《精密與特種加工》大作業(yè)

1、大連理工大學研究生試卷題號標準分數(shù)實得分數(shù)1.52.53.104.105.106.107.108.109.1010.1011.10總分授課教師*系 別：機械工程學院課程名稱：精密與特種加工學 號： *姓 名： *考試時間：*1.目前精密和超精密加工的精度范圍分別為多少？答：（1）目前超精密加工技術是指加工尺寸、形狀精度達到亞微米級，加工表面粗糙度達到納米級的加工技術。在某些領域已經(jīng)延伸到納米尺度范圍，其加工精度已接近納米級，表面粗糙度已經(jīng)達到0.1nm級，并且正向原子級加工精度逼近。其中，超精密切削的加工精度高于0.01um，表面粗糙度在0.020.005um之間；超精密磨削的加工精度達到或高

2、于0.1um，表面粗糙度在0.0250.003um之間；超精密拋光的加工精度可達數(shù)納米，加工表面粗糙度可達0.1nm級。（2）精密加工的加工精度為0.11um，加工表面粗糙度為0.30.03um；其中精密磨削的加工精度約為1um，表面粗糙度為0.025um 。2.超精密切削對刀具有什么要求？ 答：（1）刀具刃口鋒銳度小，以實現(xiàn)超薄切削，減小切削刃表面的彈性恢復和表面變質層；（2）極低的切削刃粗糙度，以減少刀具刃口誤差復映的影響，獲得超光滑表面；（3）極高的硬度與耐磨性，極高的彈性模量，以保證刀具具有極高的壽命及很高的尺寸耐用度；（4）足夠的強度，刃口無缺陷，耐崩刃，以抵抗切削時晶粒內(nèi)部強大的分

3、子、原子間結合力；（5）化學親和力小，和工件材料的抗粘結性好、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。3.簡述超精密切削時刀具刀刃鋒銳度對切削過程和加工表面質量的影響。答：在超精密切削條件下,刀具的刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量有直接的、很明顯的影響。（1）刀具刀刃鋒銳度對切削變形有著很大的影響，特別是在背吃刀量和進給量較小的時候。（2）金剛石刀具的刀刃鋒銳度對加工表面粗糙度有一定的影響。（3） 但它對加工表面變質層的冷硬和顯微硬度有明顯差別，使用較鋒銳的刀具切削時加工表面變質層存在的冷硬較少。（4）切削表面層的組織位錯密度主要由切削變形決定，故刀具刀刃鋒銳度對組織位錯也有著很大的影響。（

4、5）刀具刀刃鋒銳度對加工表面殘留應力也有很大的影響，用鋒銳的刀具切削時的殘留應力要比用較鈍的刀具切削時低得多。背吃刀量和進給量也會影響加工表面質量，所以并不是越鋒銳的刀具加工出的表面質量越高，要根據(jù)加工表面質量要求合理的選擇刀具刀刃鋒銳度。4.簡述慢刀伺服車削和快刀伺服車削的特點及應用。答：（1）慢刀伺服車削：切削時車床主軸與Z軸均進行控制，使機床主軸變成位置可控的C軸，機床的X、Z、C三軸在空間構成了柱坐標系，同時，高性能和高編程分辨率的數(shù)控系統(tǒng)將復雜面形零件的三維笛卡爾坐標轉化為極坐標，并對所有運動軸發(fā)送插補進給指令，精確協(xié)調(diào)主軸和刀具的相對運動，實現(xiàn)對復雜面形零件的車削加工。慢刀伺服車削

5、Z軸和X軸往往同時作正弦往復運動，需要多軸插補聯(lián)動。因此，在加工前需要對零件面形進行多軸協(xié)調(diào)分析，進而確定刀具路徑和刀具補償。此外，慢刀伺服受機床滑座慣性和及電動機響應速度影響較大，機床動態(tài)響應速度較低，適合加工面形連續(xù)而且較大的復雜光學器件。 應用：對主軸與進給軸、Z軸均進行位置控制且三軸聯(lián)動插補運動，可以將光學陣列如微透鏡陣列、微反射鏡陣列等看成自由曲面，利用慢刀伺服車削技術可以一次加工成型，可以解決傳統(tǒng)加工中將光學陣列分塊加工后 拼裝和調(diào)整的困難。 （2）快刀伺服車削：在車床上安裝具有快速響應能力的刀具微進給伺服系統(tǒng)，在車削過程中，主軸帶動工件旋轉，刀具在伺服系統(tǒng)的驅

6、動下，以與主軸轉速相關聯(lián)的頻率沿工件徑向（對于非圓車削）或軸向（對于非軸對稱車削）做往復進給運動，從而加工出工件的非圓截面輪廓或非軸對稱截面。它將被加工的復雜形面分解為回轉形面和形面上的微結構，然后將兩者疊加。由X軸和Z軸進給實現(xiàn)回轉形面的軌跡運動，對車床主軸只進行位置檢測并不進行軌跡控制。借助安裝在Z軸但獨立于車床數(shù)控系統(tǒng)之外的冗余運動軸來驅動刀具，完成車削微結構形面所需的Z軸運動。這種加工方法具有高頻響、高剛度、高定位精度的特點。應用：快刀伺服切削的應用實例有加工內(nèi)燃機活塞輪廓、凸輪軸、凸輪、非圓軸承內(nèi)輪廓等。5.為什么超精密磨削硬脆材料多采用金剛石砂輪？答：超精密磨削是一種極薄切削，切屑

