精密與特種加工技術(課件)

1、高質(zhì)量集合文檔第一章 概 論第一節(jié) 精密與特種加工的產(chǎn)生背景機械制造面臨著一系列嚴峻的任務: 解決各種難切削材料的加工問題。 解決各種特殊復雜型面的加工問題。 解決各種超精密光整零件的加工問題。 特殊零件的加工問題。第二節(jié) 精密與特種加工的特點及其對機械制造領域的影響精密與特種加工是一門多學科的綜合高級技術; 精密加工包括微細加工光整加工和精整加工等,與特種加工關系密切。特種加工是指利用機光電聲熱化學磁原子能等能源來進行加工的非傳統(tǒng)加工方法(NTM,Non-Traditional Machining),它們與傳統(tǒng)切削加工的不同特點主要有: 主要不是依靠機械能; 刀具的硬度可以低于被加工工件材料

2、的硬度; 在加工過程中,工具和工件之間不存在顯著的機械切削力作用。 精密與特種加工技術引起了機械制造領域內(nèi)的許多變革: 提高了材料的可加工性。 改變了零件的典型工藝路線。 大大縮短新產(chǎn)品試制周期。 對產(chǎn)品零件的結(jié)構設計產(chǎn)生很大的影響。 對傳統(tǒng)的結(jié)構工藝性好與壞的衡量標準產(chǎn)生重要影響。第三節(jié) 精密與特種加工的方法及分類1.加工成形的原理 分為去除加工結(jié)合加工變形加工三大類。 去除加工又稱為分離加工,是從工件上去除多余的材料。 結(jié)合加工是利用理化方法將不同材料結(jié)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,是利用力熱分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形,改變其尺寸形狀和性能。2.加工方法機

3、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的地位和作用先進制造技術已經(jīng)是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要手段之一。發(fā)展先進制造技術是當前世界各國發(fā)展國民經(jīng)濟的主攻方向和戰(zhàn)略決策,同時又是一個國家獨立自主繁榮富強經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展科技保持先進領先的長遠大計。 從先進制造技術的技術實質(zhì)而論,主要有精密超精密加工技術和制造自動化兩大領域。精密與特種加工技術水平是一個國家制造工業(yè)水平的重要標志之一。精密與特種加工技術已經(jīng)成為國際競爭中取得成功的關鍵技術。產(chǎn)品的實際制造,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和制造自動化是先進制造技

4、術的兩大領域。加工精度在0.11m,表面粗糙度Ra在0.020.1m之間的加工稱為精密加工;加工精度高于0.1m,表面粗糙度Ra小于0.01m的加工稱為超精密加工。一超精密加工的難點精度難以控制;剛度和熱變形影響;去除層薄,切應力大;猶如對不連續(xù)體進行切削。二超精密加工的方法按加工方式分:切削加工磨料加工特種加工和復合加工按加工機理和特點分:去除加工結(jié)合加工和變形加工還可分為傳統(tǒng)加工非傳統(tǒng)加工和復合加工三超精密加工的實現(xiàn)條件超精密加工是多學科交叉的綜合性高新技術 超精密加工的機理與工藝方法; 超精密加工工藝裝備; 超精密加工工具; 超精密加工中的工件材料; 精密測量及誤差補償技術; 超精密加工

5、工作環(huán)境條件等。在超精密加工的中,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 超精密加工對機床的基本要求: 高精度 高剛度 高穩(wěn)定性 高自動化大型光學金剛石車床LODTMFG-001超精密機床OAGM 2500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的主軸部件主軸部件是保證超精密機床加工精度的核心。超精密加工對主軸的要求是極高的回轉(zhuǎn)精度,轉(zhuǎn)動平穩(wěn),無振動。液體靜壓軸承主軸空氣靜壓軸承主軸 雙半球空氣軸承主軸 徑向推力空氣靜壓軸承主軸 球形徑向空氣軸承主軸 立式空氣軸承主軸主軸的驅(qū)動方式 柔性聯(lián)軸器驅(qū)動 內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動超精密機床主軸和軸承的

6、材料應考慮以下主要因素: 耐磨損; 不易生銹腐蝕; 熱膨脹系數(shù)小; 材料的穩(wěn)定性好。制造空氣主軸和軸承的材料主要有: 經(jīng)表面氮化和低溫穩(wěn)定處理的38CrMoAl氮化鋼; 不銹鋼; 多孔石墨和軸承鋼。另外還有銦鋼花崗巖微晶玻璃和陶瓷等。三精密導軌部件超精密機床的總體布局T形布局十字形布局R- 布局立式結(jié)構布局常用的導軌部件 液體靜壓導軌花崗巖靜壓導軌 空氣靜壓導軌和氣浮導軌空氣靜壓導軌氣浮導軌床身及導軌的材料常用的床身及導軌材料有優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵花崗巖人造花崗巖等。微量進給裝置超精密機床的進給系統(tǒng)般采用精密滾珠絲杠副液體靜壓和空氣靜壓絲杠副。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

