现代制造工艺技术.pptx

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1、第二章第二章 现代制造工艺技术现代制造工艺技术2.1 超高速切削技术 2.2 高效磨削技术2.3 精密和超精密加工技术2.4 微细加工技术2.5 快速制造技术第1页/共95页2.1 超高速切削技术超高速切削技术 2.1.1 2.1.1 超高速切削技术的内涵超高速切削技术的内涵 德国人德国人Carl SalmonCarl Salmon博士于博士于19311931年年4 4月提出了月提出了超高速切削超高速切削技术技术，并作出了，并作出了Carl SalmonCarl Salmon曲线（图曲线（图2 21 1）图21 Carl Salmon曲线曲线第2页/共95页2.1.1 超高速切削技术的内涵超高

2、速切削技术的内涵 实实践践证证明明，切切削削速速度度提提高高1010倍倍、进进给给速速度度提提高高2020倍倍，远远远远超超越越传传统统的的切切削削“禁禁区区”（图图2-12-1中中的的不不可可切切削削区区）后后，切切削削机机理理发发生生了了根根本本的的变变化化。其其显显著著标标志志是是使使被被加加工工塑塑性性金金属属材材料料在在切切除除过过程程中中的的剪剪切切滑滑移移速速度度达达到到或或超超过过某某一一阈阈值值，开开始始趋趋向向最最佳佳切切除除条条件件，因因而而被被加加工工材材料料切切除除所所消消耗耗的的能能量量、切切削削力力、工工件件表表面面温温度度、刀刀具具磨磨具具磨磨损损、加加工工表表

3、面面质质量量等等均均明明显显优优于于传传统统切切削削速速度度下下的指标，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。的指标，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。结结果果是是单单位位功功率率的的金金属属切切除除率率提提高高了了30%30%40%40%，切切削削力力降降低低了了30%30%，刀刀具具的的使使用用寿寿命命提提高高了了70%70%，留留于于工工件件的的切切削削热热量量大大幅幅度度降降低低，切切削削振振动动几几乎乎消消失失。切切削削加加工工发发生生了了本本质质性性的的飞飞跃跃，一一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。因因此此，超

4、超高高速速切切削削技技术术是是2121世世纪纪切切削削加加工工领领域域的的重重大大技技术术课题之一，是切削加工领域新的里程碑。课题之一，是切削加工领域新的里程碑。第3页/共95页2.1.1 超高速切削技术的内涵超高速切削技术的内涵 目前世界上还没有对超高速切削技术有严格的定义。一般认为是：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大的提高切削速度(比常规高10倍左右)来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的一种集高效、优质和低耗于一身的现代制造工艺技术。第4页/共95页2.1.1 超高速切削技术的内涵超高速切削技术的内涵 超超高高速速切切削削中中的

5、的“超超高高速速”是是一一个个相相对对概概念念，不不能能简简 单单 地地 用用 某某 一一 具具 体体 切切 削削 速速 度度 或或 主主 轴轴 转转 速速 数数 值值 来来 定定 义义。德德 国国DarmstadtDarmstadt工工业业大大学学给给出出了了7 7种种常常用用材材料料的的超超高高速速切切削削加加工工的的速速度度范围如表范围如表2-12-1。不同加工方法：不同加工方法：车削车削：70070070007000m/minm/min；铣削铣削：30030060006000m/minm/min；钻削钻削：20020011001100m/minm/min；磨削磨削：高于：高于15015

6、0m/sm/s。第5页/共95页2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点 1.1.加工效率高加工效率高 切削速度：切削速度：传统加工的传统加工的1010倍倍；进给速度：进给速度：传统加工的传统加工的5 51010倍倍；材料切除率材料切除率 ：提高提高3 36 6倍倍；加工时间：加工时间：传统加工的传统加工的1/31/3.2.2.切削力小、刀具寿命长切削力小、刀具寿命长 切削力至少切削力至少下降下降30%30%；可减少加工变形，提高；可减少加工变形，提高零件的加工精度；单位功率材料切除率可零件的加工精度；单位功率材料切除率可提高约提高约40%40%；刀具寿命刀具寿命提高约提高约70%

