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文檔簡介
第二講精密超精密加工演示文稿當前1頁,總共55頁。(優(yōu)選)第二講精密超精密加工當前2頁,總共55頁。
2.精密和鏡面磨削
磨削時尺寸精度和幾何精度主要靠精密磨床保證,可達亞微米級精度(指精度為1~10-2μm)。在某些超精密磨床上可磨出十納米精度的工件。在精密磨床上使用細粒度磨粒砂輪可磨削出Ra=0.1~0.05μm的表面。使用金屬結(jié)合劑砂輪的在線電解修整砂輪的鏡面磨削技術(shù)可得到Ra0.01~0.002μm的鏡面。當前3頁,總共55頁。3.精密研磨和拋光精密研磨和拋光技術(shù)意指:使用超細粒度的自由磨料,在研具的作用和帶動下加工表面,產(chǎn)生壓痕和微裂紋,依次去除表面的微細突出處,加工出Ra0.01~0.02μm的鏡面。
超精密加工是以精密元件為加工對象。超精密加工必須具有穩(wěn)定的加工環(huán)境,即必須在恒溫、超凈、防振等條件下進行。另外,精密測量是超精密加工的必要手段,否則無法判斷加工精度。當前4頁,總共55頁。切削在晶粒內(nèi)進行;切削力>原子結(jié)合力(剪切應(yīng)力達13000N/mm2);刀尖處溫度極高,應(yīng)力極大,普通刀具難以承受高速切削(與傳統(tǒng)精密切削相反),工件變形小,表層高溫不會波及工件內(nèi)層,可獲得高精度和好表面質(zhì)量。金剛石超精密加工技術(shù)
◆
機理、特點當前5頁,總共55頁。
用于銅、鋁及其合金精密切削(切鐵金屬,由于親合作用,產(chǎn)生“碳化磨損”,影響刀具壽命和加工質(zhì)量);加工各種紅外光學材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等加工有機玻璃和各種塑料;典型產(chǎn)品:光學反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等?!?/p>
應(yīng)用當前6頁,總共55頁。◆
金剛石刀具
超精切削刀具材料:天然金剛石,人造單晶金剛石當前7頁,總共55頁。性質(zhì)用途
無色透明、正八面體形狀的固體,加工后有奪目光澤。
經(jīng)仔細琢磨后,成為裝飾品——鉆石。
劃玻璃、切割大理石、加工堅硬的金屬,裝在鉆探機的鉆頭鉆鑿堅硬的巖層。
自然界中存在的最硬物質(zhì),熔點高。當前8頁,總共55頁。金剛石刀具磨損的常見形式為機械磨損和破損。機械磨損——∵機械摩擦、非常微小;破損——∵本身裂紋、沖擊和振動。刀具磨損直接影響到加工質(zhì)量。(具體視加工材料而定)金剛石刀具只能安裝在機床主軸轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)的高精度機床上使用。(不能有振動)。當前9頁,總共55頁。金剛石車床加工4.5mm陶瓷球圖金剛石車床及其加工照片當前10頁,總共55頁。
金剛石車床主要性能指標數(shù)控系統(tǒng)分辯率/μm400×2005000~1000050000.1~0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度/mm最高轉(zhuǎn)速r/min最大進給速度mm/min重復精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動/μm滑臺運動的直線度/μm主軸前靜壓軸承(φ100mm)的剛度/(N/μm)主軸后靜壓軸承(φ80mm)的剛度/(N/μm)縱橫滑臺的靜壓支承剛度/(N/μm)表1金剛石車床主要性能指標主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm當前11頁,總共55頁。精密切削加工精密加工:加工精度為0.1~1um,表面粗糙度為0.02~0.1um。3、增強互換性、促進自動化裝配應(yīng)用。提高加工精度的好處:1、提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性;2、促進產(chǎn)品的小型化;當前12頁,總共55頁。