【正文】 精密與特種加工技術(shù)畢業(yè)論文第一章 緒 論精密與特種加工是一門多學(xué)科的綜合高級技術(shù)，要獲得高精度和高質(zhì)量的加工表面，不僅要考慮加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工設(shè)備及工藝裝備、檢測方法、工作環(huán)境和人的技藝水平等等。精密與特種加工技術(shù)與系統(tǒng)論、方法淪、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的結(jié)合，促成了精密與特種加工系統(tǒng)工程的形成。 精密加工包括微細(xì)加工、光整加工和精整加工等，與特種加工關(guān)系密切。特種加工是指利用機(jī)、光、電、聲、熱、化學(xué)、磁、原子能等能源來進(jìn)行加工的非傳統(tǒng)加工方法（NTM，NonTraditional Machining），它們與傳統(tǒng)切削加工的不同特點主要有：① 主要不是依靠機(jī)械能，而是主要用其他的能量（如電能、熱能、光能、聲能以及化學(xué)能等）去除工件材料；② 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情況下，例如在激光加工、電子束加工、離子束加工等加工過程中，根本不需要使用任何工具；③ 在加工過程中，工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力作用，工件不承受機(jī)械力，特別適合于精密加工低剛度零件。 由于具有上述特點，就總體而言，特種加工技術(shù)可以加工任何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的金屬、非余屬材料或復(fù)合材料，而且特別適合于加工復(fù)雜、微細(xì)表面和低剛度的零件，同時，有些方法還可以用于進(jìn)行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米級（原子級）的加工。 特種加工技術(shù)不僅可以采取單獨(dú)的加工方法，更可以采用復(fù)合加工的方法。精密與特種加工技術(shù)引起了機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的許多變革： ⑴ 提高了材料的可加工性。工件材料的可加工性不再與其硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性等有直接的關(guān)系。金剛石、硬質(zhì)合金、淬火鋼、石英、玻璃、陶瓷等是很難加工的，現(xiàn)在已經(jīng)采用電火花、電解、激光等多種方法來加工制造刀具、工具、拉絲模等等；用電火花、線切割加工淬火鋼比未淬火鋼更容易。 ⑵ 改變了零件的典型工藝路線。傳統(tǒng)加工中，除磨削加工以外，其他的切削加工、成型加工等都必須安排在淬火熱處理工序之前，這是不可違反的工藝準(zhǔn)則。精密與特種加工技術(shù)的出現(xiàn)后，為了免除加工后再引起淬火熱處理變形，一般都是先淬火處理而后加工。如電火花線切割加工、電解加工等都必須先進(jìn)行淬火處理后再加工。 精密與特種加工的出現(xiàn)還對以往工序的“分散”和“集中”產(chǎn)生了影響。由于精密與特種加工過程中沒有顯著的機(jī)械作用力，即使是較大的、復(fù)雜的加工表面，往往使用一個復(fù)雜工具、簡單的運(yùn)動軌跡，經(jīng)過一次安裝、一道工序加工出來，工序比較集中。 ⑶ 大大縮短新產(chǎn)品試制周期。試制新產(chǎn)品時，采用精密與特種加工技術(shù)可以直接加工出各種特殊、復(fù)雜的二次曲面體零件，可以省去設(shè)計和制造相應(yīng)的刀具、夾具、量具、模具以及二次工具，大大縮短新產(chǎn)品的試制周期。 ⑷ 對產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生很大的影響。例如山形硅鋼片沖模，以往常采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在采用電火花、線切割加工技術(shù)后，即使是硬質(zhì)合金的模具或刀具，也可以制成整體式結(jié)構(gòu)。 ⑸ 對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工藝性好與壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生重要影響。以往普遍認(rèn)為方孔、小孔、彎孔、窄縫等是工藝性差的典型，是設(shè)計人員和工藝人員非?！凹芍M”的，有的甚至是機(jī)械結(jié)構(gòu)的“禁區(qū)”。對于電火花穿孔加工、電火花線切割加工來說，加工方孔和加工圓孔的難易程度是一樣的。有了電火花和線切割之后，現(xiàn)在為了避免淬火處理產(chǎn)生開裂、變形等缺陷，還特意把鉆孔、開槽等安排在淬火處理之后。一般而言,常規(guī)工藝是在切削,磨削,研磨等技術(shù)進(jìn)步中形成和發(fā)展起來的行之有效的實用工藝,復(fù)雜表面和有特殊要求的零件愈來愈多,常規(guī),但不可能取代和排斥主流的常規(guī)加工工藝.第二章 精密切削加工 ~1μm，~。 精密與特種加工從加工成形的原理和特點來分類，可以分為去除加工、結(jié)合加工、變形加工三大類。 去除加工又稱為分離加工，是從工件上去除多余的材料，例如金剛石刀具精密車削、精密磨削、電火花加工、電解加工等。 結(jié)合加工是利用理化方法將不同材料結(jié)合（Bonding）在一起。按結(jié)合的機(jī)理、方法、強(qiáng)弱等又可以分為附著（Deposition）、注入（Injection）、連接（Jointed）三種。附著加工又稱為沉積加工，是在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，為弱結(jié)合，例如電鍍、氣相沉積等。注入加工又稱為滲入加工，是在工件的表層注入某些元素，使之與工件基體材料產(chǎn)生物化反應(yīng)，以改變工件表層材料的力學(xué)、機(jī)械性質(zhì)，屬于強(qiáng)結(jié)合，例如表面滲碳、離子注入等。連接是將兩種相同或不同的材料通過物化方法連接在一起，例如焊接、粘結(jié)等。 變形加工又稱為流動加工，是利用力、熱、分子運(yùn)動等手段使工件產(chǎn)生變形，改變其尺寸、形狀和性能，例如鍛造、鑄造、液晶定向等。從材料在加工過程中的流動來分析，去除加工是使工件材料逐步減少，一部分工件材料變成切屑的加工，這種流動稱為分散流。結(jié)合加工是使工件材料在加工過程中逐步增加的加工，這種流動稱之為匯合流。近年來，提出和發(fā)展了電鑄、晶體生長、分子束外延、快速成形加工等加工方法，突破了傳統(tǒng)加工大多局限于分離去除和表面結(jié)合加工的概念，特別是快速成形加工是一種利用離散／堆積成型技術(shù)的分層制造方法，將—個三維空間實體零件分散為在某個坐標(biāo)方向上的若干層有很小厚度的三維實體，由于厚度很小，可按二維實體成型，再疊加而成為所需零件的原型。變形加工是指在加工過程中工件材料基本不變的加工，稱為直通流。 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、摩擦擠壓和滑移變形的過程，精密切削過程也不例外。但在精密切削中，由于采用的是微量切削方法，一些對普通切削影響不顯著的因素將成為影響精密切削過程的主要因素。 1）過渡切削,2)最小切入深度 零件的最終工序的最小切入深度應(yīng)等于或小于零件的加工精度(允許的加工誤差)。因此最小切入深度反映了它的精加工能力。 以車削過程為例，對最小切入深度問題進(jìn)行分析。車削過程能夠成立，主要應(yīng)滿足列條件： (1) 切削過程應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的、穩(wěn)定的。 (2) 應(yīng)當(dāng)保持有較高的加工精度和表面質(zhì)量。 (3) 刀具應(yīng)有較長的使用壽命。 (a) 切削狀態(tài)曲線 (b) 切削剖面情況 圖 過渡切削過程 3）毛刺與虧缺， 圖 兩側(cè)方向毛刺圖 刀具切至工件終端部時切削區(qū)域圖示 a1，a2—毛刺度；A1，A2—毛刺；A0—虧缺；b1,b2—不平整寬度； Ⅰ—剪切變形區(qū)；Ⅱ—二次變形區(qū)；Ⅲ—第三變形區(qū)；Ⅳ—負(fù)剪切區(qū) 當(dāng)?shù)冖褡冃螀^(qū)占主導(dǎo)地位時，被切削層金屬將沿 OA 方向滑移，形成切削方向毛刺；當(dāng)?shù)冖糇冃螀^(qū)占主導(dǎo)地位時，被切削層金屬將沿OE 方向滑移，這將致使工件端部形成切削方向虧缺。4）微量切削的碾壓過程， 圖 刃口圓弧處的碾壓 圖 刀尖圓弧處的碾壓 因此，在被加工表面形成過程中伴隨的碾壓作用占很大的比例，即被加工表面的質(zhì)量在很大程度上受碾壓效果的影響。1）切削力的來源 圖 切削力的來源切削力的來源有兩個方面：一是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力；二是刀具與切屑同工件表面間的摩擦阻力()。2）影響切削力的因素 精密切削時，采用微量切削。各種因素對切削力的影響與普通切削有所不同：（1）切削速度 如不考慮積屑瘤的存在，采用硬質(zhì)合金車刀和采用天然金剛石車刀進(jìn)行精密切削，切削速度對切削力的影響規(guī)律是不一樣的。l 用硬質(zhì)合金車刀精密切削時，切削速度對切削力的影響不明顯。l 用天然金剛石車刀精密切削時，切削力隨切削速度的增加而下降。若考慮積屑瘤的影響，情況有所不同， 所示。 圖 超精切削時的切削力(f=) 低速時切削力隨切削速度增加，切削力急劇下降。到200～300m/min 后，切削力基本保持不變，規(guī)律和積屑瘤高度隨切削速度的變化規(guī)律一致，即積屑瘤高時切削力大，積屑瘤小時切削力也小，這和普通切削時規(guī)律正好相反。（2）進(jìn)給量進(jìn)給量和切削深度決定著切削面積的大小，因而是影響切削力的重要因素。進(jìn)給量對切削力的影響的試驗結(jié)果見表22。 表22 進(jìn)給量對切削力的影響(硬質(zhì)合金車刀)從表22 可以清楚地看出：進(jìn)給量對切削力有明顯的影響，進(jìn)給量對的影響FX比對FY及FZ 的小。另外，當(dāng)進(jìn)給量小于一定值時， FY ＞ FZ ，這是精密切削時切削力變化的特殊規(guī)律，掌握這一規(guī)律，有利于合理設(shè)計刀具。（3）切削深度l 一般切削時， FZ 與FY 的比值總是大于1，而精密切削時情況不一定是這樣的，它取決于切削用量同刀具刃口半徑的比值。當(dāng)切削用量同刃口半徑之比值達(dá)到一定數(shù)值時， FZ 與FY的比值可以小于1。l 另外，在一般切削時，切削深度對切削力的影響大于進(jìn)給量f 對切削力的影響。在精密切削時則恰恰相反，進(jìn)給量對切削力的影響大于切削深度的影響。這與精密切削時通常采用進(jìn)給量大于切削深度的切削方式有關(guān)。(4) 刀具材料l 天然金剛石對切屑的摩擦因數(shù)比其他刀具材料要小很多，而且天然金剛石能刃磨出極小的刃口半徑，所以在精密切削時，采用天然金剛石刀具所產(chǎn)生的切削要比其他材料刀具小。l 其他有關(guān)刀具幾何角度、切削液等對切削力的影響同一般切削相似，故不再贅述。 切削熱和切削液切削熱是金屬切削過程中產(chǎn)生的重要現(xiàn)象之一，它直接影響刀具磨損和刀具耐用度，因而限制了切削速度的提高。在精密切削中，切削溫度還會影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。 切削熱 1) 切削熱的來源及切削溫度切削中所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠?。切削熱來自三個切削變形區(qū)的金屬彈性變形、塑性變形和摩擦。 (1) 變形所消耗的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷Ｗ冃嗡牡墓Π▋刹糠郑簭椥宰冃嗡牡墓退苄宰冃嗡牡墓?。前者占的比例很小，而后者較大。(2) 摩擦所消耗的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。摩擦所消耗的功也包括兩部分：前刀面與切屑摩擦所產(chǎn)生的熱和后刀面與工件加工表面摩擦所產(chǎn)生的熱。2）切削熱的影響及控制l 在精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總誤差的 40%～70%。