7、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的分辨力可達到0.0010.01m。精密和超精密微位移機構應滿足以下設計要求: 精微進給和粗進給分開。 運動部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定度的。 末級傳動元件必須有很高的剛度。 內(nèi)部連接必須可靠,盡量采用整體結(jié)構或剛性連接。 工藝性好,容易制造。 具有好的動特性。 能實現(xiàn)微進給的自動控制。 壓電和電致伸縮微進給裝置 摩擦驅(qū)動裝置 機械結(jié)構彈性變形微量進給裝置第五節(jié) 金剛石刀具的結(jié)構衡量金剛石刀具質(zhì)量的標準: 能否加工出高質(zhì)量的超光滑表面; 能否有較長的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: 確定切削部分的幾何形狀; 選擇合

8、適的晶面作為刀具的前后面; 確定金剛石在刀具上的固定方法和刀具結(jié)構。一金剛石刀具切削部分的幾何形狀 刀頭形式金剛石刀具刀頭一般采用在主切削刃和副切削刃之間加過渡刃。國內(nèi)多采用直線修光刃,國外標準的金剛石刀具,推薦的修光刃圓弧半徑R=0.53mm。金剛石刀具的主偏角一般為3090,以45主偏角應用最為廣泛。 前角和后角根據(jù)加工材料不同,金剛石刀具的前角可取05,后角一般可取56。美國EI Contour精密刀具公司的標準金剛石車刀結(jié)構如上圖所示。該車刀采用圓弧修光刃,修光刃圓弧半徑R=0.51.5mm。后角采用10,刀具前角可根據(jù)加工材料由用戶選定。一種可用于車削鋁合金銅黃銅的通用金剛石車刀結(jié)構

9、如右圖所示?？色@得粗糙度Ra < 0.02 0.005m的表面。二選擇合適的晶面作為金剛石刀具前后面三金剛石刀具上的金剛石固定方法 機械夾固 用粉末冶金法固定 使用粘結(jié)或釬焊固定國內(nèi)外的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的精密金剛石刀具。第三章 精密與超精密磨料加工黑色金屬硬脆材料的精密與超精密加工,主要是應用精密和超精密磨料加工。所謂精密和超精密磨料加工,就是利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬硬脆材料等進行加工,以得到高加工精度和低表面粗糙度值。 精密和超精密磨料加工可分為固結(jié)磨料和游離磨料加工兩大類。第一節(jié) 精密磨削精密磨削是指加工精度為10.1

10、m表面粗糙度為Ra0.20.025m的磨削方法。一精密磨削機理 靠砂輪的具有微刃性和等高性的磨粒實現(xiàn)的。 微刃的微切削作用 微刃的等高切削作用 微刃的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的磨料以易于產(chǎn)生和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 粗粒度的微切削作用;細粒度的摩擦拋光作用。 3.砂輪結(jié)合劑 超精密加工用金屬類陶瓷類結(jié)合劑四精密磨削中的砂輪修整有單粒金剛石修整金剛石粉末燒結(jié)型修整器修整和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(shù)和光修次數(shù)。五超精密磨削 超精密磨

11、削是指加工精度達到或高于0.1m表面粗糙度低于Ra0.025m的砂輪磨削方法,適宜于對鋼鐵材料及陶瓷玻璃等硬脆材料的加工。 鏡面磨削是屬于精密磨削和超精密磨削范疇的加工,是指加工表面粗糙度達到Ra0.020.01m表面光澤如鏡的磨削方法。影響超精密磨削的因素有: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的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)定性的工藝系統(tǒng),對力熱振動材料組織工作環(huán)境的溫度和凈化等都有穩(wěn)定性的要求,并有較強的抗擊來自系統(tǒng)內(nèi)外的各種干擾的能力。 1.超精密磨削機理 單顆粒磨削的切入模型如圖所示。說明: 可視為一彈性系統(tǒng) 平面磨削的切屑形狀如圖所示

12、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) 存在微切削作用塑性流動彈性破壞作用和滑擦作用 磨削狀態(tài)與磨削系統(tǒng)的剛度密切相關。2.超精密磨削工藝 超精密磨削的砂輪選擇砂輪修整磨削液選擇等問題與精密磨削和超硬磨料砂輪磨削有關問題類同。超精密磨削的磨削用量。六超硬磨料砂輪磨削 超硬磨料砂輪磨削主要是指用金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪加工硬質(zhì)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: 磨削能力強,耐磨性好,耐用度高,易于控制加工尺寸及實現(xiàn)加工自動化。 磨削力小,磨削溫度低,加工表面質(zhì)量好,無燒傷裂紋和組織變化。 磨削效率高。 加工成本低。 1.超硬磨料砂輪磨削工藝 磨削用量 磨