精密加工的關(guān)鍵技術(shù):1、精密加工機床2、金剛石刀具3、精密切削機理5、誤差補償4、穩(wěn)定的加工環(huán)境6、精密測量技術(shù)當前13頁,總共55頁。精密切削研究最早從金剛石車削開始——金剛石銑削——金剛石鏜削,來加工型面和內(nèi)孔。刀具材料從金剛石刀具材料——立方氮化硼、復合陶瓷等。精密加工的經(jīng)濟性:過去尤其其昂貴的價格、高要求的加工環(huán)境在一定程度上限制精密加工的應(yīng)用范圍?,F(xiàn)在由于科學技術(shù)發(fā)展和生活水平的提高,精密加工深入到各個領(lǐng)域。機械制造業(yè):加工工具、卡具、量具,發(fā)達國家已經(jīng)開始零件的精密加工。當前14頁,總共55頁。精密切削機理:采用微量切削方法,對普通切削影響不顯著的因素將成為影響精密切削的主要因素。過渡切削:切削時,刀具的切削刃與工件表面存在的關(guān)系。彈性滑動——塑性滑動——切削——塑性滑動——彈性滑動
零件的最終工序的最小切入深度應(yīng)小于或等于零件的加工精度。當前15頁,總共55頁。切削力的來源:1、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;2、刀具與切削同工件表面間的摩擦阻力。切削力F的影響因素:1、切削速度v:硬質(zhì)合金車刀——不明顯天然金剛石車刀——隨v增大F降低考慮積削瘤時,低速時切削力隨切削速度增加而急劇下降;到200~300m/min時切削力基本不變。2、進給量f:f對主切削力FZ的影響大于徑向切削力和軸向切削力。當前16頁,總共55頁。3、切削深度ap:硬質(zhì)合金車刀——影響明顯天然金剛石車刀——Fz>Fy
精密切削中進給量對切削力的影響大于切削深度。與普通切削相反。4、刀具材料:主要因為摩擦系數(shù)不同。切削熱的來源:1、彈塑性變形消耗功——熱;2、摩擦消耗功——熱。切削熱通過改變切削溫度影響切削過程。切削溫度是指切屑、工件和刀具接觸表面上的平均溫度。當前17頁,總共55頁。刀具刀尖的溫度最高,對切削過程的影響很大。切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳導,傳導熱的比例隨刀具材料、切削用量及刀具幾何角度、加工情況等的變化有所不同。其中切削傳出的熱量最多。采用微量切削方法進行精密切削時,需要采用耐熱性高、耐磨性強,有較好的高溫硬度和高溫強度的刀具材料。當前18頁,總共55頁。精密加工中,熱變形引起的加工誤差占總誤差的40%~70%。因此必須嚴格控制工件的溫升和環(huán)境溫度的變化。通常采用切削液澆注工件的方法來減小切削熱對精密加工的影響。課本上列出了干切削與施加冷卻液時的表面粗糙度比較圖,見圖1.14;不同的切削液對表面粗糙度的影響圖,見圖1.15。當前19頁,總共55頁。
切削液的作用:1、抑制積屑瘤的生成;2、降低加工區(qū)域溫度,穩(wěn)定加工精度;3、減少切削力;4、減小刀具磨損,提高刀具耐用度。當前20頁,總共55頁。
刀具磨損、破損及耐用度金剛石刀具可分為:機械磨損、破損和碳化磨損。(前兩種比較常見)金剛石刀具破損的原因有:裂紋(結(jié)構(gòu)缺陷)、破碎(金剛石較脆)、解理(破壞晶面結(jié)構(gòu))。刀具磨損分為:初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。天然單晶金剛石是目前已知最硬的材料,是精密切削中最重要的刀具。其磨損或破損到不能使用的標志是加工表面的粗糙度超過規(guī)定值。耐用度以其切削路程的長度表示。當前21頁,總共55頁。精密機床是進行精密加工的首要條件。二戰(zhàn)后美國首先發(fā)展了金剛石刀具精密切削技術(shù)。我國起步比較晚,20世紀60年代才開始發(fā)展精密機床。上海機床廠、武漢和重慶機床廠、北京機床研究所、航空精密機械研究所為我國精密機床發(fā)展做出了相當?shù)呢暙I。我國由于起步晚、且從國外購進的精密機床受到保密技術(shù)的制約,與外國的差距較大。精密機床當前22頁,總共55頁。