【正文】 精密與特種加工 第 1章 精密切削加工 概 述 精密切削加工機(jī)理 精密切削加工機(jī)床及應(yīng)用 超精密切削加工簡介 第 1章 精密切削加工 概 述 Introduction 概 念 精密加工 精密加工 是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的加工工藝 。 不同的發(fā)展時(shí)期 ， 其技術(shù)指標(biāo)有所不同 。 目前 ， 在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中 ， 一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度是 1μm ， 與之相對(duì)應(yīng) ， 將加工精度為 ~1μm ， 加工表面粗糙度 Ra在 ～ 范圍內(nèi)的加工方法稱為 精密加工 。 ? 1983年 ,日本田口教授經(jīng)大量考察精密與特種加工廠后 ,對(duì)當(dāng)代多種加工方法所能達(dá)到的精度及其發(fā)展趨勢(shì)有個(gè)預(yù)測(cè) ? 本 (下頁 )圖分兩個(gè)層面來看 :各種加工方法的極限 。發(fā)展趨勢(shì) . 概 念 多種加工方法所能達(dá)到的精度及具發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)見圖。 概 念 ?英國 RollsRoyce公司的資料表明 ， 將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由 60μm提高到 12μm， 加工表面粗糙度由 ， 則發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮效率將從 89％ 提高到 94％ 。 概 念 機(jī)械工業(yè)提高零件加工精度的主要原因 ?提高零件的加工精度，可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。 ? 20世紀(jì) 80年代初 ， 前蘇聯(lián)從日本引進(jìn)了四臺(tái)精密數(shù)控銑床 ， 用于加工 螺旋槳曲面 ， 使其潛艇的水下航行噪聲大幅度下降 ， 即使使用精密的聲納探測(cè)裝置也很難發(fā)現(xiàn)潛艇的行蹤 。 概 念 ? 傳動(dòng)齒輪的齒形及齒距誤差直接影響了其傳遞扭矩的能力 。 若將該誤差從目前的 3~6μm降低到1μm， 則齒輪箱單位重量所能傳遞的扭矩將提高近一倍 ， 從而可使目前的齒輪箱尺寸大大縮小 。 ? BM公司開發(fā)的磁盤 ， 其記憶密度由 1957年的300bit/cm2提高到 1982年的 254萬 bit/cm2， 提高了近 l萬倍 ， 這在很大程度上應(yīng)歸功于磁盤基片加工精度的提高和表面粗糙度的減小 。 概 念 ?提高零件的加工精度可促進(jìn)產(chǎn)品的小型化。 ? 自動(dòng)化裝配是提高裝配生產(chǎn)率和裝配質(zhì)量的重要手段 。 自動(dòng)化裝配的前提是零件必須完全互換 ， 這就要求嚴(yán)格控制零件的加工公差 ， 從而導(dǎo)致零件的加工精度要求極高 ， 精密加工使之成為可能 。 概 念 ?提高零件的加工精度可增強(qiáng)零件的互換性 ， 提高裝配生產(chǎn)率 ， 促進(jìn)自動(dòng)化裝配應(yīng)用 ， 推進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn) 。 概 念 精密加工技術(shù)是綜合性的技術(shù)。 實(shí)現(xiàn)精密加工的條件： ?① 精密的機(jī)床工具設(shè)備和刀具； ?② 超精密加工的機(jī)理與工藝方法； ?③ 精密測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)； ?④ 超精密加工中的工件材料； ?⑤ 穩(wěn)定的環(huán)境條件。 概 念 ? 精密加工機(jī)床 精密加工機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的 首要條件 。 主要研究方向 是提高 機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度 ， 工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)精度 以及 刀具的微量進(jìn)給精度 。 ? ① 采用超精密級(jí)的滾動(dòng)軸承。 ? ②采用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承。