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1、1第七章第七章 先进制造技术本章要点快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术高速加工和高速加工和高速加工和高速加工和精密超精精密超精密加工密加工微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术2先进制造技术先进制造技术 在新产品的开发过程中，总是需要对所在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价
2、、修改和功能验证。评价、修改和功能验证。3零件成形方法零件成形方法 材材材材料料料料成成成成形形形形法法法法进进入入工工艺艺过过程程物物料料初初始始重重量量近近似似等等于于加加工工后后最最终终重重量量。如如铸铸造造、压压力力加加工工、粉粉末末冶冶金金、注注塑塑成成形形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材材材材料料料料去去去去除除除除法法法法零零件件的的最最终终几几何何形形状状局局限限在在毛毛坯坯的的初初始始几几何何形形状状范范围围内内，零零件件形形状状的的改改变变是是通通过过去去除除一一部部分分材材料料，减减少少一一部部分分重重量量
3、来来实实现现的的。如如切切削削与与磨磨削削，电电火火花花加加工工、电解加工等特种加工等。电解加工等特种加工等。材材材材料料料料累累累累加加加加法法法法传传统统的的累累加加方方法法有有焊焊接接、粘粘接接或或铆铆接接等等，通通过过不不可可拆拆卸卸连连接接使使物物料料结结合合成成一一个个整整体体，形形成成零零件件。近近几几年年才才发发展展起起来来的的快快速速原原型型制制造造技技术术（RPM），是是材材料料累加法的新发展。累加法的新发展。4 第一节 快速原型制造技术（RPM）快快速速原原型型制制造造（Rapid Photograph Manufacturing RPM），又又称称“快快速速成成形形技技
4、术术”（Rapid Photograph RP）或或“分分层层制制造造”（Layer Manufacturing LM），是是20世纪世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。它它将将计计算算机机辅辅助助设设计计（CAD）、计计算算机机辅辅助助制制造造（CAM）、计计算算机机数数控控（CNC）、精精密密伺伺服服驱驱动动、新新材材料料等等先先进进技技术术集集于于一一体体，依依据据计计算算机机上上构构成成的的产产品品三三维维设设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按按照照这这些些轮轮廓廓，激激光光
5、束束选选择择性性地地切切割割一一层层层层的的箔箔材材（或或固固化化一一层层层层的的液液态态树树脂脂，或或烧烧结结一一层层层层的的粉粉末末材材料料），或或喷喷射射源源选选择择性性地地喷喷射射一一层层层层的的粘粘结结剂剂或或热热熔熔材材料料等等，形形成成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图2-1）。）。5图2-1 快速成型过程喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末6a）b）图2-2 传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工去除加工设计模具
6、样品快速成形快速成形快速成型技术是将计算机辅助制造、计算机数字控制、精快速成型技术是将计算机辅助制造、计算机数字控制、精密伺服驱动、激光与材料技术于一体的现代技术。其基本思密伺服驱动、激光与材料技术于一体的现代技术。其基本思路起源于三维实体被切成一系列连续切片的逆过程即只需路起源于三维实体被切成一系列连续切片的逆过程即只需用三维的制造方法制作成一系的薄切片便可堆积成所需的用三维的制造方法制作成一系的薄切片便可堆积成所需的三维零件。三维零件。快速加工技术的主要持点：快速加工技术的主要持点：能直接由三维能直接由三维CAD模型制造形状复杂的原型，缩短了产品模型制造形状复杂的原型，缩短了产品开发周期，
7、降低了生产成本使产品能迅速投入市场。开发周期，降低了生产成本使产品能迅速投入市场。可制造任意复杂的高精度零件，而无需任何工具。可制造任意复杂的高精度零件，而无需任何工具。它是创造性设计的有效工具，也能比较容易制造出试验模它是创造性设计的有效工具，也能比较容易制造出试验模型，可在加工生产前找出设计中存在的不足之处，并迅速加型，可在加工生产前找出设计中存在的不足之处，并迅速加以修改。以修改。快速成型技术在应用中存在的问题：系统造价昂贵、运行快速成型技术在应用中存在的问题：系统造价昂贵、运行费用高，加工用材价格偏高，能够处理的材料种类有限，与费用高，加工用材价格偏高，能够处理的材料种类有限，与CAD
