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1、黑龙江大学机电工程学院精密与特种加工技术精密与特种加工技术Precision and ultraprecision machining1黑龙江大学机电工程学院第第1章章 概概 论论21.1 精密与特种加工技术的产生及发展精密与特种加工技术的产生及发展制造技术的发展：制造技术的发展：石器时代石器时代=青铜器时代青铜器时代=铁器时代铁器时代=高分子材料时代；高分子材料时代；手工制作手工制作=机器制作机器制作=智能控制自动化制作；智能控制自动化制作；一般精度加工一般精度加工=精密加工精密加工=超精密加工及纳米加工。超精密加工及纳米加工。现代科学技术的迅猛发展使机械制造业面临的严峻任务：现代科学技术的
2、迅猛发展使机械制造业面临的严峻任务：难切削材料的加工；难切削材料的加工；钛合金、硬质合金、淬火钢钛合金、硬质合金、淬火钢 特殊复杂性面的加工；特殊复杂性面的加工；叶片、发动机机匣、小孔、窄缝叶片、发动机机匣、小孔、窄缝 超精密、光整零件的加工；超精密、光整零件的加工；陀螺仪、光学透镜、曲面镜陀螺仪、光学透镜、曲面镜 特殊零件的加工。特殊零件的加工。光盘基片、微型零件、细长轴光盘基片、微型零件、细长轴精密加工和特种加工是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术的精密加工和特种加工是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术的重要组成部分，代表了当前先进制造技术发展的重要方向，在重要组成部分，代表了当前先进制造
3、技术发展的重要方向，在制造业乃至社会发展进程中起到非常重要的作用。目前精密与制造业乃至社会发展进程中起到非常重要的作用。目前精密与特种加工技术已成为零件制造的重要工艺技术手段，成为世界特种加工技术已成为零件制造的重要工艺技术手段，成为世界制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前沿。制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前沿。31.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响l l精密加工：加工精度在精密加工：加工精度在0.10.11m1m，加工表面粗糙度在，加工表面粗糙度在Ra0.02Ra0.020.1m0.1m之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；l l超精密加
4、工：加工精度高于超精密加工：加工精度高于0.1m0.1m，加工表面粗糙度小于，加工表面粗糙度小于Ra0.01mRa0.01m之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等超微细加工、光整加工、精整加工等）。）。l l特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也称为非传统的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也称为非传统加工技术。加工技术
5、。41.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工技术的广泛应用对制造业的影响：精密与特种加工技术的广泛应用对制造业的影响：l l提高材料的可加工性；提高材料的可加工性；l l改变了零件的典型工艺路线；改变了零件的典型工艺路线；l l大大缩短了新产品的试制周期；大大缩短了新产品的试制周期；l l影响产品零件的结构设计；影响产品零件的结构设计；l l影响传统的结构工艺型好与坏的衡量标准。影响传统的结构工艺型好与坏的衡量标准。51.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术，要精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术
6、，要获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备及工艺装备、检测方法、工作环境、人的技设备及工艺装备、检测方法、工作环境、人的技艺水平等等。艺水平等等。61.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响加工机理上：加工机理上：近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别
7、是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。71.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响被加工材料被加工材料 ：用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在10-210-3数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到10-510-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理
8、、化学、力学等性能要求。81.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 ：(1)高精度。(2)高刚度。(3)高稳定性。(4)高自动化。加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。91.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响加工工具：加工工具：加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到24nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆
9、半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。101.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响检测与误差补偿：检测与误差补偿：尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉
10、法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。111.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响工作环境：环境温度可根据加工要求控制在10.02，甚至达到0.0005。在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求10
11、00100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100个，依此类推。121.2 精密与特种加工的特点及影响精密与特种加工的特点及影响工作环境：环境温度可根据加工要求控制在10.02，甚至达到0.0005。在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求1000100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100个，依此类推。131.3 精密与特种加工的方法与分类精密与特种加工的方法与分类分 类加工机理加工方法去除加工化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）蒸发（真空、气体）扩散（固体
