精密加工文獻(xiàn)綜述精密切削加工

1、精密切削加工精密切削加工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師完成日期2015年06月 7摘 要精密切削加工技術(shù)是在傳統(tǒng)切削加工的基礎(chǔ)上，匯集了大量的新技術(shù)所形成的近年來發(fā)展較快的一項(xiàng)重要技術(shù)，是精密、超精密加工技術(shù)的一個重要分支。它的研究及應(yīng)用水平已成為一個國家的機(jī)械制造業(yè)乃至整個制造業(yè)水平的重要依據(jù)。具有高精度的機(jī)床、精密級的切削刀具、穩(wěn)定的切削加工條件、精密的測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密切削加工的先決條件。本文主要結(jié)合這些問題，闡述目前精密切削加工的發(fā)展概況及未來的發(fā)展。關(guān)鍵詞：精密切削 機(jī)床 刀具 加工條件 測量技術(shù) ABSTRACTPrecision machining

2、 technology is on the basis of traditional machining, and collected a lot of new technology developing rapidly formed these years to an important technology. Precision and ultra-precision processing technology is an important branch. Its research and application level has become a national machinery

3、 industry and the important basis of level of the whole manufacturing industry. High precision machine tools, precision cutting tools, stable cutting condition, precision measurement technology is the prerequisite to realize precision machining. In this paper, combined with these problems, the paper

4、 expounds the current development situation and the future development of precision machining.KEY WORDS: Precision cutting Precision machine tools Processing conditions Measurement technology.精密切削加工引言隨著航空、航天、儀表和微電子技術(shù)的發(fā)展, 對零件的尺寸精度和形位精度及表面粗糙度的要求越來越嚴(yán)格, 本世紀(jì)六十年代產(chǎn)生了超精密加工技術(shù).超精密切削加工是在傳統(tǒng)切削加工的基礎(chǔ)上, 匯集了大量的新技術(shù)所形

5、成的近年來發(fā)展較快的一項(xiàng)重要技術(shù), 是超精加工技術(shù)的一個重要分支. 到目前為止, 超精密切削加工的尺寸精度已達(dá)到1m 以內(nèi), 表面粗糙度為Ra0.0010. 002加工平面度低于波長入的l/ 2以下。具有超高精度、高剛度的機(jī)床, 超精密級的切削刀具, 超穩(wěn)定的切削加工條件、精密的測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超精密切削加工的先決條件。為此, 本文就以上幾個問題, 結(jié)合近年來超精密切削加工技術(shù)中存在的問題, 闡述超精密切削加工技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展。一、 精密、超精密機(jī)床精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要條件，隨著加工精度要求的提高和精密加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的精度也在不斷提高，精密機(jī)床獲得迅速的發(fā)展。當(dāng)前，超精密加工技術(shù)處

6、于國際領(lǐng)先地位的主要有美國、英國和日本等。美國是世界上最早研究超精密加工技術(shù)和機(jī)床的國家。在20世紀(jì)60年代初就已經(jīng)開發(fā)了單點(diǎn)金剛石刀具切削技術(shù)及相應(yīng)的超精密機(jī)床，以應(yīng)對國防航天尖端技術(shù)的發(fā)展。美國Moore公司的Nanotech系列和Precitech公司的Nanoform系列超精密機(jī)床代表了現(xiàn)今超精密機(jī)床的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢。Morre公式自主研發(fā)生產(chǎn)了Nanotech 500FG機(jī)床。該機(jī)床是多功能型超精密機(jī)床，通過多種選擇功能可以實(shí)現(xiàn)車削、銑削、磨削等加工模式，通過五坐標(biāo)聯(lián)動控制結(jié)合快慢速伺服驅(qū)動技術(shù)，在線檢測可以實(shí)現(xiàn)對自由曲面的多種模式的超精密切削及磨削加工。2013年，Precit

7、ech公司先后推出了Nanoform X和Nanoform L100超精密機(jī)床。它們主要為提高針對金剛石車削、銑削和磨削的生產(chǎn)效率和靈活性而設(shè)計(jì)，主要加工對象為光學(xué)鏡頭、平面鏡、精密機(jī)械零件等，機(jī)床可擴(kuò)展至三軸或四軸，用于加工球面、非球面和自由曲面。采用振動隔離技術(shù)，Nanform X機(jī)床的車削加工可達(dá)Ra<1nm，面形精度 PV 值 0. 1 m，最大可加工工件直徑為440 mm，X 和 Z 向的直線液體靜壓導(dǎo)軌行程均為220 mm，其可編程直線分辨率達(dá) 0. 01 nm，角度分辨率達(dá)0. 000 000 1°。該機(jī)床還擁有獨(dú)特的內(nèi)部隔間設(shè)計(jì)來改善切屑牽制性。Nanoform

8、 L1000 機(jī)床的車削加工可達(dá) a 1. 25 nm，面形精 度 PV 值0. 125 m，最大可加工工件直徑為1 m，X 和Z 向的直線靜壓導(dǎo)軌行程分別為 500 mm 和 300 mm該機(jī)床還擁有 606 mm 的 Z 軸工裝板，能夠容納多種刀具、檢測裝置及銑磨主軸。日本超精密加工技術(shù)與機(jī)床的研究相對美國、英國來說雖起步較晚，在20 世紀(jì)70 年代中期才開始，但是發(fā)展很快。日本東京工業(yè)大學(xué)精密工程研究所在2008年研制成功一臺名為ANGEL的三軸超精密機(jī)床。該機(jī)床采用完全的對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以減小阿貝誤差，運(yùn)動誤差隔熱誤差為設(shè)計(jì)原則，采用新型的氣浮平臺實(shí)現(xiàn)X 和Y 軸運(yùn)動，Z 軸采用氣

9、體靜壓軸承技術(shù)，三軸均實(shí)現(xiàn)了納米級控制。該機(jī)床采用了主動振動隔離系統(tǒng)和Z 軸的非接觸式重力補(bǔ)償裝置最大可加工工件為230 mm × 230 mm × 70 mm，可實(shí)現(xiàn)20nm的臺階加工。和國外精密機(jī)床相比，我國在這一方面的發(fā)展相對落后，許多關(guān)鍵的技術(shù)還沒有達(dá)到世界先進(jìn)的技術(shù)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所是國內(nèi)率先研發(fā)超精密機(jī)床的單位之一。為滿足大型激光核聚變工程中大尺寸KDP 晶體超精密加工的需要，研制成功我國第一臺KDP 晶體超精密加工專用銑床，并不斷改進(jìn)，形成系列化KDP晶體超精密加工機(jī)床。，該類機(jī)床加工可達(dá)2 m 的面形精度和4 nm 的表面粗糙度為了滿足微小零

10、件與微結(jié)構(gòu)加工的需要，先后研制成功了臥式三軸聯(lián)動精密微細(xì)銑床、立式三軸聯(lián)動精密微細(xì)銑床、臥式超精密微細(xì)加工車床、五軸聯(lián)動微細(xì)加工超精密機(jī)床等多臺精密超精密微細(xì)加工設(shè)備。二、 精密切削刀具及制造技術(shù)超精密加工的零件尺寸公差、形位公差都十分小，表面粗糙度值僅有百分之幾微米，加工時必須在工件十分穩(wěn)定的條件下作微量切削。金剛石刀具超精密切削是20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)的超精密加工技術(shù)，是最典型也是最有成效的超精密加工方法之一。采用單晶體金剛石車刀可實(shí)現(xiàn)超精密的鏡面車削。超精密車削加工余量只有幾微米，切屑非常薄，一般都在0.1m 以下。日本日進(jìn)工具公司為滿足加工高精度、高品質(zhì)模具的需求，開發(fā)了用于加工高硬

