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1、第四节第四节精密加工、精密加工、超精密加工超精密加工和细微加工和细微加工机械制造工程机械制造工程机械制造工程机械制造工程第五章第五章第五章第五章一、精密加工和超精密加工的界定 1一般加工一般加工l指加工精度在指加工精度在10m左右（左右（IT5IT7）、）、表面粗糙度为表面粗糙度为Ra0.2m0.8m的加工方的加工方法，法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等造和机床制造等 2精密加工精密加工l指加工精度在指加工精度在10m 0.1m（IT5或或IT5以上）、以上）、Ra0.1m的加工方法
2、，的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等珩磨、冷压加工等 3超精密加工超精密加工l指加工精度在指加工精度在0.1m 0.01m、Ra为为0.01m的加工方法，的加工方法，如金刚石如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等束加工、离子束加工等 二、实现精密和超精密加工的条件 1加工环境加工环境l恒温：恒温：温度增加温度增加l时，时，100mm长的钢长的钢件就可能会产生件就可能会产生1m的伸长，精密加的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都是工和超精密加工的加工精度一般都是微米级、亚微米级或更高
3、。因此，为微米级、亚微米级或更高。因此，为了保证加工区极高的热稳定性，精密了保证加工区极高的热稳定性，精密加工和超精密加工必须在严密的多层加工和超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行恒温条件下进行 l防振：防振：机床振动对精密加工和超精密机床振动对精密加工和超精密加工有很大的危害，为了提高加工系加工有很大的危害，为了提高加工系统的动态稳定性，除了在机床设计和统的动态稳定性，除了在机床设计和制造上采取各种措施，还必须用隔振制造上采取各种措施，还必须用隔振系统来保证机床不受或少受外界振动系统来保证机床不受或少受外界振动的影响。应能有效地隔离频率为的影响。应能有效地隔离频率为6Hz9Hz、振幅为振
4、幅为0.1m0.2m的外的外来振动来振动 l超净：超净：在未经净化的一般环境下，尘在未经净化的一般环境下，尘埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小于于1m，也有不少直径在也有不少直径在1m以上甚以上甚至超过至超过10m的尘埃。这些尘埃如果落的尘埃。这些尘埃如果落在加工表面上，可能将表面拉伤；如在加工表面上，可能将表面拉伤；如果落在量具测量表面上，就会造成操果落在量具测量表面上，就会造成操作者或质检员的错误判断。因此，精作者或质检员的错误判断。因此，精密加工和超精密加工必须有与加工相密加工和超精密加工必须有与加工相对应的超净工作环境对应的超净工作环境 2工具切（磨）削性
5、能工具切（磨）削性能l精密加工和超精密加工必须能均匀地去精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄金属除不大于工件加工精度要求的极薄金属层。当精密切削层。当精密切削（或磨削）（或磨削）的的ap1m时，时，ap可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，故非常大的原子结合力才能切除切屑，故作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具或磨具必需具有很高的硬度和耐磨性或磨具必需具有很高的硬度和耐磨性 3机床设备机床设备高精密加工机床必须
6、具备以下条件：高精密加工机床必须具备以下条件：l主轴有极高的回转精度及很高的刚性和主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性热稳定性l进给系统有超精确的匀速直线性，保证进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行在超低速条件下进给均匀，不发生爬行l为了在超精密加工时实现微量进给，必为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位移精度极高的微量进给机构须配备位移精度极高的微量进给机构l采用微机控制系统，自适应控制系统采用微机控制系统，自适应控制系统 4工件材料工件材料l应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，不允许存在微观缺陷，有些零件甚至对不允许
7、存在微观缺陷，有些零件甚至对材料组织的纤维化也有一定要求材料组织的纤维化也有一定要求 5测控技术测控技术l常用在线检测、在位检测、在线补偿、常用在线检测、在位检测、在线补偿、预测预报及适应控制等手段，测量仪器预测预报及适应控制等手段，测量仪器的精度一般总是要比机床的加工精度高的精度一般总是要比机床的加工精度高一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统 三、精密加工和超精密加工的特点l加工都以精密元件、零件为加工对象加工都以精密元件、零件为加工对象 l多学科综合技术多学科综合技术l加工检测一体化加工检测一体化l采用计算机控制、误差补偿、适应控采用计算机控制、误差补偿、适
8、应控制和工艺过程优化等生产自动化技术制和工艺过程优化等生产自动化技术 四、常用的精密加工和超精密加工和细微加工方法l采用金刚石刀具对工件进行超精密的微采用金刚石刀具对工件进行超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等研磨、抛光、精密和超精密磨削等l采用电化学加工、三束加工、超声波加采用电化学加工、三束加工、超声波加工等特种加工方法及复合加工工等特种加工方法及复合加工l微细加工是指制造微小尺寸零件的生产微细加工是指制造微小尺寸零件的生产加工技术加工技术 1金刚石刀具超精密切削切削机理切削机理l金刚石超精密切削主要是应用天然单晶