12、）熔化（液体）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工化学附着化学结合电化学附着电化学结合热附着扩散结合熔化结合物理附着注入化学镀，气相镀氧化，氮化电镀、电铸阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工变形加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工141.3 精密与特种加工的方法与分类精密与特种加工的方
13、法与分类分类加工方法可加工材料应 用切削加工等离子体切削微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工微细磨削研磨抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工电火花成形加工电火花切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束加工粒子束去除加工激光去除加工光刻加工导电金属，非金属导电金属金属，非金属硬脆金属，非金
14、属绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线划线，图形成形复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面151.3 精密与特种加工的方法与分类精密与特种加工的方法与分类工具等加工装置材料用途、零件等镜面切削 金刚石刀具刃口锋利化 利用CBN刀具切削钢 金刚石刀具得结晶方位选择 金刚石刀具刃口评价改进型SEM 采用空气轴承、流体轴承及空气
15、道轨等 高精度化 高刚度化 冷却、控温、防振 采用高速运算装置控制 Al、Cu、塑料等软质材料无电解Ni膜Ge，Si KDP、LiNbO3、玻璃磁盘基板各种模具各种发射镜红外用光学元件激光核聚变用光学元件X射线天体望远镜用元件镜面磨削 树脂结合剂金刚石砂轮添加Mo2S2、WS2、C等 铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整铁氧体精细陶瓷超硬合金Ge、Si玻璃磁头红外用光学元件非球面玻璃透镜各种模具镜面研磨 沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂抛光盘 微细磨料、软质磨料、易微细化的磨料 软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具EEM及浮动抛光 基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机 水晶L
16、iTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精细陶瓷CVDSiC膜玻璃压电滤波器基片SAW元件基片半导体基片各种模具SOR用X射线光学元件激光核聚变用各种光学元件投影透镜161.4 精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术水平是国家制造工业水平的精密与特种加工技术水平是国家制造工业水平的重要标志之一重要标志之一 精密与特种加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚
17、石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。171.4 精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术的地位和作用精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键日本在第二次世界大战后，大力发展制造技术，特别是精密技工技术，使机械制造业的水平有了很大的提高，有力地支持了相关工业领域的发展，在汽车制造业和微电子工业方面取得了显著成绩，在短短30年中，从一个战败国发展成为经济强国。计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前我国集成电路的制造水平约束了
18、计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。181.4 精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术的地位和作用国防工业上的需求国防工业上的需求超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005m，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1m，
19、表面粗糙度为Ra0.01m，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m，表面粗糙度小于Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。19服役的哈勃望远镜20212223狮子座螺旋星系24宇宙深处的星体25银河系环形星群2627281.4 精密与特种加工技术的地位和作用精密与特种加工技术的地位和作用信息产品中的需求信息产品中的需求计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。民用产品中的需求民用产品中的需求现代小型、超小
20、型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。29目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介信息产品中的需求信息产品中的需求计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。民用产品中的需求民用产品中的需求现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机
21、、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。30目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介 机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨力双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。定位误差小于0.051m；主轴回转误差小于0.051m；激光测量系统综合误差小于0.0025m。美国美国LLL实验室的大型光学金刚石车床实验室的大型光学金刚石车床31目前常见的