因此，在精密加工中必須嚴(yán)格控制工件的溫度和環(huán)境溫度的變化，否則無法達(dá)到精密加工所要求的高精度。l 切削熱對精密加工影響很大。切削熱不但直接傳到工件上，使工件的溫度升高，而且還傳到切削液中，使切削液溫度上升，高溫切削液反過來也會使工件的溫度升高。l 目前減小切削熱對精密加工影響的主要措施是采用切削液澆注工件的方法。 切削液 切削液對精密加工影響很大。 的曲線是在SIl25 精密車床上用金剛石刀具切削鋁合金時，干切削與使用切削液的切削對比。 中可知，干切削后的粗糙度比用切削液時的粗糙度差1～ 個小級，甚至差1 個大級。、破損及耐用度1）金剛石刀具的磨損形式l 金剛石刀具的磨損可分為機(jī)械磨損、破損和炭化磨損。常見的磨損形式為機(jī)械磨損和破損，炭化磨損較少見。(1) 機(jī)械磨損。機(jī)械磨損是由于機(jī)械摩擦所造成的磨損。圖 干切削與施加冷卻潤滑液的切削表面粗糙度的比較注：試件Ⅰ和Ⅱ加冷卻潤滑液，試件Ⅲ不加冷卻潤滑液(2) 刀具的破損。金剛石刀具破損的原因為如下幾種：l ① 裂紋。結(jié)構(gòu)缺陷可產(chǎn)生裂紋，另外當(dāng)切屑經(jīng)過刀具表面時，金剛石受到循環(huán)應(yīng)力的作用也可產(chǎn)生裂紋，刀具表面研磨應(yīng)力也會產(chǎn)生裂紋。l ② 碎裂。由于金剛石材料較脆，在切削過程中受到?jīng)_擊和振動都會使金剛石切削刃產(chǎn)生微細(xì)的解理，形成碎裂。刀具的碎裂會降低切削刃的表面質(zhì)量，影響加工質(zhì)量，甚至?xí)纬奢^大范圍的解理。l ③ 解理。當(dāng)垂直于金剛石(111)晶面的拉力超過某特定值時，兩相鄰的(111)面分離，產(chǎn)生解理劈開。如果金剛石晶面方向選擇不當(dāng)，切削力容易引起金剛石的解理，使刀具壽命急劇下降，尤其是在有沖擊振動、切削不穩(wěn)定的條件下，更容易產(chǎn)生解理。最新研究表明，為了增加切削刃的微觀強(qiáng)度，減小破損概率，應(yīng)選用微觀強(qiáng)度最高的(110)晶面作為金剛石刀具的前后刀面。（3）刀具磨損對加工質(zhì)量的影響l 刀具的磨損形式在很大程度上取決于工件材料性質(zhì)、金剛石特性的利用及機(jī)床的動態(tài)性能。圖 刀具的磨損過程A—開始磨損界限；B—初期磨損界限；C—正常磨損界限；D—急劇磨損界限；VB—磨損量刀具的耐用度l 所示，刀具的磨損過程一般可以劃分為三個階段。l 初期磨損。 l 正常磨損階段。l 急劇磨損階段。l 一般刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)有兩種l 工藝磨損限度Δ1 。工藝磨損限度是根據(jù)工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的，當(dāng)?shù)毒吣p到一定數(shù)值時，工件表面粗糙度增大，尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范圍，因此必須予以限制。精密加工都采用這種工藝磨損限度Δ1 。l 合理磨損限度Δ合。這是由合理使用刀具材料的觀點出發(fā)而制定的磨損限度。因為刀具磨損限度定得太大或太小都會浪費(fèi)刀具材料。只有取正常磨損階段終了之前作為磨損限度Δ合才能最經(jīng)濟(jì)地使用刀具。l 刀具耐用度越大，則表示刀具的磨損越慢，因此影響刀具磨損的因素，都會影響刀具耐用度。 天然單晶金剛石刀具用于精密切削，其破損或磨損而不能繼續(xù)使用的標(biāo)志是加工表面粗糙度超過規(guī)定值。金剛石刀具的耐用度平時以其切削距離的長度表示，如切削條件正常，金剛石刀具的耐用度可達(dá)數(shù)百千米.3精密和超精密切削機(jī)床及應(yīng)用 精密機(jī)床的精度指標(biāo) 我國超精密機(jī)床的生產(chǎn)和研制起步較晚，和國外的差距較大。由于涉及許多保密技術(shù)，從國外引進(jìn)超精密機(jī)床受到限制，我國必須加大力度研制性能更優(yōu)越的超精密機(jī)床，為國防工業(yè)、尖端技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造條件。