模塊二金屬切削加工課題八精密加工和特種加工簡介

機械制造工藝與裝備模塊二金屬切削加工課題八精密加工和特種加工課題八精密加工和特種加工知識點精密加工特種加工技能點了解精密加工的方法及應(yīng)用特點了解特種加工的方法及應(yīng)用特點一、任務(wù)引入如圖2-174所示為某航空發(fā)動機螺旋槳軸上的支承襯套，要求內(nèi)、外表面粗糙度值分別為和，試確定內(nèi)、外圓最終加工方法。圖2-174隔離襯套二、任務(wù)分析在制造領(lǐng)域，要應(yīng)用到很多精密零件，如機床導軌、檢測平臺、量儀、液壓控制閥等零件，用普通的機械切割加工往往達不到機械加工精度及表面粗糙度要求，所以其最終加工還需要精密加工。隔離襯套是某航空發(fā)動機螺旋槳軸上的支承襯套。外圓與機體孔過盈配合，內(nèi)孔與螺旋槳軸軸頸相配合(間隙0.01～0.05mm)。為保證達到內(nèi)、外圓表面粗糙度和形狀精度要求，內(nèi)孔采用研磨，外圓增加拋光的加工工序，研磨和拋光屬于精密加工范疇。精密加工中，精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra值小于0.1μm的加工方法稱為超精密加工。常用的超精密加工方法有鏡面車削、虹面車削,超精密磨削、鏡面磨削等。三.相關(guān)知識（一）精密加工1、概述（1）機床設(shè)備條件精密加工必須在精密機床上進行。機床應(yīng)具有高的運動精度、剛度和轉(zhuǎn)速，以及小的進給量。（2）環(huán)境條件1）消除工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部的振動干擾。加工表面的表面粗糙度與振動的頻率和振幅有關(guān)。2）創(chuàng)造恒溫條件。精密機床應(yīng)置在恒溫室內(nèi)，應(yīng)在20℃±1℃的條件下對零件進行加工和測量。超精密加工還要求工作間超凈。

（1）精密車削概念加工外圓表面時，用很小的刃口圓弧半徑的車刀進行高速、微量切削而獲得高精度的工藝方法稱為精密車削。（2）精密車削應(yīng)用精密車削主要用于銅、鋁及其合金制件的最終加工，其他如純金屬、塑料、玻璃纖維、合成樹脂及石墨等不宜采用磨削而加工要求較高的零件，也常使用精密車削。對于表面粗糙度值要求很小的銅、鋁及其合金制件的外圓表面或反射鏡的曲面，使用金剛石車刀進行鏡面車削，表面粗糙度Ra值可小于0.05μm。2.精密車削（3）精密車削的刀具及切削用量

精密車削除必須在精密車床上進行外，還需要對所用的三爪自定心卡盤、彈簧夾頭和心軸等回轉(zhuǎn)組件進行動平衡，并精密測定其跳動量，以及仔細選取刀具材料和切削用量。精密車削所用刀具主要有金剛石車刀和硬質(zhì)合金精密車刀兩種。

1）金剛石車刀金剛石刀具材料有天然單晶金剛石和人造聚晶金剛石兩種。金剛石具有硬度高、耐磨性好、刃口鋒利和摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，但韌性很差，刃磨困難。右圖為在精密車床上加工黃銅H82所用的金剛石精密車刀，工件要求表面粗糙度Ra值為0.03μm。為加強刀尖和刃口部位強度，采用前角γO＝－5°～10°，過渡刃為0.05mm，后角為

2°～3°。金剛石精密車刀

金剛石刀具適用于有色金屬及其合金（如鋁、紫銅、黃銅、巴氏合金、鈹銅、鋅等）及非金屬材料（如酚醛塑料、陶瓷等）的精密車削。由于金剛石與鐵的親和力很強，所以金剛石刀具不適于加工黑色金屬。精密車削的進給量一般選?＝0.01～0.04mm/r；雙面加工余量為0.3～0.5mm；半精加工的背吃刀量aP＝0.05～0.1mm，精加工的背吃刀量aP＝0·02～0.05mm。超精密加工時，背吃刀量aP一般為0.003～0.006mm。