22、精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介 机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。32目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介 机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。英国英国Cranfield公司的公司的OAGM2500大型超精密机床大型超精密机床33目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介 有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助
23、三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01m，激光测量反馈，定位精度全行程0.03m。加工模具形状精度0.05m，表面粗糙度0.025m。日本AHN IO型高效专用车削、磨削超精密机床34目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介三轴数控精密电火花成形机三轴数控精密电火花成形机35目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介36目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介三轴数控精密电火花成形机三轴数控精密电火花成形机37目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术
24、简介电火花线切割电火花线切割切割厚度400mm最大切割速度140mm2/min加工表面粗糙度Ra1.25um38目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介39目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介慢走丝线切割机床慢走丝线切割机床最大加工厚度：最大加工厚度：210mm加工精度：加工精度：0.005mm最大加工速度：最大加工速度：220mm2/min最佳加工表面粗最佳加工表面粗糙度：糙度：Ra0.5m40目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介电火花穿孔机电火花穿孔机加工直径加工直径:0.3-3.0mm最大深最大深径比径比:3
25、00：1加工速度：加工速度：30-60mm/min。能直接从斜面、能直接从斜面、曲面穿入。曲面穿入。41目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介喷油嘴针阀体油喷油嘴针阀体油槽电解加工全自槽电解加工全自动电脑数控机床动电脑数控机床42目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介43目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介激光切割机激光切割机适用材料：适用材料：亚克力、木板亚克力、木板（轻木、桐木）、（轻木、桐木）、竹制品、双色板、竹制品、双色板、纸张、皮革、布纸张、皮革、布料、橡胶、树脂、料、橡胶、树脂、ABS板、灯罩等板、灯罩
26、等非金属材料。非金属材料。最大切割厚度：最大切割厚度：15mm定位精度：定位精度：0.01mm44目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介45目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介激光打孔机激光打孔机应用领域应用领域：PCB电路板钻孔电路板钻孔重复定位精度：重复定位精度：0.005mm定定位精度：位精度：0.005mm钻钻孔精度：孔精度：0.02mm最高打孔速度：最高打孔速度：500个个/秒秒电力需求：电力需求：380V/三相三相/50Hz/40A46目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-W180V型大型激光模
27、具焊接机型大型激光模具焊接机采用非工作台采用非工作台操作方式，主要用操作方式，主要用于特、大、中型模于特、大、中型模具修补，模具置于具修补，模具置于推车、叉车或地上推车、叉车或地上进行修补。热影响进行修补。热影响区域小，不会导致区域小，不会导致精密模具变形。焊精密模具变形。焊接深度大，焊接牢接深度大，焊接牢固。溶化充分，不固。溶化充分，不留修补痕迹。溶池留修补痕迹。溶池溶料凸起部份与基溶料凸起部份与基体结合处无凹陷现体结合处无凹陷现象。象。47目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-W90型激光点焊机型激光点焊机AHL-W90激激光首饰点焊机专门光首饰点焊机专门
28、针对电子行业和首针对电子行业和首饰行业设计，是引饰行业设计，是引进德国先进设计技进德国先进设计技术改进而成，该系术改进而成，该系列产品采用人体工列产品采用人体工学设计，并采用国学设计，并采用国际顶级配件生产，际顶级配件生产，可用于金银首饰、可用于金银首饰、电子元器件补孔、电子元器件补孔、点焊砂眼、焊镶口点焊砂眼、焊镶口等。等。48目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介AHL-AW400型通用自动激光焊接机型通用自动激光焊接机49目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介超声波清洗机超声波清洗机适用范围于电适用范围于电子零件、五金机械、子零件、五金
29、机械、电镀零件、钟表、电镀零件、钟表、（表带、表壳）眼（表带、表壳）眼镜架、镜片、珠宝镜架、镜片、珠宝首饰、半导体硅片、首饰、半导体硅片、喷丝板、过滤芯、喷丝板、过滤芯、玻璃器皿等等的清玻璃器皿等等的清洗。洗。50目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介超声波塑焊机超声波塑焊机目前超声波焊目前超声波焊接已经是一种成熟接已经是一种成熟的熔接技术，各种的熔接技术，各种熟塑性胶件熟塑性胶件均可使均可使用超声波熔接处理，用超声波熔接处理，且不需加溶剂、粘且不需加溶剂、粘接剂或其他辅助品。接剂或其他辅助品。其优点是简单、快其优点是简单、快速、生产效率高、速、生产效率高、低成本，焊
30、接质量低成本，焊接质量好。好。51目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介52目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介电子束焊接电子束焊接电子束技术包含了机械、电子束技术包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算电子光学、自动控制和计算机等多学科技术，电子束焊机等多学科技术，电子束焊接的基本原理是电子枪中的接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度的聚焦
31、就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子极高的电子束，用此电子束束去轰击工件，巨大的动能转去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。工件的焊接。53目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介电子束焊接电子束焊接54目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介高压水射流切割高压水射流切割平台有效工作行程：平台有效工作行程：3001300150(mm)；结构形式：龙门移动式；数；结构形式：龙门移动式；数控系统：步进系统；切割功能：任意平面曲线；切割精度：控系统：步进系
