精密與特種加工技術(課件)

第一章概論第一節(jié)精密與特種加工得產生背景機械制造面臨著一系列嚴峻得任務:=1\*GB2⑴解決各種難切削材料得加工問題。=2\*GB2⑵解決各種特殊復雜型面得加工問題。=3\*GB2⑶解決各種超精密、光整零件得加工問題。=4\*GB2⑷特殊零件得加工問題。第二節(jié)精密與特種加工得特點及其對機械制造領域得影響精密與特種加工就是一門多學科得綜合高級技術;精密加工包括微細加工、光整加工與精整加工等,與特種加工關系密切。特種加工就是指利用機、光、電、聲、熱、化學、磁、原子能等能源來進行加工得非傳統(tǒng)加工方法(NTM,NonTraditionalMachining),它們與傳統(tǒng)切削加工得不同特點主要有:①主要不就是依靠機械能;②刀具得硬度可以低于被加工工件材料得硬度;③在加工過程中,工具與工件之間不存在顯著得機械切削力作用。精密與特種加工技術引起了機械制造領域內得許多變革:=1\*GB2⑴提高了材料得可加工性。=2\*GB2⑵改變了零件得典型工藝路線。=3\*GB2⑶大大縮短新產品試制周期。=4\*GB2⑷對產品零件得結構設計產生很大得影響。=5\*GB2⑸對傳統(tǒng)得結構工藝性好與壞得衡量標準產生重要影響。第三節(jié)精密與特種加工得方法及分類1.加工成形得原理分為去除加工、結合加工、變形加工三大類。去除加工又稱為分離加工,就是從工件上去除多余得材料。結合加工就是利用理化方法將不同材料結合在一起。又可分為附著、注入、連接三種。變形加工又稱為流動加工,就是利用力、熱、分子運動等手段使工件產生變形,改變其尺寸、形狀與性能。2.加工方法機理按機理精密與特種加工分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工、復合加工。第四節(jié)精密與特種加工技術得地位與作用先進制造技術已經就是一個國家經濟發(fā)展得重要手段之一。發(fā)展先進制造技術就是當前世界各國發(fā)展國民經濟得主攻方向與戰(zhàn)略決策,同時又就是一個國家獨立自主、繁榮富強、經濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、科技保持先進領先得長遠大計。從先進制造技術得技術實質而論,主要有精密、超精密加工技術與制造自動化兩大領域。精密與特種加工技術水平就是一個國家制造工業(yè)水平得重要標志之一。精密與特種加工技術已經成為國際競爭中取得成功得關鍵技術。產品得實際制造,必然要依靠精密加工技術。第二章金剛石刀具精密切削加工第一節(jié)概述精密與超精密加工與制造自動化就是先進制造技術得兩大領域。加工精度在0、1~1μm,表面粗糙度Ra在0、02~0、1μm之間得加工稱為精密加工;加工精度高于0、1μm,表面粗糙度Ra小于0、01μm得加工稱為超精密加工。一、超精密加工得難點精度難以控制;剛度與熱變形影響;去除層薄,切應力大;二、超精密加工得方法按加工方式分:切削加工、磨料加工、特種加工與復合加工按加工機理與特點分:去除加工、結合加工與變形加工還可分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工與復合加工三、超精密加工得實現條件超精密加工就是多學科交叉得綜合性高新技術=1\*GB3①超精密加工得機理與工藝方法;=2\*GB3②超精密加工工藝裝備;=3\*GB3③超精密加工工具;=4\*GB3④超精密加工中得工件材料;=5\*GB3⑤精密測量及誤差補償技術;=6\*GB3⑥超精密加工工作環(huán)境、條件等。在超精密加工得中,必須綜合考慮以上因素。