8、系统的接口尚无通用格式。系统的接口尚无通用格式。8图2-2a 快速成型机床及快速成型件9（一）概述（一）概述 19311931年年德德国国切切削削物物理理学学家家C.J.SalomomC.J.Salomom在在“高高速速切切削削原原理理”一一文文中中给给出出了了著著名名的的“SalomomSalomom曲曲线线”对对应应于于一一定定的的工工件件材材料料存存在在一一个个临临界界切切削削速速度度，此此点点切切削削温温度度最最高高，超超过过该该临临界界值值，切切削削速速度度增增加加，切削温度反而下降。切削温度反而下降。尚尚无无统统一一定定义义，一一般般认认为为高高速速加加工工是是指指采采用用超超硬硬
9、材材料料的的刀刀具具，通通过过极极大大地地提提高高切切削削速速度度和和进进给给速速度度，来来提提高高材材料料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以以切切削削速速度度和和进进给给速速度度界界定定：高高速速加加工工的的切切削削速速度度和和进进给速度为普通切削的给速度为普通切削的5 51010倍。倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速以主轴转速界定：高速加工的主轴转速 10000 r/min10000 r/min。q1、高速加工定义一、一、一、一、高速加工高速加工高速加工高速加工第二节第二节第二节第二节 高速加工和高速加工和高速加工和高速加工和
10、精密超精密加工精密超精密加工10图3-31 Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切削温度/切削适应区非铁金属高高速速切切削削是是个个相相对对的的概概念念，如如果果加加工工方方法法和和切切削削材材料料不不同，高速切削的速度范围也就不同。同，高速切削的速度范围也就不同。如如从从加加工工方方法法的的角角度度，车车削削加加工工速速度度范范围围是是7007007000m/min7000m/min，铣
11、铣削削加加工工速速度度范范围围是是3003006000m/min6000m/min，钻钻削削加加工工的的速速度度范范围围是是2002001100m/min1100m/min，磨磨削削加加工工的的速速度度范范围围是是150150360m/min360m/min。从从材材料料的的角角度度，目目前前铝铝合合金金的的高高速速切切削削范范围围是是150015005500m/min5500m/min，铸铸铁铁的的高高速速切切削削范范围围是是7507504500m/min4500m/min，普普通通钢的高速切削范围是钢的高速切削范围是600600800m/min800m/min。一一般般认认为为高高速速加加
12、工工的的速速度度范范围围是是普普通通加加工工的的5 51010倍倍。随随着着高高速速机机床床设设备备和和刀刀具具等等关关键键技技术术领领域域的的突突破破性性进进展展，高高速加工的速度范围还会不断扩展。速加工的速度范围还会不断扩展。12图3-32 高速与超高速切削速度范围 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料塑料铝合金铝合金铜铜铸铁铸铁钢钢钛合金钛合金镍合金镍合金q 2、高速加工的切削速度范围高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图高速加工切削速度范
13、围因不同的工件材料而异，见图3-323-32车削：700-7000 m/min铣削：铣削：300-6000 m/min钻削：钻削：200-1100 m/min磨削：磨削：50-300 m/s 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同13 加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工
14、件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义(工工序序集集约约化化是是指指在在一一台实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工工序台实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工工序).3、高速加工的特点高速加工的特点14高速加工实例毛坯材料使用刀具主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)NAK 80(HRC40)4 球头1