11、度材料的MRBH230球頭立銑刀。該立銑刀為適應(yīng)深模腔加工的長頸型標(biāo)準(zhǔn)球頭立銑刀，其特點(diǎn)為： 采用了耐磨性能優(yōu)異的新涂層，加工從自硬鋼到淬硬鋼時顯示出更長刀具壽命； 具有能實(shí)現(xiàn)高硬度材料粗、精穩(wěn)定加工的最佳切削刃形狀；具有排屑良好的容屑槽形狀。該立銑刀球頭R精度為40005mm，規(guī)格尺寸為R0.3一R3，有效長度范圍為250mm，共有37種規(guī)格。德國澤查刀具公司的超細(xì)微粒硬質(zhì)合金立銑刀是為滿足超精密切削加工的需要而開發(fā)的。其徑跳精度達(dá)到0003mm，柄部精度為h4。該刀具采用了經(jīng)過磨削和研磨加工的超細(xì)微粒硬質(zhì)合金基體，并采用高水平涂層技術(shù)進(jìn)行涂覆處理以及經(jīng)過反復(fù)研究開發(fā)的最佳切削刃形狀，使立銑

12、刀能最大限度地發(fā)揮加工精度的優(yōu)勢，并具有較長的刀具壽命和最大的加工穩(wěn)定性。該公司還開發(fā)了微型立銑刀用超級硬質(zhì)涂層技術(shù)，用于生產(chǎn)高精度涂層立銑刀和球頭立銑刀。下面介紹超精密金剛石切削刀具的制造技術(shù)：超精密金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝, 為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑, 特別是精度小于0.05m 以下時, 對研磨機(jī)提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求, 必須有極高回轉(zhuǎn)精度的主軸軸系, 更多是采用空氣軸承作為支承, 研磨盤必須能在機(jī)床上加以修平, 使其端面跳動控制在0.5m 以下。同時，金剛石刀具鈍圓半徑一直向著更小的的方向發(fā)展，因?yàn)樗拇笮≈苯佑绊懙奖患庸け砻娴拇植诙?。目? 其鈍圓半徑甚至可以達(dá)

13、到連掃描電子顯微鏡( SEM) 也無法檢測的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹, 最小可達(dá)24nm( 通過切削獲得的厚為1nm 的切屑推算) 。下面介紹一些發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的超精密金剛石刀具情況。（1）英國CONTOUR FINE TOOLING 生產(chǎn)的商用超精密金剛石刀具刃口輪廓檢測在800×放大鏡下無缺陷, 包角為100°( 使用單晶金剛石) 或者120°( 包角在120°及以上時需使用多晶金剛石) , 圓弧輪廓精度通?？梢赃_(dá)到優(yōu)于0.25m, 必要時可以做到0.05m; 刀具前角: 255°, 后角為515° 刀具圓弧半徑范圍為0

14、.02100 mm 。（2）日本OSAKA DIAMOND ULTRA PRECISIONCUTTING TOOLS 刀具情況刀具刃口經(jīng)過SEM 20, 000 倍放大檢測無缺陷, 自行開發(fā)的分辨率為5nm 的測量系統(tǒng)記錄每一個刃口報告, 圓弧輪廓精度在0.052m( 90150°包角范圍) ; 刀具前角為-30°10°, 后角為020° 刀具圓弧半徑范圍為0.01200mm。三、 穩(wěn)定的切削加工條件超穩(wěn)定的切削加工條件是實(shí)現(xiàn)超精加工的必要保證。它包括對加工環(huán)境的溫度、凈潔度、加工系統(tǒng)振動等進(jìn)行嚴(yán)格控制來是實(shí)現(xiàn)。主要措施有：1.消除振動干擾：由于工藝系統(tǒng)

15、內(nèi)部或外部的振動干擾,會破壞切削刀具與工件間的相對位移和相對運(yùn)動,使工件的精度和表面質(zhì)量下降導(dǎo)致不能進(jìn)行。因此必須消除或減弱。1°消除或減弱工藝系統(tǒng)內(nèi)部振動干擾，如機(jī)床高速回轉(zhuǎn)的主軸，砂輪、電機(jī)的轉(zhuǎn)子等應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)地動平衡校核，并在振源和機(jī)座之間加橡皮、彈簧等隔振墊；傳動帶應(yīng)選擇帶薄、厚度均勻、柔軟的平帶；液壓系統(tǒng)的油箱、馬達(dá)、油泵等，應(yīng)安裝在機(jī)床外，油液用軟管輸送；傳動箱中的齒輪，除了提高制造精度與裝配質(zhì)量外，在許可的條件下，也可以用其它減振材料（如膠木、塑料等）制作。選擇抗振性好的材料制造機(jī)床，如花崗石等。2°對消除或減弱外部振動干擾，目前國內(nèi)外超精密加工機(jī)床中,大多采用