2）硬質(zhì)合金精密車刀

用細顆粒的硬質(zhì)合金（如YG6x、YG6A、YG3X等）車刀進行精密車削，可以達到的表面粗糙度R。值為0.05μm左右；用超細顆粒的硬質(zhì)合金（如YHl、YHZ、YG10H等）車刀進行精密車削，可以達到的表面粗糙度Ra值為0.03μm。下圖為YG6A或YG6x硬質(zhì)合金精密車刀。車刀前面、后面的表面粗糙度Ra值應(yīng)≤0.02μm；刃傾角為10°，以利排屑；車刀采用6°后角和3°副后角，可以減小振動并使刀具后面對工件有輕微的擠壓作用。用于精密車削銅料，曾獲得鏡面。硬質(zhì)合金精密車刀用硬質(zhì)合金精密車刀進行精密車削時，一般采用高的切削速度：車鋁合金材料vcmax＝350m/min，車青銅等銅合金材料vcmax＝400m/min；車鎂合金材料vcmax＝1000m/min。切削速度越高，獲得的表面粗糙度值越小，但刀具磨損及振動也隨之加劇，所以應(yīng)根據(jù)實際情況來合理選擇。一般取進給量?＝0.02～0.04mm/r；背吃刀量一般取aP

＝0·2～0.3mm。（1）精密磨削概念及其應(yīng)用

在精密磨床上用經(jīng)過精細修整的細粒度砂輪進行的一種磨削方法稱為精密磨削。精密磨削是一種高精度、小表面粗糙度值的精密加工方法，主要用于淬硬的黑色金屬材料精密加工，它可以獲得IT5級的尺寸精度和高的幾何形狀精度，如圓度誤差小于0.5μm，圓柱度誤差小于0.001mm/300mm，平面度誤差小于0.003mm/1000mm，可使同軸度誤差小于1μm，表面粗糙度Ra值一般在0.16μm以下，最小可達0.008μm。

3.精密磨削

精密磨削按磨削后所獲得的表面粗糙度值的大小，通?？杉毞譃榫苣ハ鳎≧a值0.16～0.04μm）、超精密磨削（Ra值0.04～0.01μm）和鏡面磨削（Ra值小于或等于0.01μm）三種。精密磨削主要用于機床主軸、高精度軸承、航空、航天中的精密零件、計算機磁盤等元件的磨削。（2）精密磨削用機床及砂輪

1）對精密磨床的要求

砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度高于1μm，內(nèi)圓磨具采用靜壓；應(yīng)有對傳動部分的減震措施；橫向進給機構(gòu)的重復精度高，誤差小于2μm，刻度值不得大于0.005mm，最好配有數(shù)字控制或其他控制尺寸的裝置；工作臺運動平穩(wěn)，在一定范圍內(nèi)無爬行。

2）精密磨削用砂輪

①磨料

鋼和鑄鐵零件進行精密磨削時，砂輪磨料應(yīng)選用剛玉（單晶剛玉最好），而不選用碳化硅。對于精密磨削含有大量硬質(zhì)點的耐熱鋼、高強度而難加工材料，砂輪磨料可采用立方氮化硼。精密磨削硬質(zhì)合金及其他硬脆材料，則應(yīng)采用人造金剛石磨料。

②粒度應(yīng)選用粒度號60或更細的磨啦或儆粉。③硬度砂輪硬度根據(jù)工件硬度而定，對于淬火后鋼件，一般用K、L（中軟）級，對鏡面磨削應(yīng)使用D、E、F（超軟）級砂輪，以利于充分發(fā)揮摩擦拋光作用。④結(jié)合劑一般采用陶瓷結(jié)合劑，以利于充分發(fā)揮粗粒度磨料的微刃切削作用。鏡面磨削時，一般選用樹脂結(jié)合劑，并加人一定量的石墨添加劑。⑤組織砂輪組織應(yīng)均勻且緊密，一般選用組織號為0～3號。精密磨削用砂輪需經(jīng)精細修整，以使砂輪表面上的微刃等高。

精加工后，從正件上不切除或切除極薄金屬層，用以減小工件表面粗糙度值，提高工件表面質(zhì)量或強化工件表面的加工過程稱為光整加工。常用的光整加工方法有：超精加工、珩磨、研磨、拋光等。4.光整加工簡介（l）超精加工

超精加工是用細粒度的磨具對工件施加很小的壓力，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。超精加工主要適用于軸類零件外圓表面的光整加工。可以獲得表面粗糙度Ra值為0.1～0.01μm的表面，但不能提高工件的形狀和位置精度。超精加工只能切去工件表面微觀不平的凸峰，加工余量很小，只有0.005～0.01mm。由于切削速度低，油石壓力小，加工時發(fā)熱少，不會使工件表面燒傷或產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

