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1、超高速与超精密加工超高速与超精密加工技术技术超精密加工技术概述超精密加工方法超精密加工的主要影响因素超精密加工的现状超精密加工的发展趋势概概 述述 一、一、超精超精密加工的密加工的概念概念 在机械加工领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方法的总称。目前，如果从零件的加工精度来划分的话，可以把亚微米以上精度（尺寸精度高于0.1m，Ra小于0.025m）的加工方法称为超精密加工。实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材料等问题，人们把这种技术总称为超精工程。二、不同时期的精密和超精密加工的精度20世纪50年代前精密加工精度5m以上超
2、精密加工精度1m以上20世纪50年代后精密加工精度3-5m超精密加工精度1m20世纪70年代精密加工精度1m超精密加工精度0.1m目前精密加工精度0.1m超精密加工精度0.01-0.001m三、超精密加工的范畴三、超精密加工的范畴超精密加工的范畴：1、微细加工2、超微细加工3、光整加工4、精整加工四、超精密加工的应用超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度发展。超精密加工技术主要应用于：尖端技术、国防工业、微电子工业、激光技
3、术、航空航天、卫星、计量、光学仪器、大规模集成电路、民用产品等。超精密加工的方法一、超精密切削二、超精密磨削三、超精密特种加工四、复合加工一、超精密切削 超精密切削主要是指金刚石超精密切削，金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，而且表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。这些零件的加工精度可用表说明。中小型精密幂件的加工精度 二、超精密磨削超精密磨削(包括研磨和抛光)超精密磨削加工固体磨料加工固结磨具精密砂轮磨
4、削油石研磨精密珩磨涂覆磨具砂带磨削砂带研抛游离磨料加工精密研磨精密抛光三、超精密特种加工 三、超精密加工的主要影响因素影响超精密加工的因素很多，主要有超精密加工机床、超精密加工刀具、被加工材料、超精密测量、加工环境等。（1）超精密加工机床超精密加工机床是实现超精密加工的首要条件。它应满足如下要求：1）高精度包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴的回转精度、导轨运动精度、分度精度等。2）高刚度包括静刚度、动刚度和热刚度，与此同时，还应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度以及接触刚度。3）高稳定性要求设备能经得起运输、存储考验，在使用过
5、程中应能长时间保持高精度，抗干扰、抗振动，有良好的耐磨性，稳定工作。4）高自动化为了保证质量，减少人为因素影响，设备应用数控系统实现自动化。（2）超精密加工刀具为实现超精密切削所要保证的加工精度和表面质量，超精密切削刀具应满足如下两方面要求。（1）刀具切削部分的几何要求1）刃口能磨得极其锋锐，刃口钝圆半径值极小，能实现超薄切削。2）具有不产生走到痕迹、强度高、切削阻力非常小的刀具切削部分几何形状。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。（2）刀具材料的物理及化学性能1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。2）和工件材料的抗
6、粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。目前超精密切削中一般都使用单晶体金刚石特别是天然单晶体金刚石刀具。这主要是因为天然单晶体金刚石有着一系列优异的特性，能满足超精密切削加工对刀具材料的要求。美国在20世纪50年代末，首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术加工，称SPTD（SinglePointDiamondTurning）。在超精密发展的初期，人们把金刚石刀具切削和超精密切削等同起来。金刚石刀具的特点：1.硬度自然界最高，耐磨性能极好2.能磨出极其锋利的刀刃3.导热性能好4.和有色金属摩擦系数低5.金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同晶面和不同方向的摩擦系数和耐磨性能不同
7、。6.设计制造金刚石刀具时，必须首先进行晶体定向。7.金刚石刀具一般带修光刃，有直线修光刃和圆弧修光刃。8.天然金刚石刀具(单晶金刚石)是超精密加工的唯一理想的刀具。（3）工件材料用于朝精密加工的材料，其化学成分应准确、质地均匀、无杂质；物理力学性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；加工工艺性能也要有严格的要求。冶炼、铸造、轧碾、热处理等过程必须严格控制，温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料的物理、化学及加工性能均有很大影响。超精密加工用的材料，其化学成分误差应在数量级，且不能含有杂质；其物理学性能应达到数量级；其冶炼、铸造、轧碾、热处理等工艺过程均应严格控制。一般来说，材料的刚度