15、40002200加工零件示意图加工零件示意图高速加工切削条件15 航空航天：航空航天：带带带带有有有有大大大大量量量量薄薄薄薄壁壁壁壁、细细细细筋筋筋筋的的的的大大大大型型型型轻轻轻轻合合合合金金金金整整整整体体体体构构构构件件件件加加加加工工工工，材材材材料去除率达料去除率达料去除率达料去除率达100-180cm100-180cm3 3/min/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达镍合金、钛合金加工，切削速度达镍合金、钛合金加工，切削速度达镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min200-1000 m/min 汽车工业：汽车工业：4、高速加工的应用高速加工的应用 采采采采用
16、用用用高高高高速速速速数数数数控控控控机机机机床床床床和和和和高高高高速速速速加加加加工工工工中中中中心心心心组组组组成成成成高高高高速速速速柔柔柔柔性性性性生生生生产产产产线，实现多品种、中小批量的高效生产线，实现多品种、中小批量的高效生产线，实现多品种、中小批量的高效生产线，实现多品种、中小批量的高效生产 模具制造：模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-53-5倍倍（图（图3-343-34，图，图3-35 3-35）。）。仪器仪表：仪器仪表：精密光学零件加工。精密光学零件加工。16b）高速模具加工的过程图3-34 两种模具加工过程
17、比较1硬化毛坯 2粗铣 3半精铣 4精铣 5手工磨修 a）传统模具加工的过程1毛坯 2粗铣 3半精铣 4热处理 5电火花加工6精铣 7手工磨修 电极制造17图3-35 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间 100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修 对对于于复复杂杂型型面面模模具具，模模具具精精加加工工费费用用往往往往占占到到模模具具总总费费用用的的50%以以上上。采采用用高高速速加加工工可可使使模模具具精精加加工工费费用用大大大大减少，从而可降低模具生产成本。减少，从而可降低模具生产成本。超高速切削已用于加工
18、多种零件，下图是几种加工零件实超高速切削已用于加工多种零件，下图是几种加工零件实例，可见多种不同材料的复杂结构零件，包含自由曲面的零件例，可见多种不同材料的复杂结构零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技术加工。航空工业中的大型铝合金机等，都已可用高速切削技术加工。航空工业中的大型铝合金机架，使用超高速铣削，提高了加工效率，效果非常明显。架，使用超高速铣削，提高了加工效率，效果非常明显。19 高高高高速速速速加加加加工工工工虽虽虽虽具具具具有有有有众众众众多多多多的的的的优优优优点点点点，但但但但由由由由于于于于技技技技术术术术复复复复杂杂杂杂，且且且且对对对对于于于于相关技术要求较高，
19、使其应用受到限制。相关技术要求较高，使其应用受到限制。相关技术要求较高，使其应用受到限制。相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：与高速加工密切相关的技术主要有：与高速加工密切相关的技术主要有：与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与磨具制造技术；高速加工刀具与磨具制造技术；高速加工刀具与磨具制造技术；高速加工刀具与磨具制造技术；高速主轴单元制造技术；高速主轴单元制造技术；高速主轴单元制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；高速加工在线检测与控制技术；高
20、速加工在线检测与控制技术；高速加工在线检测与控制技术；其其其其他他他他：如如如如高高高高速速速速加加加加工工工工毛毛毛毛坯坯坯坯制制制制造造造造技技技技术术术术，干干干干切切切切技技技技术术术术，高高高高速速速速加加加加工的排屑技术、安全防护技术等。工的排屑技术、安全防护技术等。工的排屑技术、安全防护技术等。工的排屑技术、安全防护技术等。此此此此外外外外高高高高速速速速切切切切削削削削与与与与磨磨磨磨削削削削机机机机理理理理的的的的研研研研究究究究，对对对对于于于于高高高高速速速速切切切切削削削削的的的的发发发发展展展展也具有重要意义。也具有重要意义。也具有重要意义。也具有重要意义。高速加工技