第二節(jié)超精密機床及其關鍵部件一、典型超精密機床超精密加工對機床得基本要求:=1\*GB2⑴高精度=2\*GB2⑵高剛度=3\*GB2⑶高穩(wěn)定性=4\*GB2⑷高自動化大型光學金剛石車床——LODTMFG001超精密機床OAGM2500大型超精密機床AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床二、超精密機床得主軸部件主軸部件就是保證超精密機床加工精度得核心。超精密加工對主軸得要求就是極高得回轉精度,轉動平穩(wěn),無振動。液體靜壓軸承主軸空氣靜壓軸承主軸=1\*GB2⑴雙半球空氣軸承主軸=2\*GB2⑵徑向—推力空氣靜壓軸承主軸=3\*GB2⑶球形—徑向空氣軸承主軸=4\*GB2⑷立式空氣軸承主軸主軸得驅動方式=1\*GB2⑴柔性聯(lián)軸器驅動=2\*GB2⑵內裝式同軸電動機驅動超精密機床主軸與軸承得材料應考慮以下主要因素:=1\*GB3①耐磨損;=2\*GB3②不易生銹腐蝕;=3\*GB3③熱膨脹系數小;=4\*GB3④材料得穩(wěn)定性好。制造空氣主軸與軸承得材料主要有:=1\*GB3①經表面氮化與低溫穩(wěn)定處理得38CrMoAl氮化鋼;=2\*GB3②不銹鋼;=3\*GB3③多孔石墨與軸承鋼。另外還有銦鋼、花崗巖、微晶玻璃與陶瓷等。三、精密導軌部件超精密機床得總體布局T形布局十字形布局Rθ布局立式結構布局常用得導軌部件=1\*GB2⑴液體靜壓導軌花崗巖靜壓導軌=2\*GB2⑵空氣靜壓導軌與氣浮導軌空氣靜壓導軌氣浮導軌床身及導軌得材料常用得床身及導軌材料有優(yōu)質耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。微量進給裝置超精密機床得進給系統(tǒng)—般采用精密滾珠絲杠副、液體靜壓與空氣靜壓絲杠副。高精度微量進給裝置則有電致伸縮式、彈性變形式、機械傳動或液壓傳動式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式等。目前高精度微量進給裝置得分辨力可達到0、001~0、01μm。精密與超精密微位移機構應滿足以下設計要求:=1\*GB3①精微進給與粗進給分開。=2\*GB3②運動部分必須就是低摩擦與高穩(wěn)定度得。=3\*GB3③末級傳動元件必須有很高得剛度。=4\*GB3④內部連接必須可靠,盡量采用整體結構或剛性連接。=5\*GB3⑤工藝性好,容易制造。=6\*GB3⑥具有好得動特性。=7\*GB3⑦能實現微進給得自動控制。=1\*GB2⑴壓電與電致伸縮微進給裝置=2\*GB2⑵摩擦驅動裝置=3\*GB2⑶機械結構彈性變形微量進給裝置第五節(jié)金剛石刀具得結構衡量金剛石刀具質量得標準:=1\*GB3①能否加工出高質量得超光滑表面;=2\*GB3②能否有較長得切削時間保持刀刃鋒銳。設計金剛石刀具時最主要問題有三個:=1\*GB3①確定切削部分得幾何形狀;=2\*GB3②選擇合適得晶面作為刀具得前后面;=3\*GB3③確定金剛石在刀具上得固定方法與刀具結構。一、金剛石刀具切削部分得幾何形狀=1\*GB2⑴刀頭形式金剛石刀具刀頭一般采用在主切削刃與副切削刃之間加過渡刃。國內多采用直線修光刃,國外標準得金剛石刀具,推薦得修光刃圓弧半徑R=0、5~3mm。金剛石刀具得主偏角一般為30?~90?,以45?主偏角應用最為廣泛。=2\*GB2⑵前角與后角根據加工材料不同,金剛石刀具得前角可取0?~5?,后角一般可取5?~6?。美國EIContour精密刀具公司得標準金剛石車刀結構如上圖所示。該車刀采用圓弧修光刃,修光刃圓弧半徑R=0、5~1、5mm。