32、统；切割功能：任意平面曲线；切割精度：0.1mm；重复定；重复定位精度：位精度：0.02mm；最大压力：；最大压力：300Mpa；使用压力：；使用压力：300Mpa；增压比：；增压比：19：1；可用水喷嘴最大直径：；可用水喷嘴最大直径：0.3mm；电压：；电压：380V/5OHz55目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介高压水射流切割高压水射流切割产品应用范围极其广泛，产品应用范围极其广泛，玻璃、玻璃、石材、建筑陶瓷、黑色金属、有色石材、建筑陶瓷、黑色金属、有色金属、纸张、要板、布匹、皮革、金属、纸张、要板、布匹、皮革、橡胶、复合材料、海绵等，几乎包橡胶、复合材料、海
33、绵等，几乎包括所有能想象的一切材料。而且该括所有能想象的一切材料。而且该产品切割速度快、切产品切割速度快、切缝窄、切口光缝窄、切口光滑、无热变形、加工成本低，正日滑、无热变形、加工成本低，正日益广泛的应用在军工、航天、航空、益广泛的应用在军工、航天、航空、船舶、汽车、制衣、电子、建筑、船舶、汽车、制衣、电子、建筑、广告等行业中，这是一种绿色无污广告等行业中，这是一种绿色无污染的高新技术产品。染的高新技术产品。56目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介57目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介等离子切割等离子切割应用范围：应用范围：各种冷轧板、
34、各种冷轧板、镀锌板、铝板、镀锌板、铝板、不锈钢板、铜不锈钢板、铜板等金属薄板板等金属薄板切割厚度：切割厚度：钢板钢板5毫米、不毫米、不锈钢锈钢3毫米毫米加工面积：加工面积：1.2米米X1.4米米58目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介挤压珩磨挤压珩磨对各种原料模、拉对各种原料模、拉伸模、型材挤压模、注伸模、型材挤压模、注射模等复杂型腔表面进射模等复杂型腔表面进行珩磨抛光；对零件上行珩磨抛光；对零件上隐蔽的交叉孔、异形孔、隐蔽的交叉孔、异形孔、台阶孔和各类具有较复台阶孔和各类具有较复杂内外形的零件进行珩杂内外形的零件进行珩磨抛光；可以去除电火磨抛光；可以去除电火花加工
35、或激光加工后的花加工或激光加工后的表面硬化层及微观缺陷；表面硬化层及微观缺陷；可以对铜、铝、淬火钢、可以对铜、铝、淬火钢、陶瓷、硬质合金和非金陶瓷、硬质合金和非金属的零件进行珩磨抛光；属的零件进行珩磨抛光；表面粗糙度可达表面粗糙度可达0.05m。59目前常见的精密与特种加工技术简介目前常见的精密与特种加工技术简介60黑龙江大学机电工程学院第2章 金刚石刀具精密切削加工61第第2章章 金刚石刀具精密切削加工62 超精密切削时超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度的切削速度、磨损和耐用度l切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高
36、。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度10002000m/min，而刀具的磨损甚小。l超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。63超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度64超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度单晶金刚石车刀磨损区概况65超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度刀刃磨损的正常情况刀刃磨损的正常情况剧烈磨
37、损情况剧烈磨损情况可以看到磨损后成层状可以看到磨损后成层状即刀具磨损为层状微小剥落即刀具磨损为层状微小剥落66 超精密切削时超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度的切削速度、磨损和耐用度沿切削速度方向出现磨损沟槽沿切削速度方向出现磨损沟槽即由于金刚石和铁、镍的化学和即由于金刚石和铁、镍的化学和物理亲和性而产生的腐蚀沟槽物理亲和性而产生的腐蚀沟槽 金刚石切削时，由于微小振动金刚石切削时，由于微小振动产生刀刃的微小崩刃产生刀刃的微小崩刃67超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律68切削速度切削速度对积屑瘤生成的影响对积屑瘤生成的影响69 不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切
38、削速度不同，积不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。切削速度切削速度对积屑瘤生成的影响对积屑瘤生成的影响70 在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f5m/r时，时，h0值最值最小，小，f值再增大时，值再增大时，h0值稍有增加。值稍有增加。进给量进给量f f对积屑瘤生成的影响对积屑瘤生成的影响71在背吃刀量在背吃刀量25m后，后，h0值
39、将随着背吃刀量的增加而增加。值将随着背吃刀量的增加而增加。背吃刀量背吃刀量 对积屑瘤生成的影响对积屑瘤生成的影响72 积屑瘤高时积屑瘤高时切削力也大，积屑切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。瘤小时切削力也小。与普通切削规律正与普通切削规律正好相反。好相反。积屑瘤对切削力的影响积屑瘤对切削力的影响731）积屑瘤前端）积屑瘤前端R大约大约23m，实际切，实际切削力由刃口半径削力由刃口半径R起作用，切削力明起作用，切削力明显增加。显增加。2）积屑瘤与切削层）积屑瘤与切削层和已加工表面间的和已加工表面间的摩擦力增大，切削摩擦力增大，切削力增大。力增大。3）实际切削厚度超）实际切削厚度超过名义值，切削厚过
40、名义值，切削厚度增加度增加hD-hDu，切削力增加。切削力增加。有积屑瘤时的超精密切削模型有积屑瘤时的超精密切削模型74 积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。积屑瘤对加工表面粗糙度的影响积屑瘤对加工表面粗糙度的影响75在有切削液
41、的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。切削速度对加工表面粗糙度的影响切削速度对加工表面粗糙度的影响76不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面镜面。镜面。镜面。镜面。切削速度对加工表面粗糙度的影响切削速度对加工表面粗糙度的影响77在进给量在进给量在进给量在进给量f5m/rf5m/r时，均