21、术取决于硬件技术和软件技术高速加工技术取决于硬件技术和软件技术高速加工技术取决于硬件技术和软件技术高速加工技术取决于硬件技术和软件技术高速加工技术的体系结构高速加工技术的体系结构（二）高速切削的刀具（二）高速切削的刀具 高高速速切切削削的的一一个个主主要要问问题题是是刀刀具具磨磨损损，与与普普通通切切削削相相比比，高高速速切切削削时时刀刀具具与与工工件件的的接接触触时时间间减减少少，接接触触颇颇率率增增加加，由由此此减减少少了了切切屑屑的的皱皱褶褶，切切削削过过程程中中产产生生的的热热量量更更多多地地向向刀刀具具传传递递，磨磨损损机机理理与与普普通通切切削削有有很大区别。很大区别。由由于于高高
22、速速切切削削时时离离心心力力和和振振动动的的影影响响，刀刀具具必必须须具具有有良良好好的的平平衡衡状状态态和和安安全全性性能能。设设计计刀刀具具时时，必必须须根根据据高高速速切切削削的的要要求求，综综合合考考虑虑磨磨损损、强强度度、刚刚度度和和精度等方面因素。精度等方面因素。22刀具材料种类刀具材料种类 合金合金 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金刚石聚晶金刚石 聚晶立方氮聚晶立方氮工具钢工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石金刚石 PCD 化硼化硼 PCBN材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV75
23、00 HV4000抗弯强度抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性化学惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐磨性 低低 低低 较高较高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2加工质量加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1
24、-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削可替代磨削加工对象加工对象低速加低速加工一般工一般钢材、钢材、铸铁铸铁一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工高硬度高硬度钢材精钢材精加工加工硬质合金、铜、硬质合金、铜、铝有色金属及铝有色金属及其合金、陶瓷其合金、陶瓷等高硬度材料等高硬度材料淬火钢、冷硬淬火钢、冷硬铸铁、高温合铸铁、高温合金等难加工材金等难加工材料料 表表3-3 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比天天天天然然然然金金金金刚刚刚刚石石石石是是是是目目目目前前前前已已已已知
25、知知知的的的的最最最最硬硬硬硬物物物物质质质质，硬硬硬硬度度度度范范范范围围围围为为为为HV8000-12000HV8000-12000HV8000-12000HV8000-12000，相对密度为，相对密度为，相对密度为，相对密度为3.48-3.563.48-3.563.48-3.563.48-3.56。是是是是各各各各向向向向异异异异性性性性的的的的单单单单晶晶晶晶体体体体，晶晶晶晶体体体体取取取取向向向向不不不不同同同同，硬硬硬硬度度度度及及及及耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性也不相同。也不相同。也不相同。也不相同。耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性极极极极好好好好，刀刀刀刀具具具具寿寿寿寿命命命命可可可可
26、长长长长达达达达数数数数百百百百小小小小时时时时；刃刃刃刃口口口口锋锋锋锋利利利利，切削刃钝圆半径可达切削刃钝圆半径可达切削刃钝圆半径可达切削刃钝圆半径可达0.01m0.01m0.01m0.01m。耐耐耐耐热热热热性性性性为为为为700-800700-800700-800700-800，高高高高于于于于此此此此温温温温度度度度，碳碳碳碳原原原原子子子子转转转转化化化化为为为为石石石石墨结构，硬度丧失。墨结构，硬度丧失。墨结构，硬度丧失。墨结构，硬度丧失。价价价价格格格格昂昂昂昂贵贵贵贵，刃刃刃刃磨磨磨磨困困困困难难难难，主主主主要要要要用用用用于于于于加加加加工工工工精精精精度度度度和和和和表