普通機床主軸徑向跳動通常為0.01mm,導軌平直度為0.02mm/1000mm;精密機床主軸徑向跳動通常為0.003~0.005mm,導軌平直度為0.01mm/1000mm;超精密要求則更高,具體精度指標見表1.6。通常,加工設(shè)備的精度必須高于零件精度,通常高一個數(shù)量級。所以高精度工件的精度保證,取決于加工機床的精度。當前23頁,總共55頁。精密主軸部件是精密和超精密機床的關(guān)鍵部件之一,它的性能直接影響精密和超精密加工質(zhì)量。對主軸的要求:回轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、無振動,其關(guān)鍵在于使用精密軸承。床身和導軌:具有尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、振動衰減能力強、耐磨性和加工工藝性好等。通常用優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。進給驅(qū)動系統(tǒng):精密機床必須具有精密的進給驅(qū)動精度。精密和超精密加工的精度由檢測精度來保證的,為了消除誤差,必須使用誤差補償技術(shù)。當前24頁,總共55頁。超精密切削加工發(fā)展:20世紀60年代發(fā)展起來的新技術(shù),在國防和尖端技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位。服從金屬切削的普遍規(guī)律,但由于切削層極薄,所以又具有一定的特殊性。
發(fā)展方向:1、基本理論和工藝;2、設(shè)備的精度、動態(tài)性及熱穩(wěn)定性;3、精度檢測和誤差補償;4、環(huán)境控制技術(shù);5、加工材料。當前25頁,總共55頁。精密磨削加工
磨削是一種常用的半精加工和精加工方法,砂輪是磨削的主要工具。特點:1、可加工一般結(jié)構(gòu)材料:鑄鐵、碳鋼、合金鋼;難以切削高硬度材料:淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等。2、精度高、表面粗糙度?。篒T5及以上,Ra為1.25~0.01um當前26頁,總共55頁。3、徑向作用力大且作用在工藝系統(tǒng)剛性較差的方向上。4、磨削的溫度高,磨削產(chǎn)生的切削熱多:80%~90%傳入工件。故應(yīng)大量采用切削液來降低磨削溫度。5、砂輪有自銳作用:磨粒破碎,形成新的菱角。6、磨削加工的工藝范圍廣:外圓面、內(nèi)圓面、平面等。7、磨削在切削加工中的應(yīng)用比例增大:發(fā)達國家占到30%~40%。當前27頁,總共55頁。
精密磨削加工:細粒度的磨?;蛭⒎?、高精度小表面粗糙度值。是利用微小的多刃刀具去除細微切屑的一種加工方法。一般指砂輪磨削和砂帶磨削。分類:研磨、超精加工、珩磨、拋光等等。固結(jié)磨料加工:固結(jié)磨具:磨料微粉結(jié)合劑通過燒結(jié)形成砂輪、砂條涂覆磨具:通過涂覆在紙、布或復合材料基底上。涂覆方法有重力落砂法、涂覆法、靜電植入法。游離磨料加工(見本課件第48頁)當前28頁,總共55頁。在精密和超精密磨削中,磨料大多使用超硬磨料:立方氮化硼。磨粒的粒度影響加工的表面粗糙度值,粒度號數(shù)越大,加工表面的粗糙度值越小。精密砂輪磨削:粒度60~80、精度1~0.1um、Ra為0.2~0.25um。超精密砂輪磨削:粒度W40~W5、精度0.1um、Ra為0.025~0.008um。當前29頁,總共55頁。說明:1、磨粒是不規(guī)則的菱形,在砂輪表面隨機分布。,一般只有10%的磨粒參與切屑。磨粒的微刃性和等高性好,獲得的表面粗糙度值小。2、磨削溫度很高。磨粒磨削點溫度:800~1200°,影響加工質(zhì)量和磨粒的磨損。砂輪磨削區(qū):幾百度,與磨削燒傷和裂紋的出現(xiàn)有關(guān)。影響因素:砂輪速度、工件速度、徑向進給量、工件材料、砂輪的粒度與硬度。當前30頁,總共55頁。3、磨削液的作用:冷卻作用、潤滑作用、清洗作用等。一般選用乳化液和離子型磨削液。4、磨削加工一般安排在最后的終加工階段。