7、70%。在切削速度方面，超高速切削比常规切削的切削速度几乎高了一个数量在切削速度方面，超高速切削比常规切削的切削速度几乎高了一个数量级；在切削原理上突破了对传统切削的认识。由于切削机理的改变，使得高级；在切削原理上突破了对传统切削的认识。由于切削机理的改变，使得高速切削表现了以下几个特点：速切削表现了以下几个特点：第6页/共95页2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点 3.3.3.3.热变形小热变形小热变形小热变形小 加工过程极为迅速，加工过程极为迅速，加工过程极为迅速，加工过程极为迅速，切屑带走切屑带走切屑带走切屑带走95%95%95%95%的热量的热量的热量的热量，热变，热变

8、，热变，热变形小；因而适合加工易发生热变形的工件形小；因而适合加工易发生热变形的工件形小；因而适合加工易发生热变形的工件形小；因而适合加工易发生热变形的工件.4.4.4.4.加工精度高、表面质量好加工精度高、表面质量好加工精度高、表面质量好加工精度高、表面质量好 切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零件表面的残余应力下降，从而件表面的残余应力下降，从而件表面的残余应力下降，从而件表面的残余应力下降，从而容易保证工件的尺寸精度和表面质容易保证工

9、件的尺寸精度和表面质容易保证工件的尺寸精度和表面质容易保证工件的尺寸精度和表面质量。量。量。量。5.5.5.5.加工过程稳定加工过程稳定加工过程稳定加工过程稳定 激振频率远远高于工艺系统固有频率激振频率远远高于工艺系统固有频率，不会造成，不会造成工艺系统振动；因而加工过程平稳。工艺系统振动；因而加工过程平稳。第7页/共95页2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点 6.6.6.6.能加工各种难加工材料能加工各种难加工材料能加工各种难加工材料能加工各种难加工材料 例如航空和动力部门大量采用例如航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金镍基合金和钛合金，现在采现在采用用超高速切削超高速切削

10、，其切削速度为常规切削速度的，其切削速度为常规切削速度的10 10 倍左右，不仅大倍左右，不仅大幅度幅度提高生产率提高生产率，而且可有效地，而且可有效地减少刀具磨损减少刀具磨损。7.7.7.7.加工成本低加工成本低加工成本低加工成本低 单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短，从而有效地短，从而有效地提高了能源和设备利用率提高了能源和设备利用率，降低了生产成本降低了生产成本。第8页/共95页2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用 1.1.1.1.汽车领域汽车领域汽车领域汽车领域 汽车工业是超高速切削加工技术的一个重要领域。以前为提

11、高生汽车工业是超高速切削加工技术的一个重要领域。以前为提高生产率，多采用流水线作业，但其缺乏柔性，不适应技术的快速变化。产率，多采用流水线作业，但其缺乏柔性，不适应技术的快速变化。FordFord汽车公汽车公司采用司采用HVM800HVM800型卧式加工中心型卧式加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率其生产率与组合机床自动线相当与组合机床自动线相当，但，但建线投入减少了建线投入减少了40%40%，生产准备时间也少得多。，生产准备时间也少得多。2.2.2.2.模具领域模具领域模具领域模具领域 可以实现淬火硬度达到可以实现淬火硬度达到6060HRC

12、HRC（某些情况下可达（某些情况下可达7070HRCHRC）的淬硬模）的淬硬模具的具的切削加工切削加工，加工时间加工时间仅为电加工的仅为电加工的25%25%左右左右，加工费用加工费用可可节省节省50%50%以上。以上。20世纪80年代以来，航空和模具工业的快速发展极大的推动了超高速切削技术的发展。据统计，美国和日本大约有30%的公司已使用超高速切削技术；德国甚至超过了40%。超高速切削技术是未来切削加工的发展方向。第9页/共95页2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用 3.3.3.3.航空、航天领域航空、航天领域航空、航天领域航空、航天领域 采用高速切削后，切削速度达到了采用高速