16、空氣彈簧隔振系統(tǒng),并取得了較好的隔振效果，有效地隔離了頻率69Hz，振幅在0.1m0.2m 的振動。2.消除環(huán)境溫度對加工的影響，精密加工和超精密加工時，由于室溫的變化對加工精度的影響很大， 由熱變形而產(chǎn)生的誤差占總加工誤差的50%。因此，應(yīng)控制好溫度變化。一般情況下溫度變動范圍應(yīng)控制在土005之內(nèi)，相對濕度控制在3045之間為宜。如要保證0.010.1m 的加工精度，溫度變化應(yīng)分別控制在±0. 01±0.1。溫度控制可采用室內(nèi)恒溫、局部恒溫、設(shè)備（機(jī)床）恒溫的逐級恒溫辦法來實(shí)現(xiàn)。如采用空調(diào)設(shè)備控溫，用于恒溫室和局部恒溫的控制。采用液體恒溫控溫，將設(shè)備被浸泡在恒溫液體中或用

17、恒溫液體的淋浴設(shè)備。美國的恒溫冷卻水冷卻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)20±0.0005的溫度控制。四、 精密測量技術(shù)精密和超精密加工必須具備相應(yīng)的檢測技術(shù)和手段，不僅要檢測零件的精度和表面粗糙度，而且要檢測加工設(shè)備及基礎(chǔ)元、部件的精度。目前，超精密加工的精度已能穩(wěn)定地達(dá)到0.1m 級甚至0.01m 級， 這就要求測量精度能達(dá)到納米級水平。目前，在超精密加工中除廣泛采用基于光學(xué)原理的測微技術(shù)和高靈敏度的電氣測微技術(shù)外，超精密測量儀正向高分辨率、高精度和高可靠性的方向發(fā)展，而且測量結(jié)果的分析軟件功能也越來越強(qiáng)。目前應(yīng)用的隧道掃描顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到了0.01nm。下面介紹一些國內(nèi)外一些先進(jìn)的精密測量技

18、術(shù)：（1） 掃描顯微測量技術(shù)1981年美國IBM公司研制的掃描隧道顯微鏡（SIM），將人們帶到了微觀世界。SIM具有極高的空間分辨率(平行和垂直于表面的分辨率分別達(dá)到0. 1nm 和0. 01nm,即可分辨出單個原子), 廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域, 在一定程度上推動了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。（2） 納米測量的掃描X射線干涉技術(shù)X射線干涉顯微測量技術(shù)室近年來新發(fā)展的nm測量技術(shù)，是一種測量范圍大, 較易實(shí)現(xiàn)的nm級測量方法。以SPM 為基礎(chǔ)的觀測技術(shù)只能給出nm級分辨力, 不能給出表面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的nm 尺寸,是因?yàn)榈侥壳盀橹谷鄙僖环N簡便的0. 10 nm 0. 01nm尺寸測量的定標(biāo)手段。掃描X 射線干涉測量技術(shù)是􀀁m /nm 測量中一項(xiàng)新技術(shù), 它是利用單晶硅的晶面間距作為10 nm 誤差的基本測量單位, 加上X 射線波長比可見光波波長小2個數(shù)量級, 有可能實(shí)現(xiàn)0. 01 nm的分辨力。該方法較其它方法對環(huán)境要求低, 測量穩(wěn)定性好, 結(jié)構(gòu)簡單, 是一種很有潛力方便的nm測量技術(shù)。（3） 雙頻激光干涉儀因雙頻激光干涉儀測量準(zhǔn)確度高, 測量范圍大, 因此常用于超精密機(jī)床作位置測量和位置控制測量反饋元件。但激光測量準(zhǔn)確度與空氣的折射率有關(guān),而空氣折射率與濕度、溫度、壓力、二氧化碳含量等有關(guān)。