7、厚度極小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒內(nèi)進行，因此磨削力一定要超過晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結合力，從而磨粒上所承受的剪切應力就急速地增加，可能接近磨粒的剪切強度極限。磨粒切削刃處受到高溫和高壓作用要求磨粒有很高的強度和高溫硬度。普通磨料，在高溫高壓和高剪切應力的作用下，磨粒將會很磨損或崩裂，以隨機方式不斷形成新切削刃，雖然使連續(xù)磨損成為可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削質量。因此，在超精密磨削時，一般采用人造金剛石、立方氮化硼等超硬磨料砂輪。6.固結磨料研磨與游離磨料研磨相比有什么優(yōu)點？答：固結磨料研磨與游離磨料研磨相比有如下幾方面優(yōu)點：（1）工件的受力易于分析。對于傳統(tǒng)的游

8、離磨料研磨，磨料的運動是隨機的，磨料對工件的研磨切削力的大小和方向也是隨機的，這就使得分折磨料對工件的作用力十分困難。而在固結磨料高速研磨中，磨料與磨具一起運動，其運動規(guī)律是已知的，這就為我們研究磨料對工件的作用力提供了必要條件。 （）磨料的密度分布具有可控性。在游離磨料研磨中，磨料在磨盤上是隨機分布的，而且隨著磨盤的運動而不斷的變化，因此磨料的密度分布不均勻且無法控制。而在固結磨料研磨中，磨料被做成丸片粘結在磨盤的許多位置點上，磨料的密度分布是可控的。因此，根據(jù)工件磨具間的相對運動軌跡密度分布，合理地設計磨具上磨料密度分布，以使磨具在研磨過程中所出現(xiàn)的磨損不影響磨具面形精度，從而避

9、免修整磨具的麻煩。 （）研磨速度快，研磨效率高，加工成本低。有鋒利的刃口，耐磨性高，因此有較高切除率和磨削比。在游離磨料研磨中，由于磨料是離散的分布在磨盤上，研磨速度不能過快，以避免磨料飛濺，另外在研磨過程中，磨料相互間既有作用力，又有相對運動，這就造成了磨料之間產(chǎn)生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料的浪費，這就使得研磨加工效率低，加工成本高。而在固結磨料研磨中，因為不存在磨料飛濺問題，所以可以采用較高的轉速，一般在400-700rmin，從而提高了研磨加工效率，降低了加工成本。   （）工件表面加工精度高。對于游離磨料研磨，磨料的尺寸不可能完全一致。在

10、研磨時磨料置于磨盤上，當放上工件后，工件表面主要與尺寸較大的磨料參與較大的磨料接觸，這使得參于磨料的磨料數(shù)量少，每個參于研磨的磨料承擔的壓力大，壓強大，研磨加工量大，而且它們之間的間距也大，研磨加工產(chǎn)生的劃痕深，而且寬，所以游離磨料研磨加工的工件表面比固結磨料研磨加工的工件表面粗糙。而固結磨料研磨時磨削力小，磨削溫度低，加工表面質量好，無燒傷、裂紋和組織變化。7.簡述精密磨削時砂輪修整對加工表面質量的影響。答：砂輪的修整分為整形和修銳。精密磨削時主要采用細粒度的高硬度砂輪進行磨削，砂輪經(jīng)過長時間使用后砂輪會被磨損和堵塞。這時就需要對砂輪進行整形和修銳。修銳是使去除磨粒間的結合劑，使磨粒突出結合

11、劑一定高度，形成一定的容屑空間。整形是使砂輪達到一定精度要求的幾何形狀。砂輪修銳常用的方法有金剛石車、磨削法、氣壓噴砂、電解法、激光法等。砂輪堵塞后鋒利的磨粒被切屑埋沒，降低了砂輪對工件的切削作用。對砂輪進行修銳可以提高砂輪的鋒利度，提高砂輪的切削作用，但是此時滑擠，摩擦拋光作用不強，表面粗糙度較高；隨著砂輪的使用鈍化，切削作用減弱，滑擠，摩擦拋光作用增加，磨削區(qū)的高溫使得金屬軟化，鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面凸峰碾平，減小表面粗糙度；隨著砂輪的繼續(xù)磨損對工件的切削作用下降，對工件的擠壓作用增強，使得磨削溫度急劇上升。使得工件表面粗糙度下降，甚至產(chǎn)生磨削燒傷，改變材料晶相組織。砂輪常用的整形