27、表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度要要要要求求求求极极极极高高高高的的的的零零零零件件件件，如如如如激激激激光光光光反反反反射射射射镜镜镜镜、感感感感光光光光鼓鼓鼓鼓、多多多多面面面面镜镜镜镜、磁盘等。磁盘等。磁盘等。磁盘等。1.天然金刚石天然金刚石刀具刀具不不不不存存存存在在在在各各各各向向向向异异异异性性性性，硬硬硬硬度度度度略略略略低低低低于于于于天天天天然然然然金金金金刚刚刚刚石石石石，为为为为HV6500-8000HV6500-8000HV6500-8000HV6500-8000价价价价格格格格便便便便宜宜宜宜，焊焊焊焊接接接接方方方方便便便便，可可可可磨磨磨磨性性性性好好好好，
28、应应应应用用用用广广广广泛泛泛泛，可可可可在在在在大部分场合代替天然金刚石大部分场合代替天然金刚石大部分场合代替天然金刚石大部分场合代替天然金刚石用用用用CVD(CVD(CVD(CVD(化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积)可将聚晶金刚石作成涂层可将聚晶金刚石作成涂层可将聚晶金刚石作成涂层可将聚晶金刚石作成涂层金金金金刚刚刚刚石石石石刀刀刀刀具具具具不不不不适适适适于于于于加加加加工工工工铁铁铁铁族族族族材材材材料料料料，因因因因为为为为金金金金刚刚刚刚石石石石中中中中的的的的碳碳碳碳元元元元素素素素与与与与铁铁铁铁元元元元素素素素有有有有很很很很强强强强的的的的亲亲亲亲和和和和力
29、力力力，碳碳碳碳元元元元素素素素极极极极易易易易向向向向含含含含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损2.2.聚晶金刚石聚晶金刚石刀具刀具25图3-36 金刚石（左）与CBN(立方氮化硼)（右）原子结构碳原子氮原子硼原子 金金金金刚刚刚刚石石石石与与与与CBNCBN晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构相相相相似似似似，每每每每一一一一个个个个原原原原子子子子都都都都以以以以理理理理想想想想四四四四面面面面体体体体方方方方式式式式以以以以1092810928键键键键角角角角与与与与邻邻邻邻近近近近4 4
30、个个个个原原原原子子子子结结结结合合合合。金金金金刚刚刚刚石石石石中中中中的的的的每每每每个个个个C C原原原原子子子子都都都都以以以以共共共共价价价价键键键键方方方方式式式式与与与与邻邻邻邻近近近近4 4个个个个C C原原原原子子子子结结结结合合合合。CBNCBN中中中中每每每每个个个个N N原原原原子子子子与与与与4 4个个个个B B原原原原子子子子结结结结合合合合，每每每每个个个个B B原原原原子子子子又又又又与与与与4 4个个个个N N原原原原子子子子结结结结合合合合，并存在少数离子键。并存在少数离子键。并存在少数离子键。并存在少数离子键。聚聚聚聚晶晶晶晶立立立立方方方方氮氮氮氮化化化
31、化硼硼硼硼是是是是由由由由立立立立方方方方氮氮氮氮化化化化硼硼硼硼微微微微粉粉粉粉在在在在结结结结合合合合剂剂剂剂存存存存在在在在下下下下，高高高高温温温温高高高高压压压压烧烧烧烧结结结结而而而而成成成成的的的的立方氮化硼多晶体。立方氮化硼多晶体。立方氮化硼多晶体。立方氮化硼多晶体。26 较较高高的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性：CBNCBN晶晶体体结结构构与与金金刚刚石石相相似似，化化学学键键类类型型相相同同，晶晶格格常常数数相相近近。CBNCBN粉粉末末硬硬度度 HV8000HV8000，PCBNPCBN硬硬 度度3 3000-5000000-5000。切切削削耐耐磨磨材材料料时时，其其耐耐磨
32、磨性性为为硬硬质质合合金金刀刀具具的的5050倍倍，涂涂层层硬硬质质合合金金刀刀具具的的3030倍倍，陶陶瓷瓷刀刀具具的的2525倍。倍。PCBN切削性能切削性能q 3.3.聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼q(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride)1970年问世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 温度/BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37 PCBN刀具高温硬度 高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图（图3-373-37）27良好的化学稳定性良好