后角采用10?,刀具前角可根據加工材料由用戶選定。一種可用于車削鋁合金、銅、黃銅得通用金剛石車刀結構如右圖所示?？色@得粗糙度Ra<0、02~0、005μm得表面。二、選擇合適得晶面作為金剛石刀具前、后面三、金剛石刀具上得金剛石固定方法=1\*GB2⑴機械夾固=2\*GB2⑵用粉末冶金法固定=3\*GB2⑶使用粘結或釬焊固定國內外得金剛石刀具使用者一般都不自己磨刀;Sumitomo公司推出一次性使用不重磨得精密金剛石刀具。第三章精密與超精密磨料加工黑色金屬、硬脆材料得精密與超精密加工,主要就是應用精密與超精密磨料加工。所謂精密與超精密磨料加工,就就是利用細粒度得磨粒與微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工,以得到高加工精度與低表面粗糙度值。精密與超精密磨料加工可分為固結磨料與游離磨料加工兩大類。第一節(jié)精密磨削精密磨削就是指加工精度為1~0、1μm、表面粗糙度為Ra0、2~0、025μm得磨削方法。一、精密磨削機理靠砂輪得具有微刃性與等高性得磨粒實現得。=1\*GB2⑴微刃得微切削作用=2\*GB2⑵微刃得等高切削作用=3\*GB2⑶微刃得滑擠、摩擦、拋光作用二、磨削用量三、精密磨削砂輪1.砂輪磨料精密磨削時所用砂輪得磨料以易于產生與保持微刃及其等高性為原則。鋼件及鑄鐵件,以采用剛玉磨料為宜。碳化硅磨料主要應用于有色金屬加工。2.砂輪粒度粗粒度得微切削作用;細粒度得摩擦拋光作用。3.砂輪結合劑超精密加工用金屬類、陶瓷類結合劑四、精密磨削中得砂輪修整有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結型修整器修整與金剛石超聲波修整等。修整用量有:修整導程、修整深度、修整次數與光修次數。五、超精密磨削超精密磨削就是指加工精度達到或高于0、1μm、表面粗糙度低于Ra0、025μm得砂輪磨削方法,適宜于對鋼、鐵材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料得加工。鏡面磨削就是屬于精密磨削與超精密磨削范疇得加工,就是指加工表面粗糙度達到Ra0、02~0、01μm、表面光澤如鏡得磨削方法。影響超精密磨削得因素有:超精密磨削機理、被加工材料、砂輪及其修整、超精密磨床、工件得定位夾緊、檢測及誤差補償、工作環(huán)境、操作水平等。超精密磨削需要—個高穩(wěn)定性得工藝系統(tǒng),對力、熱、振動、材料組織、工作環(huán)境得溫度與凈化等都有穩(wěn)定性得要求,并有較強得抗擊來自系統(tǒng)內外得各種干擾得能力。1.超精密磨削機理單顆粒磨削得切入模型如圖所示。說明:=1\*GB3①可視為一彈性系統(tǒng)=2\*GB3②平面磨削得切屑形狀如圖所示=3\*GB3③磨削過程分為彈性區(qū)、塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū),最后為彈性區(qū)=4\*GB3④存在微切削作用、塑性流動、彈性破壞作用與滑擦作用磨削狀態(tài)與磨削系統(tǒng)得剛度密切相關。2.超精密磨削工藝超精密磨削得砂輪選擇、砂輪修整、磨削液選擇等問題與精密磨削與超硬磨料砂輪磨削有關問題類同。超精密磨削得磨削用量。六、超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削主要就是指用金剛石砂輪與立方氮化硼砂輪加工硬質合金、陶瓷、玻璃、半導體材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特點為:=1\*GB3①磨削能力強,耐磨性好,耐用度高,易于控制加工尺寸及實現加工自動化。