12、方法有金剛石車，金剛石滾輪，電化學法，超生震動，激光法等。砂輪再長時間使用之后形狀精度會下降，砂輪母線的形狀會直接復印到工件上，尤其是用磨削做仿形加工是砂輪精度的下降會嚴重的影響零件的加工精度，所以需要對砂輪進行修整，提高砂輪的形狀精度，從而提高零件的形狀精度。8.研磨加工和拋光加工的機理和特點有何不同？ 答：研磨加工的機理：利用硬度比被加工材料更高的微米級磨粒，在硬質研磨盤作用下產(chǎn)生微切削和滾扎作用，實現(xiàn)被加工表面的微量材料去除，使工件的形狀、尺寸精度達到要求值，并降低表面粗糙度，減小加工變質層的加工方法。其特點：（1）微量切削。眾多磨粒參與研磨，單個磨粒所受載荷很小，控制適當?shù)募庸ぽd荷范圍

13、可得到小于1微米的切削深度。（2）多刃多向切削。磨粒形狀不一致，分步隨機，有滑動、滾動，可實現(xiàn)多方向切削。（3）按進化原理成形。當研具與工件接觸時，在非強制性研磨壓力作用下，能自動旳選擇局部凸出處進行加工，故僅切除兩者凸出處的材料。而拋光加工是利用微細磨粒的機械作用和化學作用，在軟質拋光工具或化學加工液，電/磁場等輔助作用下，為獲得光滑或超光滑表面，減小或完全消除加工變質層，從而獲得高表面質量的加工方法，其加工機理以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但它僅利用極少磨粒強制壓入產(chǎn)生作用，借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸凹變平。9.簡述超精密加工機床特點及超精密機床主軸的主要形式和優(yōu)缺點。答

14、：超精密機床是實現(xiàn)超精密加工的首要基礎條件。其具有極鋒利的刀具或微細磨具，機床具有較好的動態(tài)剛度和精度以及微量進給系統(tǒng)。超精密機床技術目前已經(jīng)發(fā)展成為一項綜合性的系統(tǒng)工程，其發(fā)展綜合利用了基礎理論(包括切削機理、懸浮理論等)、關鍵單元部件技術、相關功能器件技術、刀具技術、計量與測試分析技術、誤差處理技術、切削工藝技術和運動控制技術等。因此，技術高度集成已成為超精密機床的主要特點。超精密機床主軸的主要形式有液體靜壓軸承主軸和空氣靜壓軸承主軸。液體靜壓軸主軸承優(yōu)點:剛度和回轉精度很高，轉動平穩(wěn)，無振動。缺點：（1）液體靜壓軸承的油溫升高將造成熱變形，影響主軸精度；（2）靜壓油回油使將空氣帶入油源，

15、形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，將降低液體靜壓軸承的剛度和動特性。靜壓軸承主軸的優(yōu)點：回轉精度很高，高速轉動時溫升甚小，因此造成的熱變形誤差很小。缺點：剛度低，只能承受較小的載荷。 10.超聲加工和超聲輔助加工有何不同？簡述超聲輔助磨削技術的原理、特點及其應用。答：超聲加工是利用超聲振動的工具，帶動工件和工具間的磨料懸浮液，沖擊和拋磨工件的被加工部位，使其局部材料被蝕除而成粉末，以進行穿孔、切割和研磨等，以及利用超聲波振動使工件相互結合的加工方法。超聲輔助加工將超聲加工與傳統(tǒng)的切削加工結合所形成新的加工技術是一種典型的復合加工技術即，這一復合加工技術既充分發(fā)揮了機械加工和超聲加工這兩種加工技

16、術的優(yōu)點，又彌補了兩種技術的局限和不足，因而具有一些突出優(yōu)點。超聲輔助磨削技術的原理：它是采用電鍍或燒結法制備的固結超硬（金剛石和立方氮化硼）磨削工具，在磨削工具或工件上施以超聲振動的復合加工方法。根據(jù)施加超聲振動的方式不同，分為兩種形式：一種是在傳統(tǒng)的基礎上，通過在工件上施加超聲振動，實現(xiàn)超聲輔助磨削加工。另一種是利用或將超聲振動施加于旋轉的磨削工具上實現(xiàn)超聲輔助磨削加工，也稱為旋轉超聲加工（RUM）。特點：超聲輔助磨削加工技術不僅可以有效降低磨削力、提高加工質量、減小磨損和提高加工效率，而且拓展了可加工材料和可加工零件的適用范圍和應用領域。應用：近年來，國內(nèi)外研究人員針對難加工材料的超聲輔助磨削加工開展了大量的研究，一些機床生產(chǎn)商還開發(fā)了超聲輔助磨削加工機床。超聲輔助磨削加工已在光學、 醫(yī)藥、半導體、汽車和航空航天等工業(yè)領域得到應用，該技術已成為難加工材料零部件加工中主要先進加工技術之一，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。 11. 簡述磁流變拋光技術的加工原理、特點和應用。答：磁流變拋光技術的加工原理：利用磁流變拋光液（由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液）在磁場中的流變特性對工件進行研磨拋光，具體說就是磁流變液在梯度磁場中發(fā)生流變而形成的具有黏塑行為的柔性“小磨頭”與工件之間具有快速的相對運動，使工件表面受到很大的剪切力