超精加工的磨具為油石，選用細粒度，以較低的壓力和切削速度對工件表面進行加工，加工時有三種運動，即工件的低速回轉(zhuǎn)、磨具的軸向進給運動和油石的高速往復振動。油石振動的頻率為10~25Hz，振幅為1～5mm，油石對工件表面的壓力Pa＝15×104Pa。油石研磨超精加工必須加注充分的潤滑油，一方面清洗極細的磨屑，另一方面使被加工表面上形成一層很薄的油膜，在工件表面的凸峰被磨去后，油石被油膜所阻隔，自動停止切削作用，超精加工完成。超精加工可以在普通車床、外圓磨床上增加專用磨具進行。成批生產(chǎn)時可采用專門的超精加工機床。超精加工廣泛應(yīng)用于加工內(nèi)燃機的曲軸、凸輪軸、軋輥、軸承、刀具、精密量儀及電子儀器等的精密零件，能對不同的材料進行加工。除外圓外，還能加工內(nèi)圓、平面及特殊輪廓表面。（2）珩磨

珩磨是利用珩磨工具對工件表面施加一定壓力，珩磨工具同時作相對旋轉(zhuǎn)和直線往復運動，切除工件上極小余量的光整加工方法。珩磨主要用于孔加工?？梢垣@得很高的尺寸精度和形狀精度，孔的尺寸精度可達IT5級，孔的圓度誤差可控制在0.003～0.005mrn；表面粗糙度一般為Ra0.20～0.04μm，最小可達可達Ra值0.02～0.01μm。

珩磨孔的工具為珩磨頭，由幾根（一般為4～6根）粒度很細的油石沿圓周均勻分布組成。珩磨時，珩磨頭有三種運動，即旋轉(zhuǎn)運動、軸向往復運動和垂直于工件加工表面的徑向加壓運動。珩磨頭的旋轉(zhuǎn)和軸向往復運動是主運動，使油石上的磨粒在孔表面上的切削軌跡呈交叉而不重復的網(wǎng)紋。

徑向加壓運動是油石的進給運動，可由彈簧、氣壓或液壓的方式施壓，加壓力越大，即進給量越大。珩磨內(nèi)孔珩磨時，珩磨頭與機床主軸間采用浮動連接，因此，油石能很好地與零件孔壁貼合，加工中不會改變孔的軸線位置。珩磨不能修正孔的位置偏差。珩磨時，油石與工件孔壁的接觸面積較大，參加切削的磨粒很多，加工效率較高。由于每個磨粒的磨削力很小，且珩磨的切削速度較低，所以珩磨過程中發(fā)熱少，孔的表面不易燒傷，因而可獲得很高的表面質(zhì)量。（3）研磨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光整加工方法。研磨方法簡便可靠，尺寸精度可達到IT6級以上，表面粗糙度Ra值為0.2～0.012μm。應(yīng)用研磨的應(yīng)用范圍較廣，可加工各種鋼、鑄鐵、銅、鋁、硬質(zhì)合金、半導體、玻璃、陶瓷以及塑料等。研磨可加工各種形狀的表面，內(nèi)、外圓柱面，圓錐面，凸、凹球面，螺紋，齒輪及其他成形表面。研磨的原理是在研具和工件之間加研磨劑，并在一定壓力下使研具與加工表面作相對運動，使磨粒在工件表面滾動、滑動，起切削、刮擦和擠壓作用。研磨外圓時，使用研具為研套。粗研套孔內(nèi)有油槽，可儲存研磨劑。精研套孔內(nèi)無油槽。用研套研磨外圓研磨內(nèi)孔時，使用的研具為研磨棒。研磨棒表面開有螺旋槽以儲存研磨劑。用研磨棒研磨內(nèi)孔研具在一定程度上把本身的幾何形狀復制給工件，另一方面又是研磨劑的載體。因此，研磨對研具有較高的要求。研磨劑為磨料、研磨液及輔助材料的混合劑。按研磨劑使用的條件，研磨分濕研、半干研和干研三種類型。（4）拋光

拋光是利用機械、化學或電化學的作用，使工件獲得光亮、平整表面的加工方法。拋光不能改善工件的尺寸精度和形狀精度。

拋光利用高速回轉(zhuǎn)（30～40m/s）、涂有拋光膏的彈性磨輪對工件表面進行光整加工。拋光時，帶有磨粒的彈性輪與工件表面產(chǎn)生劇烈摩擦，導致高溫并形成滾壓和切除作用，用以去除前工序的加工痕跡，減小工件表面粗糙度值，增加工件表面光亮、美觀，并提高正件的抗疲勞和抗腐蝕性能。