13、切削后，切削速度达到了10010010001000m/minm/min，不仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提，不仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提高工件表面的加工质量。因此，高工件表面的加工质量。因此，飞机制造业是最早采用高速铣削飞机制造业是最早采用高速铣削的行业的行业。图图2 22 2所示为采用所示为采用“整体制造法整体制造法”制造的铝制螺旋片；壁厚制造的铝制螺旋片；壁厚最薄处只有最薄处只有0.050.05mmmm，壁高，壁高2020mmmm。采用超高速切削技术后，在保证。采用超高速切削技术后，在保证质量的基础上，加工效率还会大大提高。质量的基础上，加工效率还会大大提高。

14、第10页/共95页2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用图图2 22 2 铝制螺旋片铝制螺旋片 尺寸：808040第11页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 1.1.1.1.超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床 基本要求见表基本要求见表2 23.3.超高速切削加工技术是一项复杂的系统工程，能否实现有赖于机床、刀具等技术。超高速切削加工技术是一项复杂的系统工程，能否实现有赖于机床、刀具等技术。第12页/共95页VCP/UCP 600/800主轴转速：12000/20000/42000 转/分工作行程：X轴：600/530mm

15、Y轴:450 mm Z轴:450mm快移速度：22 米/分工作进给：15 米/分刀库容量：30把VCP/UCP 710主轴转速：12000/20000/42000 转/分工作行程：X轴：710mm Y轴:550 mm Z轴:500mm快移速度：30 米/分工作进给：20 米/分刀库容量：30把VCP/UCP 1000/1350主轴转速：12000/15000/24000 转/分工作行程：X轴：1000/800mm Y轴:1000 mm Z轴:875mm快移速度：30 米/分工作进给：20 米/分刀库容量：30/46/60/92把几种常见（超）高速加工中心的技术数据：几种常见（超）高速加工中心的

16、技术数据：第13页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 1.1.1.1.超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床 主要技术包括以下几个方面：主要技术包括以下几个方面：1 1）超高速主轴单元）超高速主轴单元 电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的“电主轴电主轴单元单元”；采用；采用高速精密轴承高速精密轴承，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等；采用气轴承等；采用大功率、宽调速交流变频电机大功率、宽调速交流变频电机直接驱动；结构设直接驱动；结构设计上保证主轴单元具有良好的计上保证主

17、轴单元具有良好的动刚性动刚性、抗振性抗振性、热特性热特性和良好的和良好的动平衡性能动平衡性能；配有高效冷却与；配有高效冷却与润滑系统润滑系统；采用先进的；采用先进的控制技术控制技术。超高速电主轴结构如下图所示：超高速电主轴结构如下图所示：第14页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术超高速电主轴结构超高速电主轴结构1 1、2 2、5 5密封圈密封圈;3;3定子定子;4;4转子转子;6;6旋转变压器转子旋转变压器转子;7 7旋转变压器定子旋转变压器定子;8;8螺母螺母第15页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 2 2）快速进给系

18、统）快速进给系统 要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很高的具有很高的定位精度定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的件重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用，或采用直线电直线电机机，省去了，省去了中间传动件中间传动件。3 3）支承及辅助单元）支承及辅助单元 用用人造花岗岩人造花岗岩来制作来制作机床基础支承件机床基础支承件；材料的阻尼特性；材料的阻尼特性为铸铁的为铸铁的7 71010倍倍，密度却只有铸铁的，密度却只有铸铁的1/31/3。夹具的要求是