其靜、 動(dòng)態(tài)性能更加優(yōu)異。 ? 精密機(jī)床主軸要求具有很高的回轉(zhuǎn)精度 ， 轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn) ， 無振動(dòng) ， 其關(guān)鍵在于主軸軸承 。 概 念 ? 工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)精度是由導(dǎo)軌決定的。 精密機(jī)床使用的導(dǎo)軌有： 滾動(dòng)導(dǎo)軌 液體靜壓導(dǎo)軌 氣浮導(dǎo)軌 空氣靜壓導(dǎo)軌 普通車床精度 ? 彈性變形式和電致伸縮式 微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)比較適用 ， 尤其是 電致伸縮微量進(jìn)給裝置 ， 可以進(jìn)行自動(dòng)化控制 ， 有較好的動(dòng)態(tài)特性 ， 在精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用 。 概 念 ? 為了提高刀具的進(jìn)給精度，必須使用微量進(jìn)給裝置 ?(1)金剛石晶體的晶面選擇，這對(duì)刀具的使用性能有重 要的影響； ?(2)金剛石刀具刃口的鋒利性，即刀具刃口的圓弧半徑， 它直接影響到切削加工的最小切削深度，影響到微 量切除能力和加工質(zhì)量。 概 念 ? 金剛石刀具 金剛石刀具 是精密切削加工的重要手段 ? 金剛石刀具有兩個(gè)重要的問題要解決： ?先進(jìn)國家刃磨金剛石刀具的刃口半徑可以小到數(shù)納米的水平 。 我國目前刃磨的金剛石刀具的刃口半徑只能達(dá)到 ～ 。 ?當(dāng)刃口半徑小于 時(shí) ， 必須解決測(cè)量上的難題 。 概 念 ? 金剛石刀具 精密切削是微量切削 ， 微量切削過程中許多機(jī)理方面的問題都有其特殊性 ， 如 積屑瘤的形成 ， 鱗刺 的產(chǎn)生 ， 切削參數(shù)及加工條件對(duì)切削過程的影響 ，以及 它們對(duì)加工精度和表面質(zhì)量的影響 ， 都與常規(guī)切削有很大的不同 。 概 念 ? 精密切削機(jī)理 精密切削加工必須能夠均勻地切除極薄的金屬層 ， 微量切除 是精密加工的重要特征之一 。 概 念 ? 穩(wěn)定的加工環(huán)境 精密加工必須在穩(wěn)定的加工環(huán)境下進(jìn)行 ， 主要包括 恒溫恒濕 、 防振和空氣凈化 三個(gè)方面的條件 。 (1)恒溫恒濕 .精密加工必須在嚴(yán)格的多層恒溫條件下進(jìn)行 ， 即不僅工作間應(yīng)保持恒溫 ， 還必須對(duì)機(jī)床本身采取特殊的恒溫措施 ， 使加工區(qū)的溫度變化極小 。 (2)防振 .為了提高精密加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 ， 除在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造上采取各種減振措施外 ，還必須用隔振系統(tǒng)來消除外界振動(dòng)的影響 。 (3)空氣凈化 .由于精密加工的加工精度和表面粗糙度要求極高 ， 空氣中的塵埃將直接影響加工零件的精度和表面粗糙度 ， 因此必須對(duì)加工環(huán)境的空氣進(jìn)行凈化 ， 對(duì)大于某一尺寸的塵埃進(jìn)行過濾 。國外已研制成功了對(duì) 的塵埃有 99％ 凈化效率的高效過濾器 。 概 念 當(dāng)加工精度高于一定程度后 ， 若仍然采用提高機(jī)床的制造精度 ， 保證加工環(huán)境的穩(wěn)定性等誤差預(yù)防措施提高加工精度 ， 這將會(huì)使所花費(fèi)的成本大幅度增加 。 這時(shí)應(yīng)采取另一種所謂的誤差補(bǔ)償措施 ， 即是通過消除或抵消誤差本身的影響 ，達(dá)到提高加工精度的目的 。 概 念 ? 誤差補(bǔ)償 ?測(cè)量分 :在線 、 在位和離線三種方式 . ?精密加工技術(shù)離不開精密測(cè)量技術(shù) ， 精密加工要求測(cè)量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 ?目前 ， 精密加工中所使用的測(cè)量儀器多以非接觸式 :干涉法和高靈敏度電動(dòng)測(cè)微技術(shù)為基礎(chǔ) 。 如激光干涉儀 ， 多次光波干涉顯微鏡及重復(fù)反射干涉儀等 。 概 念 ? 精密測(cè)量技術(shù) ?國外廣泛發(fā)展非接觸式測(cè)量方法并研究原子級(jí)精度的測(cè)量技術(shù) 。 Johaness公司生產(chǎn)的多次光波干涉顯微鏡的分辨率為 ， 最近出現(xiàn)的 隧道掃描顯微鏡 的分辨率為 ， 是目前世界上精度最高的測(cè)量儀之一 。 