13、削液:要求磨削液有良好的潤滑性冷卻性清洗性和滲透性。 2.超硬磨料砂輪修整 修整是整形和修銳的總稱。整形是使砂輪具有定精度要求的幾何形狀;修銳是去除磨粒間的結(jié)合劑,使磨粒突出結(jié)合劑一定高度,形成良好的切削刃和足夠的容屑空間。 超硬磨料砂輪修整的方法: 車削法; 磨削法; 滾壓擠軋法; 噴射法; 電加工法; 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,是在剛性研具上注入磨料,在定壓力下,通過研具與工件的相對運動,借助磨粒的微切削作用,除去微量的工件材料,以達到高級幾何精度和優(yōu)良表面粗糙度的加工方法。 1.硬脆材料的研磨 硬脆材料研磨的加工模型如圖所示。研

14、磨磨粒為1m的氧化鋁和碳化硅等。 2.金屬材料的研磨 金屬材料研磨相當于普通切削和磨削的切削深度極小時的狀態(tài)。二拋光加工機理 拋光是指用低速旋轉(zhuǎn)的軟質(zhì)彈性或粘彈性材料拋光盤,或高速旋轉(zhuǎn)的低彈性材料拋光盤,加拋光劑,具有一定研磨性質(zhì)地獲得光滑表面的加工方法。拋光使用的磨粒是1m以下的微細磨粒。 拋光加工模型如圖3-9所示。 拋光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化學性溶析作用的結(jié)合。三精密研磨拋光的主要工藝因素精密研磨拋光的主要工藝因素如表3-5所示。 在一定的范圍內(nèi),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: 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

15、相近的研磨行程。 工件上任一點不出現(xiàn)運動軌跡的周期性重復。 避免曲率過大的運動轉(zhuǎn)角,保證研磨運動平穩(wěn)。 保證工件走遍整個研磨盤表面,以使研磨盤磨損均勻,進而保證工件表面的平面度。 及時變換工件的運動方向,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 研磨盤是涂敷或嵌入磨料的載體。研磨對研磨盤加工面的幾何精度要求很高。 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(zhì)無異物無裂紋和無缺陷,并有一定的磨料嵌入性和浸含性。常用的研磨盤材料有鑄鐵黃銅玻璃等。 研磨盤的結(jié)構要具有良好的剛性精度保持性耐磨性排屑性和散熱性。為了獲得良好的研磨表面,常在研磨盤面上開槽。開槽的目的為

16、: 存儲多余的磨粒; 作為向工件供給磨粒的通道; 作為及時排屑的通道。 固著磨料研磨盤是一種適用于陶瓷硅片水晶等脆性材料精密研磨的研具,具有表面精度保持性好研磨效率高的優(yōu)點。 2.拋光盤 拋光盤平面精度及其精度保持性是實現(xiàn)高精度平面拋光的關鍵。五研磨劑與拋光劑 對研磨用磨粒的基本要求: 形狀尺寸均勻一致; 能適當?shù)仄扑?以使切削刃鋒利; 熔點高于工件熔點; 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的化學活性。 研磨拋光加工液主要作用是冷卻潤滑均布研磨盤表面磨粒及排屑。對研磨拋光液的要求: 有效地散熱,以防止研磨盤和工件熱變形; 粘附低,以保證磨料的流動性; 不

17、污染工件; 物理化學性能穩(wěn)定,不分解變質(zhì); 能較好地分散磨粒。六非接觸拋光 非接觸拋光是指在拋光中工件與拋光盤互不接觸,依靠拋光劑沖擊工件表面,以獲得加工表面完美結(jié)晶性和精確形狀的拋光方法,其去除量僅為幾個到十幾個原子級。 1.彈性發(fā)射加工 彈性發(fā)射加工是指加工時研具與工件互不接觸,通過微粒子沖擊工件表面,對物質(zhì)的原子結(jié)合產(chǎn)生彈性破壞,以原子級的加工單位去除工件材料,從而獲得無損傷的加工表面。 彈性發(fā)射加工原理彈性發(fā)射加工方法如圖所示 對加工頭和工作臺實施數(shù)控,可實現(xiàn)曲面加工。EEM的數(shù)控加工裝置如圖3-11所示。 2.浮動拋光 浮動拋光裝置如圖所示拋光機理超精密拋光盤的制作是實現(xiàn)浮動拋光加工的關鍵。 3.動壓浮離拋光動壓浮離拋光平面非接觸拋光裝置如圖所示工作原理加工過程中無摩擦熱和工具磨損,標準平面不會變化該方法主要用于半導體基片和各種功能陶瓷材料及