19、夹具的要求是高刚度高刚度、高精度动平衡高精度动平衡、轻量化轻量化、高高效自动化效自动化和和柔性化柔性化。第16页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 2.2.2.2.对刀具和刀柄的要求对刀具和刀柄的要求对刀具和刀柄的要求对刀具和刀柄的要求 刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求：刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求：可靠性可靠性；高高高高耐热性耐热性耐热性耐热性和和和和抗热冲击性抗热冲击性抗热冲击性抗热冲击性；良好的良好的良好的良好的高温力学性能高温力学性能高温力学性能高温力学性能；适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。适应各种难加工材料和

20、新型加工材料的要求。适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有涂层刀涂层刀涂层刀涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具等几种。等几种。等几种。等几种。第17页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 目前超高速切

21、削机床普遍采用的是日本的目前超高速切削机床普遍采用的是日本的BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄系统刀柄系统（图（图2-32-3）和德国的）和德国的HSKHSK刀柄系统刀柄系统（图（图2-42-4）。）。图图2-3 BIG-PLUS2-3 BIG-PLUS刀柄系统刀柄系统 第18页/共95页2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术图图2-4 HSK2-4 HSK刀柄系统刀柄系统第19页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 1.1.1.1.高速重负荷荒磨（或修磨）高速重负荷荒磨（或修磨）高速重负荷荒磨（或修磨）高速重负荷荒磨（或修磨）其砂轮线速度普遍达到了其砂轮线速度普

22、遍达到了8080m/sm/s，有的高达，有的高达120120m/sm/s；磨削法向力通常达到了；磨削法向力通常达到了10000100001200012000N N，有的高达，有的高达3000030000N N；磨；磨削功率一般为削功率一般为100100150150kWkW，有的高达，有的高达300300kWkW；材料去除率可达；材料去除率可达150150kg/hkg/h。主要用于主要用于钢坯的修磨钢坯的修磨，磨除钢坯的表面缺陷层（夹，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量和成材率。和成材率。主要特

23、点是：主要特点是：采用定负荷自由磨削方式磨除一定采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷层金属，厚度的缺陷层金属，背吃刀量和进给量均不确定背吃刀量和进给量均不确定；在磨削过程在磨削过程中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，应应选择合适砂轮选择合适砂轮；多采用多采用干磨干磨方式，方式，工件表面易烧伤工件表面易烧伤。磨削材料磨除率=磨屑平均切断面积*磨屑平均长度*单位时间内作用磨粒数第20页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 2.2.2.2.缓进给大切深磨削缓进给大切深磨削缓进给大切深磨削缓进给大切深磨削 以较大的切削深

24、度（以较大的切削深度（apap 10 10mmmm）和很小的纵向进给速度）和很小的纵向进给速度（vWvW=3=3300300mm/minmm/min，普通磨削的，普通磨削的vWvW=200=20025002500mm/minmm/min）来磨）来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。主要特点是：主要特点是：生产效率生产效率高；高；工件的工件的形状精度形状精度稳定；稳定；减小了砂轮的减小了砂轮的冲击损伤冲击损伤；扩大了磨削扩大了磨削工艺范围工艺范围；磨床功率大、成本高，工件易产生磨床功率大、成本高，工件易产生磨削烧伤磨削烧伤。第21页/共95页2.2 高效磨削技术高效

25、磨削技术 3.3.高速与超高速磨削高速与超高速磨削 普通砂轮的线速度为普通砂轮的线速度为30-35m/s,30-35m/s,当当砂轮的线速度砂轮的线速度45455050m/sm/s，则被称为，则被称为高速磨削高速磨削HSGHSG（High Speed GrindingHigh Speed Grinding）。砂轮线速度）。砂轮线速度大大1501508080m/sm/s时，则被称为时，则被称为超高速磨削超高速磨削。其主要特点是：其主要特点是：生产率高、砂轮寿命长生产率高、砂轮寿命长；磨削精度高、表面粗糙度低磨削精度高、表面粗糙度低；减轻磨削表面烧伤和裂纹减轻磨削表面烧伤和裂纹。超高速磨削可以大幅