最新的研究證實(shí) ， 在掃描隧道顯微鏡下可移動(dòng)原子 ， 實(shí)現(xiàn)精密工程的最終目標(biāo) 原子級(jí)精密加工 。 概 念 概 念 隧道掃描顯微鏡： 掃描隧道顯微鏡的 基本原理 是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極 ， 當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近 (通常小于 1nm) 時(shí) ， 在外加電場(chǎng)的作用下 ， 電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極 。 隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系 ， 當(dāng)距離減小 ， 隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 因此 ， 根據(jù)隧道電流的變化 ， 可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息 ， 如果同時(shí)對(duì) xy方向進(jìn)行掃描 ， 就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖 ， 這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理 。 概 念 根據(jù)加工表面及加工刀具的特點(diǎn) ， 精密切削加工可分為四類 ， 見下表 。 精密切削加工分類 精密切削加工分類 金剛石車削 ?應(yīng)用天然單晶金剛石車刀對(duì)鋁、銅和其它軟金屬及其合金進(jìn)行切削加工，可以得到極高的加工精度和極低的表面粗糙度，從而產(chǎn)生了 金剛石精密車削加工方法 。 它們分別用于加工平面 、 型面和內(nèi)孔 ， 也可以得到極高的加工精度和表面質(zhì)量 。 金剛石刀具精密切削是當(dāng)前加工軟金屬材料最主要的精密加工方法 。 除金剛石刀具材料外 ， 還發(fā)展了立方氮化硼 、復(fù)方氮化硅和復(fù)合陶瓷等新型超硬刀具材料 ， 它們主要用于黑色金屬的精密加工 。 金剛石精密銑削和鏜削 精密切削加工分類 ? 由于精密加工機(jī)床價(jià)格昂貴 ， 加工環(huán)境條件要求極高 ， 因此精密加工總是與高加工成本聯(lián)系在 — 起 。 ? 在過去相當(dāng)長的一段時(shí)期，這種觀點(diǎn)限制了精密加工的應(yīng)用范圍，它主要應(yīng)用于軍事、航宇航天等部門。 精密加工與經(jīng)濟(jì)性 ? 近十幾年來 ， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高 ， 精密加工的產(chǎn)品已進(jìn)入了國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域 ， 其生產(chǎn)方式也從過去的單件小批量生產(chǎn)走向大批量生產(chǎn) 。 在機(jī)械制造行業(yè) ，精密加工機(jī)床不再是僅用于后方車間加工工具 、卡具和量具 ， 工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將精密加工機(jī)床直接用于產(chǎn)品零件的精密加工 ， 產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益 。 精密加工與經(jīng)濟(jì)性 ?加工一塊直徑為 l00mm的離軸拋物面反射鏡 ， 用金剛石精密車削工藝成本只有用研磨 拋光 手工修琢的傳統(tǒng)工藝的成本的十幾分之一 ， 而且精度更高 ，加工周期由 12個(gè)月縮短為 3周 。 ?我國精密加上技術(shù)較落后 ， 當(dāng)前某些精密產(chǎn)品尚靠進(jìn)口 ， 還有些精密產(chǎn)品靠老工人手藝制造 ， 因而廢品率極高 。 ?我國現(xiàn)在生產(chǎn)的某種高精度慣性儀表 ， 從十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)中才挑選出一臺(tái)合格品 ， 磁盤生產(chǎn)質(zhì)量尚未完全過關(guān) ， 激光打印機(jī)的多面棱鏡尚不能生產(chǎn) 。 精密加工與經(jīng)濟(jì)性 第 1章 精密切削加工 精密切削加工機(jī)理 金屬切削過程 ， 就其本質(zhì)而言 ， 是材料在刀具的作用下 ， 產(chǎn)生 剪切斷裂 、 摩擦擠壓和晶格滑移變形 的過程 。 在