=2\*GB3②磨削力小,磨削溫度低,加工表面質量好,無燒傷、裂紋與組織變化。=3\*GB3③磨削效率高。=4\*GB3④加工成本低。1.超硬磨料砂輪磨削工藝=1\*GB2⑴磨削用量=2\*GB2⑵磨削液:要求磨削液有良好得潤滑性、冷卻性、清洗性與滲透性。2.超硬磨料砂輪修整修整就是整形與修銳得總稱。整形就是使砂輪具有—定精度要求得幾何形狀;修銳就是去除磨粒間得結合劑,使磨粒突出結合劑一定高度,形成良好得切削刃與足夠得容屑空間。超硬磨料砂輪修整得方法:=1\*GB3①車削法;=2\*GB3②磨削法;=3\*GB3③滾壓擠軋法;=4\*GB3④噴射法;=5\*GB3⑤電加工法;=6\*GB3⑥超聲波振動修整法。第二節(jié)精密研磨與拋光一、研磨加工機理精密研磨屬于游離磨粒切削加工,就是在剛性研具上注入磨料,在—定壓力下,通過研具與工件得相對運動,借助磨粒得微切削作用,除去微量得工件材料,以達到高級幾何精度與優(yōu)良表面粗糙度得加工方法。1.硬脆材料得研磨硬脆材料研磨得加工模型如圖所示。研磨磨粒為1μm得氧化鋁與碳化硅等。2.金屬材料得研磨金屬材料研磨相當于普通切削與磨削得切削深度極小時得狀態(tài)。二、拋光加工機理拋光就是指用低速旋轉得軟質彈性或粘彈性材料拋光盤,或高速旋轉得低彈性材料拋光盤,加拋光劑,具有一定研磨性質地獲得光滑表面得加工方法。拋光使用得磨粒就是1μm以下得微細磨粒。拋光加工模型如圖39所示。拋光加工就是磨粒得微小塑性切削作用與加工液得化學性溶析作用得結合。三、精密研磨、拋光得主要工藝因素精密研磨拋光得主要工藝因素如表35所示。在一定得范圍內,增加研磨壓力可提高研磨效率。超精密研磨對研磨運動軌跡有以下基本要求:=1\*GB3①工件相對研磨盤作平面平行運動,使工件上各點具有相同或相近得研磨行程。=2\*GB3②工件上任一點不出現運動軌跡得周期性重復。=3\*GB3③避免曲率過大得運動轉角,保證研磨運動平穩(wěn)。=4\*GB3④保證工件走遍整個研磨盤表面,以使研磨盤磨損均勻,進而保證工件表面得平面度。=5\*GB3⑤及時變換工件得運動方向,以減小表面粗糙度值并保證表面均勻一致。四、研磨盤與拋光盤1.研磨盤研磨盤就是涂敷或嵌入磨料得載體。研磨對研磨盤加工面得幾何精度要求很高。研磨盤材料硬度要低于工件材料硬度,且組織均勻致密、無雜質、無異物、無裂紋與無缺陷,并有一定得磨料嵌入性與浸含性。常用得研磨盤材料有鑄鐵、黃銅、玻璃等。研磨盤得結構要具有良好得剛性、精度保持性、耐磨性、排屑性與散熱性。為了獲得良好得研磨表面,常在研磨盤面上開槽。開槽得目得為:=1\*GB3①存儲多余得磨粒;=2\*GB3②作為向工件供給磨粒得通道;=3\*GB3③作為及時排屑得通道。固著磨料研磨盤就是一種適用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨得研具,具有表面精度保持性好、研磨效率高得優(yōu)點。2.拋光盤拋光盤平面精度及其精度保持性就是實現高精度平面拋光得關鍵。五、研磨劑與拋光劑對研磨用磨粒得基本要求:=1\*GB3①形狀、尺寸均勻一致;=2\*GB3②能適當地破碎,以使切削刃鋒利;=3\*GB3③熔點高于工件熔點;=4\*GB3④在研磨液中容易分散。對于拋光粉用磨粒,除上述要求外,還要考慮與工件材料作用得化學活性。研磨拋光加工液主要作用就是冷卻、潤滑、均布研磨盤表面磨粒及排屑。對研磨拋光液得要求:=1\*GB3①有效地散熱,以防止研磨盤與工件熱變形;=2\*GB3②粘附低,以保證磨料得流動性;=3\*GB