26、度提高超高速磨削可以大幅度提高磨削生产效率磨削生产效率、延长砂轮、延长砂轮使用寿使用寿命命或或减小磨削表面粗糙度减小磨削表面粗糙度，并可对硬脆材料实现，并可对硬脆材料实现延性域磨削延性域磨削，对，对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。第22页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 4.4.4.4.高效深切磨削（高效深切磨削（高效深切磨削（高效深切磨削（HEDGHEDGHEDGHEDG）HEDGHEDG在切深在切深0.10.10.30.3mmmm，工件速度，工件速度vw vw=0.5=0.51010m/minm/min，砂轮速度，砂轮速

27、度vs vs=80=80200200m/sm/s的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的快速及大的磨削深度，既能达到高的金属切除率金属切除率，又能获得高质量的，又能获得高质量的加工表加工表面面。是缓进给磨削和超高速磨削的结合。是缓进给磨削和超高速磨削的结合。其实现条件是：其实现条件是：砂轮应具有良好的砂轮应具有良好的耐磨性耐磨性，高的，高的动平衡性能动平衡性能和和抗裂性能抗裂性能；磨床应具有高磨床应具有高动态精度动态精度、抗振性抗振性和和热稳定性；热稳定性；磨床主轴应具有较高的磨床主轴应具有较高的回转精

28、度回转精度和和刚度刚度。砂轮主轴转速在。砂轮主轴转速在1.51.5万以上。万以上。磨削液供给方法采用磨削液供给方法采用高压喷射法高压喷射法，砂轮内冷却法、空气挡板辅助截，砂轮内冷却法、空气挡板辅助截断气流法等断气流法等。第23页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 5.5.5.5.宽砂轮和多砂轮磨削宽砂轮和多砂轮磨削宽砂轮和多砂轮磨削宽砂轮和多砂轮磨削 （1 1）宽砂轮磨削）宽砂轮磨削 外圆磨削砂轮宽度达外圆磨削砂轮宽度达300300mmmm，平面磨削砂轮宽度达，平面磨削砂轮宽度达400400mmmm，无心磨削，无心磨削砂轮宽度达砂轮宽度达80080010001000mmmm；加工精度达

29、；加工精度达IT6IT6，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa0.630.63mm。其主要特点是：其主要特点是：磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的热量热量多。多。砂轮修整后可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式，砂轮修整后可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式，比纵向往复比纵向往复磨削效率磨削效率高。高。砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。为保证工件的形位精度，砂轮硬度在为保证工件的形位精度，砂轮硬度在圆周和轴向均匀性圆周和轴向均匀性要好。否则要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。因砂轮磨损不均

30、匀，影响零件的精度和表面质量。第24页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术2 2）多砂轮磨削）多砂轮磨削 多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8 8片片以上，以上，砂轮组合宽度达砂轮组合宽度达90090010001000mmmm。在生产线上，采用多砂轮磨床。在生产线上，采用多砂轮磨床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用在外圆和平面在外圆和平面磨床磨床上，上，内圆磨床内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨

31、同心孔。也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。第25页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 6.6.6.6.恒压力磨削恒压力磨削恒压力磨削恒压力磨削 恒压力磨削恒压力磨削是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称作作控制力磨削控制力磨削。恒压力磨削，避免荷了超负荷切削，工艺系统弹。恒压力磨削，避免荷了超负荷切削，工艺系统弹性变形小，有利干

32、获得正确的性变形小，有利干获得正确的几何形状几何形状与低的与低的表面粗糙度表面粗糙度值。值。第26页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 7.7.7.7.砂带磨削砂带磨削砂带磨削砂带磨削 如图如图2 25 5所示。所示。2020世纪世纪6060年代以来，发展迅猛；发达国家已占年代以来，发展迅猛；发达国家已占磨削工作的磨削工作的1/21/2。图2-5 2-5 砂带磨削示意图 第27页/共95页2.2 高效磨削技术高效磨削技术 其主要特点是：其主要特点是：设备设备简单；简单；可磨削可磨削复杂型面复杂型面；生产效率生产效率高；高；加工精度加工精度高高 操作操作方便方便第28页/共95页2.3