42、达到时，均达到时，均达到时，均达到RmaxRmax0.05m0.05m的加工表面粗糙度。的加工表面粗糙度。的加工表面粗糙度。的加工表面粗糙度。进给量对加工表面粗糙度的影响进给量对加工表面粗糙度的影响78修光刃长度常取修光刃长度常取修光刃长度常取修光刃长度常取0.050.050.20mm0.20mm。修光刃的长度过长，对加工。修光刃的长度过长，对加工。修光刃的长度过长，对加工。修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大。修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确表面粗糙度影响不大。修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确表面粗糙度影响不大。修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确表面粗糙度影响不大。修光刃有直
43、线和圆弧两种，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取2 25mm5mm。修光刃长度对加工表面粗糙度的影响修光刃长度对加工表面粗糙度的影响79在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量的在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量的在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量的在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量的变化对加工表面粗糙度影响很小。变化对加工表面粗糙度影响很小。变化对加工表面粗糙度影响很小。变化
44、对加工表面粗糙度影响很小。背吃刀量对加工表面粗糙度的影响背吃刀量对加工表面粗糙度的影响80背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。背吃刀量对加工表面残余应力的影响背吃刀量对加工表面残余应力的影响81刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口半径为
45、刃口半径为0.6mm、0.3mm82刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响在相同背吃刀量的情况下，更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。在相同背吃刀量的情况下，更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。83刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响在相同进给量的情况下，更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。84刃口锋锐度对切削力的影响刃口锋锐度对切削力的影响锋锐车刀切削变形系数锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刀刃明显低于较钝的车刀。刀刃锋锐度不同，切削力明显不锋锐度不同，切削力明显不同。刃口半径增大，切削力同。刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大。背吃
46、增大，即切削变形大。背吃刀量很小时，切削力显著增刀量很小时，切削力显著增大。因为背吃刀量很小时，大。因为背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变刃口半径造成的附加切削变形已占总切削变形的很大比形已占总切削变形的很大比例，刃口的微小变化将使切例，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。所削变形产生很大的变化。所以以在背吃刀量很小的精切时，在背吃刀量很小的精切时，应采用刃口半径很小的锋锐应采用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀金刚石车刀。85刃口锋锐度对切削表面层的冷硬的影响刃口锋锐度对切削表面层的冷硬的影响LY12铝合金原始材料的显微硬度为铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用。使用p0.3m的
47、金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用；使用p0.6m的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为205HV。1）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；2）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。86刃口锋锐度对加工表面组织位错的影响刃口锋锐度对加工表面组织位错的影响刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高
48、。87刃口锋锐度对加工表面残留应力的影响刃口锋锐度对加工表面残留应力的影响1）刃口半径越小，残留应力越低；）刃口半径越小，残留应力越低；2）背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值）背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。时，背吃刀量减小，残留应力增大。88刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可实现切削厚度为纳米（密切削，可实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削）级的连续稳定切削。要使最小
49、切削厚度要使最小切削厚度1nm，可估算金刚石刀具刃口半径，可估算金刚石刀具刃口半径为为34nm。用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：刀具 被切材料 最小切削厚度 W18Cr4V Q235钢0.248 W18Cr4V45钢0.274 YG8Q235钢0.350 YG845钢0.377 89刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响一、金刚石晶体的摩擦系数一、金刚石晶体的摩擦系数1）（）（100）晶面的摩擦）晶面的摩擦系数曲线有系数曲线有4个波峰个波峰和波谷；（和波谷；（110）晶）
50、晶面有面有2个波峰和波谷；个波峰和波谷；（111）晶面有）晶面有3个波个波峰和波谷；峰和波谷；2）（）（100）晶面的摩擦）晶面的摩擦系数最低；（系数最低；（110）最高；最高；3）（）（100）晶面的摩擦）晶面的摩擦系数差别最大；系数差别最大；（110）晶面最小。）晶面最小。90比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑变形系数和比比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑变形系数和比较剪切角大小较剪切角大小。1号车刀：前、后面为（号车刀：前、后面为（100）晶面；）晶面；2号车刀：前、后面为（号车刀：前、后面为（110）晶面。）晶面。（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