8、高、导热性好、热膨胀系数低对提高材料加工过程中的精度是有利的。（4）超精密测量精密加工技术和测量技术总是紧密相关的，因为没有高精度的测量手段，就不能评价超精密切削加工精度。通常，测量仪器的精度比加工精度高一个数量级。对于高精度的尺寸、几何形状及位置要求等，可采用分辨率为0.01-0.001的电感测微仪以及激光干涉仪等来检测；主轴回转精度可用电容测微仪来测量；导轨直线度可用自准值仪、激光干涉仪来测量；表面形貌及表面粗糙度可用表面轮廓仪、隧道显微镜来测量；表面层的应力、变质层、微裂纹等缺陷可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。随着科学技术的发展接触式测量技术逐步向非接触式传感测量技术发展。（5）加工
9、环境超精密加工不仅要有精密的加工设备、加工刀具以及超精密测量仪器和手段，高稳定性的加工环境也是保证超加工精度的主要因素。加工环境主要有温度、湿度、净化和防震等方面的要求。环境温度可根据不同加工要求控制在20摄氏度左右，并采用专门恒温室和恒温罩的局部恒温来达到恒温要求。在恒温室内，湿度一般保持在55%-60%，以防止设备锈蚀以及一些仪器的影响（如激光干涉仪的零点漂移等）。超精密加工应在高洁净室内进行。灰尘的混入会使工件表面划伤，使工件精度受到影响，为此要进行空气的净化处理。根据加工性质与加工零件要求的不同，通常要求洁净度为你100-10000级。（即每立方英尺体积中直径大于0.5 m的灰尘粒不得
10、超过100-10000个）。在超精密切削加工中，振动对加工精度、表面粗糙度均有较大影响，且会降低金刚石刀具的使用寿命。其中，机床振动已有本身解决，而为防止由外界传入的振动，就需要将加工设备安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，同时可将加工设备放在空气弹簧垫上来隔离低频振动。超精密加工有时还需要一些特殊工作环境，如防磁、防静电、防电子辐射、防X射线、防原子辐射等，则可根据需要进行整体环境或局部环境的处理。超精密加工的现状超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国是最早也是迄今处于世界领先地位的研究超精密加工
11、技术的国家。早在20世纪50年代末美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削加工技术，即“SPDT技术”，并开发了相应的空气轴承主轴的超精密机床。该国还先后研制出多种不同规模的CNC超精密车床，代表当代最高水平的CNC超精密金刚石车床LODTM于1984在美国劳伦斯.利佛莫尔(LawrenceLivemoreLaboratory)国家实验室研制成功，其加工精度可达0.25 m，表面粗糙度Ra值可达0.0076 m，至今仍是世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。LODTM大型光学金刚石车床1.可加工1625500、重量1360Kg的大型金属反射镜等大型零件2.采用立式结构和空气轴承
12、3.刀具可以实现纳米级微位移4.采用7路高分辨力双频激光测量系统，分辨力达到0.625nm，采用了误差补偿技术5.为减小热变形的影响，机床各发热部件用大量恒温水冷却，水温度控制极其严格6.整台机床用4个大空气弹簧支撑英国也是研究超精密加工技术较早的国家之一，英国Cranfeild大学的精密工程研究所享有较高的声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密切削加工技术的独特代表。OAGM2500大型超精密机床1.用于精密磨削X射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量2.最 大 加 工 尺 寸 为：25002500610有2500的高精度回转工作台3.采用卧式结构4.采用激光
13、双频测量器，分辨力达到2.5nm5.磨头和测量头采用空气轴承6.工作台用人造花岗石7.用大量恒温水冷却超精密加工技术的发展趋势1、高精度和高效率2、大型化和微型化3、加工测量一体化4、新材料5、多功能、模块化和廉价化超高速加工技术一、概述二、超高速加工的机理三、超高速加工的关键技术四、超高速加工的现状五、超高速加工的发展趋势一、概述1、超高速加工的概念、超高速加工的概念 超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。一般认为超高速加工是采用超硬材料的刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地
14、提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。2、超高速切削的速度范围1.高速加工切削速度的范围超高速加工切削速度范超高速加工切削速度范围围因不同的因不同的工件材料工件材料而异而异 铝合金(Aluminum Alloy)：1600m/min以上 铜(Cu)：900-5000 m/min 钢(Steel)：500-2000 m/min 灰铸铁(Gray cast iron)：1500m/min以上 钛(Ti)：150-1000m/min超高速加工切削速度范超高速加工切削速度范围围随随加工方法加工方法不同也有所不同不同也有所不同 车削(Turing)：700-7000 m/min
15、铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：250 m/s以上 镗削（Boring）：35-75m/min3、超高速加工的特点1、切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；2、材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；3、加工精度高 切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小；4、热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；5、减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmachining）；6、超高速