33、精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术 目前所说的目前所说的目前所说的目前所说的精密加工精密加工精密加工精密加工是指加工精度达到是指加工精度达到是指加工精度达到是指加工精度达到1 1 1 10.10.10.10.1mmmm，表面粗，表面粗，表面粗，表面粗糙度糙度糙度糙度RaRaRaRa在在在在0.10.10.10.10.010.010.010.01mmmm的加工工艺。而的加工工艺。而的加工工艺。而的加工工艺。而超精加工超精加工超精加工超精加工则是指加工尺寸则是指加工尺寸则是指加工尺寸则是指加工尺寸精度精度精度精度高于高于高于高于0.10.10.10.1mmmm，表面粗糙度，表面粗糙度，表面粗

34、糙度，表面粗糙度RaRaRaRa小于小于小于小于0.0250.0250.0250.025mmmm的精密加工方法。的精密加工方法。的精密加工方法。的精密加工方法。根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法可分为以下几大类。可分为以下几大类。2.3.1 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类精密和超精密加工方法与分类第29页/共95页 1.1.1.1.机械超精密加工技术机械超精密加工技术机械超精密加工技术机械超精密加工技术 包括包括金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨精

35、密研磨和和抛光抛光等一些传统加工方法（表等一些传统加工方法（表2-52-5）。）。2.3.1 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类精密和超精密加工方法与分类第30页/共95页表表2-5 2-5 传统（机械）精密和超精密加工方法及加工精度（传统（机械）精密和超精密加工方法及加工精度（mm）（续）（续）2.3.1 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类精密和超精密加工方法与分类第31页/共95页 2.2.2.2.非机械超精密加工技术非机械超精密加工技术非机械超精密加工技术非机械超精密加工技术 包括包括精密电火花精密电火花加工、加工、精密电解精密电解加工、精密超声加工、加工、精密超声加工、电子束电

36、子束加工、加工、离子束离子束加工、加工、激光束激光束加工等一些非传统加工方法；也称为加工等一些非传统加工方法；也称为特种精密加工特种精密加工方法。方法。3.3.3.3.复合超精密加工方法复合超精密加工方法复合超精密加工方法复合超精密加工方法 包括包括传统加工方法的复合传统加工方法的复合、特种加工方法的复合以及传统特种加工方法的复合以及传统加工方法和特种加工方法的复合加工方法和特种加工方法的复合（例如机械化学抛光、精密电解（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。磨削、精密超声珩磨等）。2.3.1 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类精密和超精密加工方法与分类第32页/共95页 1.

37、1.1.1.金刚石刀具超精密加工的应用金刚石刀具超精密加工的应用金刚石刀具超精密加工的应用金刚石刀具超精密加工的应用 如表如表2 26 6所示。所示。2.3.2 2.3.2 金刚石刀具超精密加工金刚石刀具超精密加工第33页/共95页表表2-6 2-6 金刚石刀具超精密切削的零件实例（续）金刚石刀具超精密切削的零件实例（续）2.3.2 2.3.2 金刚石刀具超精密加工金刚石刀具超精密加工第34页/共95页 2.2.2.2.超精密车削用金刚石车刀超精密车削用金刚石车刀超精密车削用金刚石车刀超精密车削用金刚石车刀 金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃过渡