33、的化学稳定性良好的化学稳定性良好的化学稳定性 1200-13001200-1300与与与与铁铁铁铁系系系系材材材材料料料料不不不不发发发发生生生生化化化化学学学学反反反反应应应应；2000 2000 才才才才与与与与碳碳碳碳发发发发生生生生化化化化学学学学反反反反应应应应；对对对对各各各各种种种种材材材材料料料料粘粘粘粘结结结结、扩扩扩扩散散散散作作作作用用用用比比比比硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金小小小小的的的的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。多。化学稳定性优于金刚石
34、刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性良好的导热性良好的导热性良好的导热性 CBNCBN导导导导热热热热性性性性仅仅仅仅次次次次于于于于金金金金刚刚刚刚石石石石，导导导导热热热热系系系系数数数数为为为为1300W/m1300W/m，是是是是硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金的的的的2020倍倍倍倍，陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷的的的的3737倍倍倍倍，且且且且随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而增增增增加加加加。这这这这一一一一特特特特性性性性使使使使PCBNPCBN刀刀刀刀具具具具刀刀刀刀尖尖尖尖处处处处温温温温度度度度降降降降低低低低，减减减减少少少少刀刀刀刀具具具具磨磨磨磨损损损损，提提
35、提提高高高高加加加加工精度。工精度。工精度。工精度。较低的摩擦系数较低的摩擦系数较低的摩擦系数较低的摩擦系数 CBNCBN与与与与不不不不同同同同材材材材料料料料间间间间的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦系系系系数数数数为为为为0.1-0.30.1-0.3（硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金为为为为0.4-0.4-0.60.6），且且且且随随随随切切切切削削削削速速速速度度度度的的的的提提提提高高高高而而而而减减减减小小小小。这这这这一一一一特特特特性性性性使使使使切切切切削削削削变变变变形形形形和切削力减小，加工表面质量提高。和切削力减小，加工表面质量提高。和切削力减小，加工表面质量提高。和切削力减小，
36、加工表面质量提高。28加工加工加工加工HRC45HRC45以上的硬质材料以上的硬质材料以上的硬质材料以上的硬质材料 例例例例如如如如各各各各种种种种淬淬淬淬硬硬硬硬钢钢钢钢（工工工工具具具具钢钢钢钢、合合合合金金金金钢钢钢钢、模模模模具具具具钢钢钢钢、轴轴轴轴承承承承钢钢钢钢等等等等），铸铸铸铸铁铁铁铁（钒钒钒钒钛钛钛钛铸铸铸铸铁铁铁铁、冷冷冷冷硬硬硬硬铸铸铸铸铁铁铁铁、高高高高磷磷磷磷铸铸铸铸铁铁铁铁等等等等），高高高高温温温温合合合合金金金金，硬硬硬硬质合金，粉末金属质合金，粉末金属质合金，粉末金属质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料表面喷涂（焊）材料表面喷涂（焊）材料表面喷涂（焊）材料等。
37、等。等。等。PCBN刀具应用刀具应用金属软化效应金属软化效应金属软化效应金属软化效应 用用用用PCBNPCBN切切切切削削削削淬淬淬淬硬硬硬硬钢钢钢钢，工工工工件件件件材材材材料料料料硬硬硬硬度度度度HRC50HRC50时时时时，切切切切削削削削温温温温度度度度随随随随材材材材料料料料硬硬硬硬度度度度增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加；工工工工件件件件材材材材料料料料硬硬硬硬度度度度HRC50HRC50时时时时，切切切切削削削削温温温温度度度度随随随随材材材材料料料料硬硬硬硬度度度度增增增增加加加加有有有有下下下下降降降降趋趋趋趋势势势势（图图图图3-383-38），金金金金属属属属软软