16、切削可以加工难加工的材料例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛合金，在普通加工中一般采用很低的切削速度，若采用超高速切削，则其切削速度可达到100-1000m/min，是常规切削速度的10倍左右。超高速加工的机理 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-speedCutting）:采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。超高速磨削（SuperHigh-speedgrinding）：是一种先进的高速磨削技术，它集成了高速磨削、CBN超硬磨料及CNC车削技术，具有优良的加工性能。1、超高速切削机理德国切削物理学家CarlSalmon博士1929
17、年进行了超高速模拟实验切削适应区图1Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金85016001200800400切 削 温 度/切削适应区非铁金属在在19311931年年4 4月，根据月，根据实验实验曲曲线线，提出著名的，提出著名的“萨萨洛蒙曲洛蒙曲线线”和高速切削理和高速切削理论论。图2切削速度变化和切削温度的关系高速切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下温度最高。分为三个切削速度区：（1）常规的切削速度区：切削温度随着
18、切削速度的增大而提高；（2）不能切削区：此区切削速度下，切削温度过高，刀具不能承受；（3）高速切削区：当切削温度达到某一数值后，切削温度不再升高，反而随着切削速度的升高呈下降趋势，切削温度降到刀具能承受的切削速度时，即为高速切削的最低速度。给我们的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”（B区）在超高速切削区内（C区）进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。但是实验表明：萨洛蒙超高速切削理论并不适用于所有的加工材料，有些材料在超高速切削时不存在不能切削区。2、超高速磨削的机理在保持其他参数不变的情况下，随着磨削速度的大幅度提高，单位时间内参与切削的
19、磨粒数增加，每个磨粒切下的最大磨屑厚度变小，磨屑变得非常细薄，这就会导致每个磨粒承受的磨削力大大变小，总切削力降低。但若使最大磨屑厚度保持不变，增大切削速度，由于单位时间内参与切削的磨粒数增加，磨除的磨屑增多，磨削效率会大大提高。超高速切削加工的关键技术1、超高速切削刀具技术2、超高速切削机床技术3、超高速切削工艺技术4、超高速切削加工测试技术高速磨削的关键技术(1)超高速磨削砂轮技术；(2)超高速磨床主轴及其轴承技术；(3)砂轮、工件安装定位及安全防护技术；(4)磨削液及其供给技术；(5)磨削状态检测及数控技术。超高速加工的现状一、超高速切削技术的现状工业发达国家较早就开展了超高速切削加工的
20、研究，德国、日本、美国和意大利等国的研究水平处于领先地位。自20年代Saloman提出高速加工(HighSpeedCutting,简称HSC)的概念后,超高速加工在德国得到了快速的发展。自20世纪80年代中期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻床乃至各种超高速加工中心等。HSM600U型数控五轴高速加工中心型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高主轴转速：最高42000 r/min 主轴功率：主轴功率：13 KW 进给速度：最高进给速度：最高40 m/min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重复定
21、位精度：重复定位精度：0.005mm日本的工业界善于吸收世界各国的研究成果，并迅速应用到其产品开发中去。在超高速机床的研制和生产方面日本后来居上。20世纪90年代以来，日本的机床制造厂推出了不少超高速切削加工中心和各种数控铣床，其主轴最高转速达20000-10000r/min，主传动功率为10-40kw，工作台最大进给和快速空程速度为15-75m/min，并已成为世界上超高速机床的主要提供者。我国有关单位在研究和开发超高速机床加工技术亦取得不小进步。沈阳工学院研制超高速车铣床已取得阶段性成果。北京机床研究所生产出主轴转速达8000r/min、功率达7kw的立式加工中心。同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动特性和直线电机的应用技术进行了系统的研究。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴承,建立了超高速磨削实验台,能进行200m/s的磨削加工试验。然而，我国在超高速切削加工技术方面的总体同国外相比尚有较大差距。超高速加工的发展趋势（1）扩大材料加工范围；（2）实现安全防护和远程监控；（3）节省能源,实现绿色加工；（4）拓展超高速加工方法的种类；（5）采用高精度定位系统；（6）改善研究和试验条件。