9、金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得极高的精度和极进行切削加工，以获得极高的精度和极低表面粗糙度参数值的一种超精密加工低表面粗糙度参数值的一种超精密加工方法方法l金刚石与有色金属的亲合力极低，摩擦金刚石与有色金属的亲合力极低，摩擦系数小，切削时不产生积屑瘤系数小，切削时不产生积屑瘤 l属于原子、分子级单位去除的加工属于原子、分子级单位去除的加工l切削时，其切削时，其apl m，刀具可能处于工件刀具可能处于工件晶粒内部切削状态。切削力要超过分子晶粒内部切削状态。切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承
10、或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大热量，受很大的剪切应力，并产生很大热量，造成刀刃的高应力、高温的工作状态造成刀刃的高应力、高温的工作状态 l金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层稳定地切除如此微薄的金属层l超精密车削加工余量只有几微米，能否超精密车削加工余量只有几微米，能否切除如此微薄的金属层，主要取决于刀切除如此微薄的金属层，主要取决于刀具的锋利程度。锋利程度一般是以切削具的锋利程度。锋利程度一般是以切削刃的刃口圆角半径刃的刃口圆角半径的大小来表示的大小来表示l金刚石刀具不仅具有很好的高温强度和金刚石刀
11、具不仅具有很好的高温强度和高温硬度，而且其材料本身质地细密，高温硬度，而且其材料本身质地细密，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，切削刃切削刃极小极小 刀具刀具对对ap的的影响影响金刚石刀具的刃磨及切削参数金刚石刀具的刃磨及切削参数l金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹持或粘接方式固定在刀体上构成的持或粘接方式固定在刀体上构成的金刚石刀具金刚石刀具的刃磨的刃磨l金刚石刀具的刃磨是一个关键技术金刚石刀具的刃磨是一个关键技术l单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径则则可达可达0.02ml金刚石精密切削铜和铝时金刚石精
12、密切削铜和铝时 v200500m/min p0.0020.003mm f0.010.04mm/r。2精密磨削及金刚石超精密磨削l精密磨削是指加工精度为精密磨削是指加工精度为10.1 m，Ra为为0.160.006 m的磨削方法；的磨削方法；而超精密磨削则是指加工精度高于而超精密磨削则是指加工精度高于0.1 m，Ra0.04 0.02 m的磨削方的磨削方法法精密磨削及超精密磨削的加工机理精密磨削及超精密磨削的加工机理l精密磨削主要是靠对普通磨料砂轮的精密磨削主要是靠对普通磨料砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，再加上无火花阶段微刃的滑挤、性，再加上无火花阶段
13、微刃的滑挤、摩擦、抛光作用，获得高精度摩擦、抛光作用，获得高精度 l超精密磨削则是采用人造金刚石、立方超精密磨削则是采用人造金刚石、立方氮化硼氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮对工件等超硬磨料砂轮对工件进行磨削加工进行磨削加工l磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到高温、高压的作用高温、高压的作用 l超精密磨削与普通磨削最大的区别是：超精密磨削与普通磨削最大的区别是：径向进给量极小，是超微量切除，可能径向进给量极小，是超微量切除，可能还伴有塑性流动和弹性破坏等作用还伴有塑性流动和弹性破坏等作用 金刚石砂轮的修整金刚石砂轮的修整l细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性细粒度
14、金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性材料时，常常采用与特种加工工艺方法材料时，常常采用与特种加工工艺方法相结合的在线修整方法相结合的在线修整方法（in-process dressing），如高压磨料水射流喷射修如高压磨料水射流喷射修整法、电解修锐法、电火花修整法和超整法、电解修锐法、电火花修整法和超声振动修整法等声振动修整法等 电解超硬砂轮电解超硬砂轮修锐方法修锐方法超精密磨床的技术要求超精密磨床的技术要求l很高的主轴回转精度和很高的导轨直线很高的主轴回转精度和很高的导轨直线度，以保证工件的几何形状精度；常常度，以保证工件的几何形状精度；常常采用大理石导轨增加热稳定性采用大理石导轨增加热稳定性l应配备
15、有微进给机构，以保证工件尺寸应配备有微进给机构，以保证工件尺寸精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性l工作台导轨低速运动的平稳性要好，不工作台导轨低速运动的平稳性要好，不产生爬行、振动产生爬行、振动,以保证砂轮修整质量以保证砂轮修整质量和稳定的磨削过程和稳定的磨削过程 精密磨削及超精密磨削的应用精密磨削及超精密磨削的应用l主要用于对钢铁等黑色金属材料的精主要用于对钢铁等黑色金属材料的精密加工及超精密加工密加工及超精密加工l如果采用金刚石砂轮和立方氮化硼砂如果采用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮，还可对各种高硬度、高脆性材料轮，还可对各种高硬度、高脆性材料（如硬质合金、陶
16、瓷、玻璃等）（如硬质合金、陶瓷、玻璃等）和高和高温合金材料进行精密加工和超精加工温合金材料进行精密加工和超精加工3细微加工技术l微机械指尺寸为毫米级及更小的微型微机械指尺寸为毫米级及更小的微型机械，而细微加工则是微机械、微电机械，而细微加工则是微机械、微电子技术发展之基础，是科技发展的重子技术发展之基础，是科技发展的重要方向要方向 l细微加工技术是指制造微小尺寸零细微加工技术是指制造微小尺寸零件、部件和装置的加工和装配技术，件、部件和装置的加工和装配技术，属精密、超精密加工的范畴。其工属精密、超精密加工的范畴。其工艺技术包括：艺技术包括：精密和超精密的切削精密和超精密的切削与磨削方法与磨削方法；绝大多数的特种加工绝大多数的特种加工方法方法；与特种加工有机结合的复合与特种加工有机结合的复合加工方法加工方法等三类等三类 l常用的细微加工方法及其应用参见常用的细微加工方法及其应用参见表表5-15 电子束曝光光刻加工过程电子束曝光光刻加工过程返回返回