38、软软化化化化，硬度下降，加工易于硬度下降，加工易于硬度下降，加工易于硬度下降，加工易于进行。进行。800750700650600 30 40 50 60 70 硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削温度/图3-38 切削温度与硬度关系29 PCBN刀具应用实例刀具应用实例加工对象加工对象 硬度硬度 加工方式加工方式 工艺参数工艺参数 加工效果加工效果GCr15 HRC71 车削车削 V=180m/mim 以车代磨，工效提高以车代磨，工效提高4-5倍倍钢轧辊钢轧辊 f=5.6mm/r Ra0.8-0.4mYG15 HRA87 镗孔镗孔 V=50m/mim 工效
39、较电火花加工提高工效较电火花加工提高30冷挤压模冷挤压模 倍，倍，Ra0.8-0.4mA3热压板热压板 端铣端铣 V=800m/mim 以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高6-7倍倍 Vf=100m/mim Ra1.6-0.8m，平面度，平面度0.02凸轮轴凸轮轴 HRC60 磨削磨削 V=80m/s 比单晶刚玉砂轮寿命提高比单晶刚玉砂轮寿命提高 20倍，生产效率提高倍，生产效率提高50%GCr15 HRC62 磨削磨削 V=65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高比棕刚玉砂轮耐用度提高轴承内孔轴承内孔 170倍，生产效率提高一倍倍，生产效率提高一倍Cr、Cu 端铣端铣 V=800m/mim Ra0
40、.8m，平面度，平面度0.02铸铁铸铁 Vf=0.1mm/齿齿40Cr钢钢 HRC38 立铣立铣 V=850m/mim 以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高5-6倍倍 Ra0.8m表3-5 PCBN刀具应用实例电主轴结构的基本构成电主轴结构的基本构成所所谓谓电电主主轴轴结结构构就就是是将将电电机机的的转转子子直直接接作作为为机机床床的的主主轴轴，主主轴轴单单元元的的壳壳体体就就是是电电机机座座，并并配配合合其其他他安安全全保保障障措措施，实现电机与机床主轴的一体化。施，实现电机与机床主轴的一体化。电电主主轴轴结结构构的的基基本本构构成成如如图图3 33838所所示示，它它通通常常由由电电主主轴
41、轴单单元元、轴轴承承及及其其润润滑滑单单元元、主主轴轴冷冷却却单单元元以以及及动动平平衡衡单元组成。单元组成。（三）（三）高速加工机床高速加工机床图338电主轴结构的基本构成 主轴的转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变主轴的转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变32图3-39 陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口高速主轴高速主轴q 陶瓷轴承高速主轴结构陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构33 采采用用C C或或B B级级精精度度角角接接触触球球轴轴承承，轴
42、轴承承布布置置与与传传统统磨磨床床主轴结构相类似；主轴结构相类似；采用采用“小珠密球小珠密球”结构，滚珠材料结构，滚珠材料SiSi3 3N N4 4；与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小陶瓷球密度减小60%60%，从而可大大降低离心力；，从而可大大降低离心力；陶瓷弹性模量比钢高陶瓷弹性模量比钢高50%50%，使轴承具有更高刚度；，使轴承具有更高刚度；陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；采用电动主轴（电机与主轴作
43、成一体）；轴轴承承转转速速特特征征值值（=轴轴径径（mmmm）转转速速（r/minr/min）较较普通钢轴承提高普通钢轴承提高1.2 1.2 2 2倍，可达倍，可达0.50.51101106 6。q 陶瓷轴承高速主轴结构特征34电电磁磁铁铁绕绕组组通通过过电电流流 I0，对对转转子子产产生生吸吸力力 F，与与转转子子重重量量平平衡衡，转转子子处处于于悬悬浮浮平平衡衡位位置置（图图3-32）。转转子子受受扰扰动动后后，偏偏离离其其平平衡衡位位置置。传传感感器器检检测测出出转转子子位位移移，将将位位移移信信号号送送至至控控制制器器。控控制制器器将将位位移移信信号号转转换换成成控控制制信信号号，经经