5、磨削質(zhì)量評價:加工表面的幾何特征:表面粗糙度、加工表面缺陷加工表面層材料的性能:塑性變形與加工硬化、殘余應(yīng)力與金相組織變化。6、磨削力的影響因素:砂輪速度、工件速度及進給量、砂輪的磨損。當前31頁,總共55頁。7、磨削質(zhì)量和裂紋控制:表面粗糙度:砂輪速度越高、工件速度越低、砂輪粒度越大、縱向進給越小粗糙度值越??;冷作硬化:發(fā)生塑性變形,表面層金屬硬度增加;金相組織變化:磨削燒傷:表面層被氧化;表層金屬的殘余應(yīng)力:精細磨削中塑性變形起主導作用,工件表面金屬產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。當前32頁,總共55頁。8、磨削機床要求:高幾何精度:砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度、導軌的直線度;低速進給運動的穩(wěn)定性:無爬行和無沖擊;減少振動:防振地基上;減少熱變形:機床開啟后3~4h趨向熱平衡,精密磨削需在熱變形穩(wěn)定后進行。當前33頁,總共55頁。
精整加工是生產(chǎn)中常用的精密加工,它是指在精加工之后從工件上去除很薄的材料層,以提高工件精度和減少表面粗糙度值為目的的加工方法,如研磨、珩磨等。
光整加工是指不去除或從工件上去除極薄材料層,以降低表面粗糙度為目的的加工方法,如超級光磨、拋光等。精整和光整加工當前34頁,總共55頁。1.加工原理
研磨是用研磨工具和研磨劑,從工件上研去一層極薄表面層的精加工方法。具體說:利用微小磨粒借助于研具與工件的相對運動作微小切削。有磁性研磨、彈性發(fā)射加工、懸浮拋光等。采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可對內(nèi)圓、外圓和平面等進行研磨。
一、研磨當前35頁,總共55頁。
圖示為研磨外圓的工具。研磨套2由夾套1夾持,它的孔內(nèi)有螺旋槽可貯藏研磨劑。其上還有一條內(nèi)外相通的直槽,使其有一定脹縮性。
研磨外圓的工具
1-夾套;2-研磨套;3-調(diào)節(jié)螺釘;4-手柄。當前36頁,總共55頁。為了磨料能嵌入研磨套的內(nèi)表面,研磨套的材應(yīng)軟些,常用的是鑄鐵。研磨時先在工具表面涂上一層均勻的研磨劑,將該工具套在工件上,并調(diào)節(jié)好配合的松緊程度,然后讓工件旋轉(zhuǎn),手持研磨工具在軸向來回移動,直至達到研磨的要求為止。當前37頁,總共55頁。
研磨劑是很細的磨料(粒度為W14~W15)、研磨液和輔助材料的混合劑。常用的有液態(tài)研磨劑、研磨膏和固體研磨劑(研磨皂)三種。主要起研磨、吸附、冷卻和潤滑等作用。
2.研磨的特點與應(yīng)用
1)精度高質(zhì)量好
經(jīng)研磨后的工件表面,尺寸精度可達IT4~IT1級;表面粗糙度值可減小到0.1~0.006μm。形狀精度亦可相應(yīng)提高。當前38頁,總共55頁。
2)生產(chǎn)效率低,加工余量小
3)研磨劑易飛濺,污染環(huán)境。
在現(xiàn)代制造業(yè)中研磨應(yīng)用很廣,許多精密量塊、量規(guī)、齒輪、鋼球、噴油嘴、石英晶體、陶瓷元件、光學鏡頭及棱鏡等零件均需研磨。當前39頁,總共55頁。
1.加工原理
利用珩磨工具對工件表面施加一定壓力,珩磨工具同時作往復振動、相對旋轉(zhuǎn)和直線往復運動,切除工件上極小余量的工件精加工方法。
2.特點與應(yīng)用
一般珩磨后可將工件的形狀和尺寸精度提高一級,表面粗糙度Ra值可達0.2~0.025μm。珩磨加工的工件表面質(zhì)量特性好、加工精度和加工效率高,加工應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟性好。
二、珩磨當前40頁,總共55頁。◆
砂輪材料:金剛石,立方氮化硼(CBN)可加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬材料(鐵金屬用CBN)耐磨性好,耐用度高,磨削能力強,磨削效率高磨削力小,磨削溫度低,加工表面好◆
