伺服机构（FTS ）在 1.27 m 范围内分辨率达2.5 nm，频响可达100 Hz ，可进行主轴回转误差的补偿（转速在
9、150 r/min 以下）。日本东京工业大学用压电陶瓷微进给机构补偿气浮导轨运动直线度，可将直线度提高到0.14 m/600 mm。国防科技大学利用自研的二维微进给刀具进行二坐标工作台定位误差的补偿，获得了较好的效果。在机床跟踪半径 50 mm的圆时，定位误差从0.7 m 提高到 0.033 m。这种微进给机构在行程是5 m时分辨率可达5 nm 。目前希望解决的是提高这种机构的频响和刚度，对于主轴回转误差的补偿来说100 Hz的频响是不够的。开环控制可提高系统的频响，但会牺牲刚性和精度。利用补偿技术来提高机床的精度是一种有效的手段。2.6 超精密环境控制技术 为了适应超精密加工的需要，达到微米
10、甚至纳米级的加工精度，必须对它的支撑环境加以严格的控制，主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等。空气 环 境 中 主 要 应 控 制 的 品 质 是 洁净 度 ， 一 般 超 精 密 加 工 要 求 的 洁净度在 1 000100级，即每立方米空间 0.5 m大小的尘埃不多于35 1 00035 100 个(1ft3的空间 0.5 m大小的尘埃不多于1 000100个)。随着半导体工业的快速发展，对空气洁净度提出了更加苛刻的要求，美国联邦标准209D 上增加了1级和10级的洁净度级别。 热环境与加工精度有密切关系，热环境中主要应控制的品质为温度和湿度。普通金属在温度变化1 时的热
11、膨胀量约为1.6 m，所以为进行亚微米精度的加工，温度变动范围应控制在 0.05 ，相对湿度控制在35%45% 为宜。目前，实用的温度控制技术最高水平为美国的恒温油喷淋技术，可实现200.002 5 的温度控制。 振动是影响超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空气隔振垫，可以隔离绝大部分“ 常时振动 ” ，是目前应用较多的隔振手段。另外，还应考虑设备运动件的动平衡或振动隔离，消除或减少内部振源，尽量远离外部振源。通过综合努力，70 Hz 以下的振动幅度小于 1 m，满足超精密加工的要求。2.7 加工原理 超精密加工的精度要求越来越高，机床相对工件的精度裕度已很小。在这种情况下，只
12、是靠改进原来的技术是很难提高的，应该从工作原理着手进行研究，来寻求解决办法。从这种意义上说，没有必要一定要采用原来的通过固定磨料去加工的方法，而可以采用不用刀具的研磨，通过游离磨料去除材料。还可采用各种能量束的加工方法。在采用能量束直接进行的加工中，无需刀具等中间物，也就不会有弹性变形等问题，因此被看作是很好的加工方法，特别是将来进行纳米级、 0.1 nm级甚至分子级的加工时，这种方法将是极为有效的。使用 ST M 方 式 的 能 量 束 加 工 已 能 进行分子级的加工。因此从微细加工方面来看，最终的加工目标已经确立。分子单位的加工，在生物和基因工程学、医学上是合适的，对机名师资料总结 -
13、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 生产 现 场S HOPS OL UT IO NS20 0 8年 第 3 期59汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 机械零件加工过程中，切削用量的选择恰当与否将直接影响到成品质量、加工效率、加工成本等。然而，由于影响切削用量的因素繁多，影响因素之间又相互交叉、相互制约，因而确定最佳切削用量较为困难。随着新技术、新工艺的不断发展，涂层刀具和刀片因具有光滑、致密、硬度高、耐高温、耐磨损、抗氧化以及附着力
14、强的特点，使得许多钢件和铸件在实现高速切削 的 同 时 ， 又 有 效 提 高 了 生 产 效率，降低了生产成本，因此已经被越来越多的工厂采用并应用于生产中。1两种工艺方案对比 图 1为公司双 H壳体 F96194工件，材料 HT200 ，硬度 170241 HBS ，加工面为 “ 回” 字形毛坯面，要求加工表面平面度误差小于 0.05 mm。1.1 方案一 设备：数控铣床DXK45 ；夹具：SX46-04001；刀具：锥柄立铣刀63 mm ，齿数 5，刀片材质 YW2 ；切削用量：主轴转速700 r/min ，进给量300 mm/min。 加工状况：粗、精铣两刀，转圈铣。加工后工件的表面平面
15、度均小于 0.05 mm 。 工艺分析：硬质合金刀片YW2的使用强度较高，硬度也较大，能承受较大的冲击负荷，但耐磨性和允许的切削速度不是很大，现场发现加工零件少，刀片磨损严重，耐用度下降很快。若将进给量降低，减少每齿进刀量，提高刀片使用寿命，则工件加工时间会成反比关系延长。例如，进给量降低50% ，切削时间将会增加 1倍。1.2 方案二 设备：立式加工中心VB715 ；夹具： SX46-04001；刀具：锥柄立铣刀50 mm ，齿数 4，刀片材质 GM43（TiN 涂层）；切削用量：主轴转速 1 200 r/min ，进给量 500 mm/min 。 加工状况：转圈铣1刀。加工后工件的表面平面度均小于0.03 mm 。涂层刀片的铣削性能分析及工艺推广 对比分析了涂层铣刀片和一般硬质合金铣刀片在铣削铸件时的不同切削参数，阐述了切削参数对工件质量和刀片耐用度的影响，提出了合理选择切削参数的原则。陕西法士特齿轮有限责任公司 刘兰亭图1A T&M名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -