《精密與特種加工》大作業(yè)

1、大連理工大學(xué)研究生試卷題號(hào)標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)實(shí)得分?jǐn)?shù)1.52.53.104.105.106.107.108.109.1010.1011.10總分授課教師*系 別：機(jī)械工程學(xué)院課程名稱：精密與特種加工學(xué) 號(hào)： *姓 名： *考試時(shí)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(shù)是指加工尺寸、形狀精度達(dá)到亞微米級(jí)，加工表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)的加工技術(shù)。在某些領(lǐng)域已經(jīng)延伸到納米尺度范圍，其加工精度已接近納米級(jí)，表面粗糙度已經(jīng)達(dá)到0.1nm級(jí)，并且正向原子級(jí)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(dá)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(dá)數(shù)納米，加工表面粗糙度可達(dá)0.1nm級(jí)。（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(duì)刀具有什么要求？ 答：（1）刀具刃口鋒銳度小，以實(shí)現(xiàn)超薄切削，減小切削刃表面的彈性恢復(fù)和表面變質(zhì)層；（2）極低的切削刃粗糙度，以減少刀具刃口誤差復(fù)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(qiáng)度，刃口無(wú)缺陷，耐崩刃，以抵抗切削時(shí)晶粒內(nèi)部強(qiáng)大的分

3、子、原子間結(jié)合力；（5）化學(xué)親和力小，和工件材料的抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。3.簡(jiǎn)述超精密切削時(shí)刀具刀刃鋒銳度對(duì)切削過(guò)程和加工表面質(zhì)量的影響。答：在超精密切削條件下,刀具的刀刃鋒銳度對(duì)切削變形和加工表面質(zhì)量有直接的、很明顯的影響。（1）刀具刀刃鋒銳度對(duì)切削變形有著很大的影響，特別是在背吃刀量和進(jìn)給量較小的時(shí)候。（2）金剛石刀具的刀刃鋒銳度對(duì)加工表面粗糙度有一定的影響。（3） 但它對(duì)加工表面變質(zhì)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(shí)加工表面變質(zhì)層存在的冷硬較少。（4）切削表面層的組織位錯(cuò)密度主要由切削變形決定，故刀具刀刃鋒銳度對(duì)組織位錯(cuò)也有著很大的影響。（

4、5）刀具刀刃鋒銳度對(duì)加工表面殘留應(yīng)力也有很大的影響，用鋒銳的刀具切削時(shí)的殘留應(yīng)力要比用較鈍的刀具切削時(shí)低得多。背吃刀量和進(jìn)給量也會(huì)影響加工表面質(zhì)量，所以并不是越鋒銳的刀具加工出的表面質(zhì)量越高，要根據(jù)加工表面質(zhì)量要求合理的選擇刀具刀刃鋒銳度。4.簡(jiǎn)述慢刀伺服車削和快刀伺服車削的特點(diǎn)及應(yīng)用。答：（1）慢刀伺服車削：切削時(shí)車床主軸與Z軸均進(jìn)行控制，使機(jī)床主軸變成位置可控的C軸，機(jī)床的X、Z、C三軸在空間構(gòu)成了柱坐標(biāo)系，同時(shí)，高性能和高編程分辨率的數(shù)控系統(tǒng)將復(fù)雜面形零件的三維笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)，并對(duì)所有運(yùn)動(dòng)軸發(fā)送插補(bǔ)進(jìn)給指令，精確協(xié)調(diào)主軸和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)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(shí)作正弦往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要多軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)。因此，在加工前需要對(duì)零件面形進(jìn)行多軸協(xié)調(diào)分析，進(jìn)而確定刀具路徑和刀具補(bǔ)償。此外，慢刀伺服受機(jī)床滑座慣性和及電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度影響較大，機(jī)床動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較低，適合加工面形連續(xù)而且較大的復(fù)雜光學(xué)器件。 應(yīng)用：對(duì)主軸與進(jìn)給軸、Z軸均進(jìn)行位置控制且三軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可以將光學(xué)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(shù)可以一次加工成型，可以解決傳統(tǒng)加工中將光學(xué)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(yīng)能力的刀具微進(jìn)給伺服系統(tǒng)，在車削過(guò)程中，主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，刀具在伺服系統(tǒng)的驅(qū)