44、功功放放变变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置磁浮轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴位位移移传传感感器器通通常常为为非非接接触触式式，其其数数量量一一般般为为5-7个个，对对其其灵灵敏敏度度和和可靠性要求均较高。可靠性要求均较高。控控制制器器设设计计较较复复杂杂，使使磁磁悬悬浮浮轴轴承承成成本本较较高高（一一套套磁磁悬悬浮浮轴轴承承售售价价约约1万美元）。万美元）。放大器电磁铁（定子）传感器转子图3-32 磁悬浮轴承工作原理控制器35前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图3-
45、41 磁浮轴承高速主轴q 磁浮轴承主轴结构36 主主主主轴轴轴轴由由由由两两两两个个个个径径径径向向向向和和和和两两两两个个个个轴轴轴轴向向向向磁磁磁磁浮浮浮浮轴轴轴轴承承承承支支支支承承承承，磁磁磁磁浮浮浮浮轴轴轴轴承承承承定子与转子间空隙约定子与转子间空隙约定子与转子间空隙约定子与转子间空隙约0.1mm0.1mm。刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度1010倍。倍。倍。倍。转速特征值可达转速特征值可达转速特征值可达转速特征值可达4104106 6。回回回回转转转转精精精精度度度度主主主主要要要要取取取取决决决决于于
46、于于传传传传感感感感器器器器的的的的精精精精度度度度和和和和灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度，以以以以及及及及控控控控制电路性能，目前可达制电路性能，目前可达制电路性能，目前可达制电路性能，目前可达0.2m0.2m。机机机机械械械械结结结结构构构构及及及及电电电电路路路路系系系系统统统统均均均均较较较较复复复复杂杂杂杂；又又又又由由由由于于于于发发发发热热热热多多多多，对对对对冷冷冷冷却系统性能要求较高。却系统性能要求较高。却系统性能要求较高。却系统性能要求较高。q 磁浮轴承主轴特点磁浮轴承主轴特点 现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提
47、高产品的性能和质量，提高其稳定性和要原因在于：提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。装配生产率，并促进自动化装配。精密、超精密加工技术的提高，有力地推动了各种精密、超精密加工技术的提高，有力地推动了各种新技术的发展。新技术的发展。二、二、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术（一）概述（一）概述 在高精度加工范围内，根据加工精度水平的在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。
48、和纳米加工三个档次。加工公差为加工公差为10.00.1m，表面粗糙度，表面粗糙度 Ra0.300.03m的加工称为的加工称为精密加工精密加工；加工公差为加工公差为0.10.01m、表面粗糙度、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工称为的加工称为超精密加工超精密加工；加工公差小于加工公差小于0.01m、表面粗糙度、表面粗糙度Ra小于小于0.005m的加工称为的加工称为纳米加工纳米加工。精精密密加加工工 在在一一定定的的发发展展时时期期，加加工工精精度度和和表表面面质质量达到较高程度的加工工艺。量达到较高程度的加工工艺。超超精精密密加加工工 在在一一定定的的发发展展时时期期，加加工工精精度度和和
49、表表面面质量达到最高程度的加工工艺。质量达到最高程度的加工工艺。瓦特改进蒸汽机瓦特改进蒸汽机1781年年 镗孔精度镗孔精度 1mm 20 世纪世纪 40 年代年代 最高精度最高精度 1m 20 世纪世纪 末末 精密加工：精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）（亚微米加工）超精密加工：超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）（纳米加工）微细加工微细加工 微小尺寸的精密加工微小尺寸的精密加工 超微细加工超微细加工 微小尺寸的超精密加工微小尺寸的超精密加工 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m
50、，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位精密和超精密加工目前包含三个领域精密和超精密加工目前包含三个领域（1）精密和超精密切削。精密和超精密切削。如超精密金刚石切削，