38、刃，对加，对加工表面起工表面起修光修光作用。可以把刀刃设计成作用。可以把刀刃设计成圆弧形圆弧形或带直线修光刃的或带直线修光刃的折线形折线形，以减少切削，以减少切削残留面积残留面积对对表面粗糙度表面粗糙度的影响。的影响。图2-6 2-6 通用金刚石精车刀的几何角度 2.3.2 2.3.2 金刚石刀具超精密加工金刚石刀具超精密加工第35页/共95页 3.3.3.3.金刚石刀具超精密切削切削参数的选择金刚石刀具超精密切削切削参数的选择金刚石刀具超精密切削切削参数的选择金刚石刀具超精密切削切削参数的选择 1 1）切削速度）切削速度 不使用不使用切削液切削液，应选择，应选择合适合适的切削速度，以防的切削

39、速度，以防积屑瘤积屑瘤的生的生成。使用切削液，积屑瘤不易生成成。使用切削液，积屑瘤不易生成 ，切削速度对表面粗糙度影响，切削速度对表面粗糙度影响较小。较小。2 2）进给量）进给量 超精密切削时采用超精密切削时采用很小的进给量很小的进给量，但进给量的数值也，但进给量的数值也不宜不宜小于刀具刃口的钝圆半径小于刀具刃口的钝圆半径。3 3）背吃刀量）背吃刀量 背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层残留变形大残留变形大；但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生切屑切屑，切削力反而切削力反而增加增加、

40、使表面残余应力反而增加。、使表面残余应力反而增加。2.3.2 2.3.2 金刚石刀具超精密加工金刚石刀具超精密加工第36页/共95页金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表2-72-72-72-7。2.3.2 2.3.2 金刚石刀具超精密加工金刚石刀具超精密加工第37页/共95页 2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工 精密和超精密磨削加工是精密和超精密磨削加工是利用细粒度磨粒和微粉对工件进行磨削，以得到高利用细粒度磨粒和微粉对工件进行磨削，以得到高

41、加工精度和低表面粗糙度的一种工艺方法加工精度和低表面粗糙度的一种工艺方法。对于铜、铝及其合金等软金属，采用。对于铜、铝及其合金等软金属，采用金刚石刀具超精密车削加工是十分有效的；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精金刚石刀具超精密车削加工是十分有效的；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工是当前最常用的加工手段。密和超精密磨料加工是当前最常用的加工手段。精密和超精密磨削加工分为精密和超精密磨削加工分为固结磨料加工和游离磨料加工固结磨料加工和游离磨料加工两类。固结磨料加工两类。固结磨料加工是指采用烧结、粘接、涂覆等办法，将磨粒或微粉与结合剂均匀地结合，并固结是指采用烧结、粘接、涂覆等办法

42、，将磨粒或微粉与结合剂均匀地结合，并固结成一定形状和强度的磨具，如砂轮、砂带等，形成精密和超精密磨削；游离磨料成一定形状和强度的磨具，如砂轮、砂带等，形成精密和超精密磨削；游离磨料加工是指磨料在加工时呈游离状态，如研磨抛光等。加工是指磨料在加工时呈游离状态，如研磨抛光等。第38页/共95页精密和超精密磨削加工方法的类型见图精密和超精密磨削加工方法的类型见图精密和超精密磨削加工方法的类型见图精密和超精密磨削加工方法的类型见图2-72-72-72-7。2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第39页/共95页 1.1.1.1.精密磨削加工精密磨削加工精密磨削加工精密磨削加工

43、（普通磨料砂轮精密磨削和超硬磨料砂轮精密磨削（普通磨料砂轮精密磨削和超硬磨料砂轮精密磨削 ）1 1）普通磨料砂轮精密磨削）普通磨料砂轮精密磨削 加工精度：加工精度：1 10.1m0.1m；表面粗糙度：；表面粗糙度：Ra0.2Ra0.20.025m0.025m。其影响因。其影响因素主要有：素主要有：砂轮选择砂轮选择：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬度等：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬度等 砂轮修整砂轮修整：可分为：可分为初修初修、精修精修和和光修光修。普通磨料砂轮精密磨削。普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量可参考表时的砂轮修整用量可参考表2-82-8。2.3.3 2.3.3