6、動(dòng)下，以與主軸轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)的頻率沿工件徑向（對(duì)于非圓車削）或軸向（對(duì)于非軸對(duì)稱車削）做往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而加工出工件的非圓截面輪廓或非軸對(duì)稱截面。它將被加工的復(fù)雜形面分解為回轉(zhuǎn)形面和形面上的微結(jié)構(gòu)，然后將兩者疊加。由X軸和Z軸進(jìn)給實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)形面的軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)車床主軸只進(jìn)行位置檢測(cè)并不進(jìn)行軌跡控制。借助安裝在Z軸但獨(dú)立于車床數(shù)控系統(tǒng)之外的冗余運(yùn)動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)刀具，完成車削微結(jié)構(gòu)形面所需的Z軸運(yùn)動(dòng)。這種加工方法具有高頻響、高剛度、高定位精度的特點(diǎn)。應(yīng)用：快刀伺服切削的應(yīng)用實(shí)例有加工內(nèi)燃機(jī)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(jìn)行，因此磨削力一定要超過(guò)晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，從而磨粒上所承受的剪切應(yīng)力就急速地增加，可能接近磨粒的剪切強(qiáng)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(qiáng)度和高溫硬度。普通磨料，在高溫高壓和高剪切應(yīng)力的作用下，磨粒將會(huì)很磨損或崩裂，以隨機(jī)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(zhì)量。因此，在超精密磨削時(shí)，一般采用人造金剛石、立方氮化硼等超硬磨料砂輪。6.固結(jié)磨料研磨與游離磨料研磨相比有什么優(yōu)點(diǎn)？答：固結(jié)磨料研磨與游離磨料研磨相比有如下幾方面優(yōu)點(diǎn)：（1）工件的受力易于分析。對(duì)于傳統(tǒng)的游

8、離磨料研磨，磨料的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，磨料對(duì)工件的研磨切削力的大小和方向也是隨機(jī)的，這就使得分折磨料對(duì)工件的作用力十分困難。而在固結(jié)磨料高速研磨中，磨料與磨具一起運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是已知的，這就為我們研究磨料對(duì)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(jī)分布的，而且隨著磨盤的運(yùn)動(dòng)而不斷的變化，因此磨料的密度分布不均勻且無(wú)法控制。而在固結(jié)磨料研磨中，磨料被做成丸片粘結(jié)在磨盤的許多位置點(diǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡密度分布，合理地設(shè)計(jì)磨具上磨料密度分布，以使磨具在研磨過(guò)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(guò)快，以避免磨料飛濺，另外在研磨過(guò)程中，磨料相互間既有作用力，又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(fèi)，這就使得研磨加工效率低，加工成本高。而在固結(jié)磨料研磨中，因?yàn)椴淮嬖谀チ巷w濺問(wèn)題，所以可以采用較高的轉(zhuǎn)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(duì)于游離磨料研磨，磨料的尺寸不可能完全一致。在

10、研磨時(shí)磨料置于磨盤上，當(dāng)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(gè)參于研磨的磨料承擔(dān)的壓力大，壓強(qiáng)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(jié)磨料研磨加工的工件表面粗糙。而固結(jié)磨料研磨時(shí)磨削力小，磨削溫度低，加工表面質(zhì)量好，無(wú)燒傷、裂紋和組織變化。7.簡(jiǎn)述精密磨削時(shí)砂輪修整對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。答：砂輪的修整分為整形和修銳。精密磨削時(shí)主要采用細(xì)粒度的高硬度砂輪進(jìn)行磨削，砂輪經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后砂輪會(huì)被磨損和堵塞。這時(shí)就需要對(duì)砂輪進(jìn)行整形和修銳。修銳是使去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒突出結(jié)合