特點:當前41頁,總共55頁。分整形與修銳(去除結(jié)合劑,露出磨粒)兩步進行常用方法—①用碳化硅砂輪(或金剛石筆)修整,獲得所需形狀;②電解修銳(適用于金屬結(jié)合劑砂輪),效果好,并可在線修整◆
砂輪修整:當前42頁,總共55頁。進給+-圖7ELID磨削原理電源金剛石砂輪(鐵纖維結(jié)合劑)冷卻液冷卻液電刷◆
ELID(ElectrolyticIn-ProcessDressing)使用ELID磨削,冷卻液為一種特殊電解液。通電后,砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化,氧化層阻止電解進一步進行。在切削力作用下,氧化層脫落,露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進行,砂輪在整個磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。當前43頁,總共55頁。砂帶:帶基材料為聚碳酸脂薄膜,其上植有細微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動,進行磨削或拋光。有開式(圖8)和閉式兩種形式,可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等(圖9)。接觸輪硬磁盤—裝在主軸真空吸盤上圖8砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給f-徑向振動◆
精密與超精密砂帶磨削當前44頁,總共55頁。圖9
用于磨削管件的砂帶磨床(帶有行星系統(tǒng))當前45頁,總共55頁。閉式砂帶磨削方式(圖10)a)砂帶無心外圓磨削(導輪式)工件導輪接觸輪主動輪砂帶工件接觸輪主動輪砂帶b)砂帶定心外圓磨削(接觸輪式)c)砂帶定心外圓磨削(接觸輪式)工件接觸輪主動輪砂帶接觸輪砂帶工件d)砂帶內(nèi)圓磨削(回轉(zhuǎn)式)工件支承板主動輪砂帶工作臺e)砂帶平面磨削(支承板式)f)砂帶平面磨削(支承輪式)支承輪工件砂帶接觸輪當前46頁,總共55頁。
砂帶磨削特點1)砂帶與工件柔性接觸,磨粒載荷小,且均勻,工件受力、熱作用小,加工質(zhì)量好(Ra
值可達0.02μm)。3)強力砂帶磨削,磨削比(切除工件重量與砂輪磨耗重量之比)高,有“高效磨削”之稱。4)制作簡單,價格低廉,使用方便。5)可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶圖11靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2)靜電植砂,磨粒有方向性,尖端向上(圖11),摩擦生熱小,磨屑不易堵塞砂輪,磨削性能好。當前47頁,總共55頁。精密砂帶磨削工藝:砂帶磨削用量選擇:砂帶速度:閉式粗磨12~30m/s、精磨25~30m/s;工件速度:粗磨20~30m/min、精磨20m/min。砂帶選擇:根據(jù)精度和表面粗糙度要求選擇磨料種類、粒度、基底材料等。砂帶磨削的潤濕與除塵:考慮砂帶粘結(jié)劑和基底材料的種類。當前48頁,總共55頁。工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)圖12彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙,中間置拋光液,靠拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的“彈性發(fā)射”進行加工。工作原理(圖12)機理:微切削+被加工材料的微塑性流動作用★彈性發(fā)射加工◆游離磨料加工拋光輪:由聚氨基甲酸(乙)酯制成,磨料直徑0.1~0.01μm當前49頁,總共55頁。
1.加工原理
用細粒度的磨具對工件施加一定壓力,并作往復振動和慢速縱向進給運動,以實現(xiàn)微量磨削的一種光整加工方法。磨具與工件之間的運動如下:
1)工件作低速旋轉(zhuǎn)運動,ν工=3~20m/min;
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