44、精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第40页/共95页表表2-8 2-8 普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量 2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第41页/共95页 磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：a.a.机床机床几何精度和刚度几何精度和刚度高；高；b.b.由于普通砂轮精密磨削时砂轮的修由于普通砂轮精密磨削时砂轮的修整速度要求低至整速度要求低至101015mm/min15mm/min，机床工作台必须能，机床工作台必须能低速进低速进给给、平稳平稳、无爬行和冲击无爬行和冲击；c.c.从机床

45、结构上和安装上采取从机床结构上和安装上采取一些一些减振和隔振减振和隔振措施，以提高其措施，以提高其抗振性抗振性。磨削用量：包括磨削用量：包括砂轮速度砂轮速度、工件速度工件速度、纵向进给纵向进给量量、磨削深度磨削深度、走刀次数走刀次数和和无火花磨削次数无火花磨削次数等的选择，可等的选择，可参考表参考表2-92-9。2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第42页/共95页2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第43页/共95页 2 2）超硬磨料砂轮精密磨削）超硬磨料砂轮精密磨削 其特点和应用范围如下：其特点和应用范围如下：（1 1）可用来加工各种

46、）可用来加工各种高硬度高硬度、高脆性高脆性金属材料和非金属材料，例如陶金属材料和非金属材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢以及铜、铝瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢以及铜、铝等非铁金属及其合金等。等非铁金属及其合金等。（2 2）磨削能力强、）磨削能力强、耐磨性耐磨性好、使用寿命长、易于控制好、使用寿命长、易于控制尺寸尺寸及实现及实现加工加工自动化自动化。（3 3）磨削力小，磨削温度低，无）磨削力小，磨削温度低，无烧伤烧伤、裂纹裂纹和和组织变化组织变化，表面质量好。，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的用金刚

47、石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的1/41/41/51/5。（4 4）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和磨削比，因此磨削比，因此磨削效率磨削效率高。高。（5 5）超硬磨料砂轮）超硬磨料砂轮修整难度大修整难度大。（6 6）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮价格比较昂贵价格比较昂贵，但其使用寿命长，但其使用寿命长，加工效率高、工时少，加工效率高、工时少，综合成本不高综合成本不高。2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第44页/共95页 2.2.2.2.超

48、精密磨削加工超精密磨削加工超精密磨削加工超精密磨削加工 加工精度加工精度达到或高于达到或高于0.1m0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa低于低于0.025m0.025m。主要用于磨削钢铁及其合金，例如。主要用于磨削钢铁及其合金，例如耐热钢耐热钢、钛合金钛合金、不锈钢不锈钢等合金钢，特别是经过淬火处理的等合金钢，特别是经过淬火处理的淬硬钢淬硬钢；也可用于磨削；也可用于磨削铜铜、铝铝及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属硬脆难加硬脆难加工材料工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工方

49、法。方法。超精密磨削应用比较成熟的首推超精密磨削应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮超精密磨金刚石微粉砂轮超精密磨削。削。2.3.3 2.3.3 精密和超精密磨削加工精密和超精密磨削加工第45页/共95页 1 1）金刚石微粉砂轮）金刚石微粉砂轮 采用粒度为采用粒度为F240F240F1000F1000的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷、金属为的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷、金属为结合剂烧结而成；也可采用结合剂烧结而成；也可采用电铸法电铸法和和气相沉积法气相沉积法制作。制作。金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点：金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点：（1 1）一种固结磨料的）一种固结磨料的微量去除加

50、工微量去除加工方法，比研磨、抛光等精密加工方法方法，比研磨、抛光等精密加工方法加工加工效率高效率高；（2 2）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的和形状精度，是一种比较理想的超精密加工超精密加工方法。方法。（3 3）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行在线修整在线修整，才能保证磨削，才能保证磨削的正常进行和加工质量。的正常进行和加工质量。（4 4）需要在）需要在超精密磨床超精密磨床上进行，设备上进行，设备价格昂贵价格昂贵，磨削成本高磨削成本高。