11、劑一定高度，形成一定的容屑空間。整形是使砂輪達(dá)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(méi)，降低了砂輪對(duì)工件的切削作用。對(duì)砂輪進(jìn)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(shí)滑擠，摩擦拋光作用不強(qiáng)，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(duì)工件的切削作用下降，對(duì)工件的擠壓作用增強(qiáng)，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(xué)法，超生震動(dòng)，激光法等。砂輪再長(zhǎng)時(shí)間使用之后形狀精度會(huì)下降，砂輪母線的形狀會(huì)直接復(fù)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(huì)嚴(yán)重的影響零件的加工精度，所以需要對(duì)砂輪進(jìn)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(jī)理和特點(diǎn)有何不同？ 答：研磨加工的機(jī)理：利用硬度比被加工材料更高的微米級(jí)磨粒，在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生微切削和滾扎作用，實(shí)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(dá)到要求值，并降低表面粗糙度，減小加工變質(zhì)層的加工方法。其特點(diǎn)：（1）微量切削。眾多磨粒參與研磨，單個(gè)磨粒所受載荷很小，控制適當(dāng)?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(jī)，有滑動(dòng)、滾動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多方向切削。（3）按進(jìn)化原理成形。當(dāng)研具與工件接觸時(shí)，在非強(qiáng)制性研磨壓力作用下，能自動(dòng)旳選擇局部凸出處進(jìn)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(xì)磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)加工液，電/磁場(chǎng)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(zhì)層，從而獲得高表面質(zhì)量的加工方法，其加工機(jī)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(qiáng)制壓入產(chǎn)生作用，借助磨粒和拋光器與工件流動(dòng)摩擦使工件表面的凸凹變平。9.簡(jiǎn)述超精密加工機(jī)床特點(diǎn)及超精密機(jī)床主軸的主要形式和優(yōu)缺點(diǎn)。答

14、：超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密加工的首要基礎(chǔ)條件。其具有極鋒利的刀具或微細(xì)磨具，機(jī)床具有較好的動(dòng)態(tài)剛度和精度以及微量進(jìn)給系統(tǒng)。超精密機(jī)床技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，其發(fā)展綜合利用了基礎(chǔ)理論(包括切削機(jī)理、懸浮理論等)、關(guān)鍵單元部件技術(shù)、相關(guān)功能器件技術(shù)、刀具技術(shù)、計(jì)量與測(cè)試分析技術(shù)、誤差處理技術(shù)、切削工藝技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等。因此，技術(shù)高度集成已成為超精密機(jī)床的主要特點(diǎn)。超精密機(jī)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(diǎn):剛度和回轉(zhuǎn)精度很高，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)。缺點(diǎn)：（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(dòng)特性。靜壓軸承主軸的優(yōu)點(diǎn)：回轉(zhuǎn)精度很高，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)溫升甚小，因此造成的熱變形誤差很小。缺點(diǎn)：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(jiǎn)述超聲輔助磨削技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用。答：超聲加工是利用超聲振動(dòng)的工具，帶動(dòng)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(jìn)行穿孔、切割和研磨等，以及利用超聲波振動(dòng)使工件相互結(jié)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(jié)合所形成新的加工技術(shù)是一種典型的復(fù)合加工技術(shù)即，這一復(fù)合加工技術(shù)既充分發(fā)揮了機(jī)械加工和超聲加工這兩種加工技

16、術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩種技術(shù)的局限和不足，因而具有一些突出優(yōu)點(diǎn)。超聲輔助磨削技術(shù)的原理：它是采用電鍍或燒結(jié)法制備的固結(jié)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(dòng)的復(fù)合加工方法。根據(jù)施加超聲振動(dòng)的方式不同，分為兩種形式：一種是在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在工件上施加超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲輔助磨削加工。另一種是利用或?qū)⒊曊駝?dòng)施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上實(shí)現(xiàn)超聲輔助磨削加工，也稱為旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）。特點(diǎn)：超聲輔助磨削加工技術(shù)不僅可以有效降低磨削力、提高加工質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)難加工材料的超聲輔助磨削加工開(kāi)展了大量的研究，一些機(jī)床生產(chǎn)商還開(kāi)發(fā)了超聲輔助磨削加工機(jī)床。超聲輔助磨削加工已在光學(xué)、 醫(yī)藥、半導(dǎo)體、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，該技術(shù)已成為難加工材料零部件加工中主要先進(jìn)加工技術(shù)之一，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。 11. 簡(jiǎn)述磁流變拋光技術(shù)的加工原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。答：磁流變拋光技術(shù)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(chǎng)中的流變特性對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光，具體說(shuō)就是磁流變液在梯度磁場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，使工件表面受到很大的剪切力