拋光膏通常由氧化鉻、氧化鐵磨料與油脂混合凋制而成。（二）特種加工1.概述

（1）特種加工

特種加工是指除常規(guī)切削加工以外的新的加工方法，這種加工方法利用電、磁、聲、光、化學等能量或其各種組合作用在工件的被加工部位上，實現(xiàn)對材料的去除、變形、改變性能和鍍覆，從而達到加工目的。1）不是主要依靠機械能，而是主要用其他能量（如電、熱、光、化學、聲等）去除金屬材料，這些能量的瞬時能量密度很高，所以可加工任何高硬度的材料。2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度。3）加工過程中，因工具與工件基本不接觸，加工時不存在顯著的機械切削力。4）加工機理不同于一般金屬切削原理，不產(chǎn)生宏觀切屑。5）加工能量易干控制和轉(zhuǎn)換，所以加工范圍廣，適應(yīng)性強。

（2）特種加工特點（3）特種加工對機械制造工藝技術(shù)的影響

1）提高了材料的可加工性；2）改變了零件的工藝路線；3）縮短了新產(chǎn)品的試制周期；4）對產(chǎn)品和零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生較大影響；5）需重新評估傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝性。（4）特種加工方法

特種加工方法可按其能量來源和加工原理分為電火花加工、電化學加工、高能束加工、物料切蝕加工、化學加工、成形加工和復合加工等多種門類的加工。

2、電火花加工電火花加工又稱放電加工（簡稱EDM），它利用電、熱能對零件進行加工。（1）電火花加工的原理電火花加工是利用脈沖放電對導電材料進行蝕除，以獲得一定形狀和尺寸的加工方法。

（2）電火花加工的特點及應(yīng)用

1）可用硬度低的紫銅或石墨作為工具電極對任何硬、脆、高熔點的導電材料進行加工，具有以柔克剛的功能；2）可以加工特殊和形狀復雜的表面，常用于注塑模、壓鑄模等型腔模的加工；3）無明顯的機械切削力，適宜于加工薄壁、窄槽和細微精密零件；4）由于脈沖電源的輸出脈沖參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，因而能在同一臺床子上連續(xù)進行粗加工、半精加工和精加工。

圖2-46電火花加工原理示意圖

1-工具電極2-工作液箱3-工件電極4-工作液5-絕緣墊6-伺服電機

（3）電火花線切割加工電火花線切割加工是在電火花加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種加工工藝（簡稱WEDM）。其工具電極為金屬絲（鉬絲或銅絲），在金屬絲與工件間施加脈沖電壓，利用脈沖放電對工件進行切割加工，因而也稱線切割。1）電火花線切割加工的原理

電火花線切割加工的電蝕原理與電火花加工的原理相同。電火花線切割加工的基本設(shè)備是數(shù)控電火花切割機，它由床身部分、坐標工作臺部分（一般均采用十字和滾動導軌、滾動絲杠）、走絲機構(gòu)和錐度切割裝置等主要部件組成。

電火花線切割工作原理示意圖

1—進電裝置2—導向輪3—金屬絲4—工件5—X軸步進電動機6—Y軸步進電動機7—橫向工作臺8—縱向工作臺

2）電火花線切割加工的特點和應(yīng)用

①可切割各種高硬度材料，用于加工淬火后的模具、硬質(zhì)合金模具和強磁材料；②由于采用數(shù)控技術(shù)，可編程切割形狀復雜的型腔，易于實現(xiàn)CAD/CAM；③由于幾乎無切削力，故可切割極薄工件；④由于金屬絲直徑小，因而加工時省料，特別適宜于切割貴重金屬材料；⑤試制新產(chǎn)品時，可直接將某些板類工件切割出，省去了模具、刀具、工夾具等工裝，使開發(fā)產(chǎn)品周期明顯縮短。3.電解加工電解加工（簡稱ECM）是電化學加工中的主要加工方法，已成功應(yīng)用于國防、航空航天、汽車、拖拉機等領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)。（1）電解加工的原理

電解加工是利用金屬在電解液中的電化學陽極溶解原理將工件加工成形的。電解加工的成形原理如圖2-47所示。電解加工的基本設(shè)備包括直流設(shè)備、電解加工機床和電解液系統(tǒng)三個部分。

電解加工示意圖

1-直流電源2-工具陰極3-工件陽極4-電解液泵5-電解液（2）電解加工的特點和應(yīng)用

1）加工范圍廣，可加工高硬度、高強度和高韌性的各類導電材料，可加工汽輪機葉片、葉輪等復雜型面；2）生產(chǎn)率高；3）能以簡單的直線進給運動一次完成復雜型腔表面的加工，不產(chǎn)生變形和殘余應(yīng)力，也無飛邊、毛刺等；

4）可獲得較好的表面粗糙度，加工精度不高；5）加工過程中，工具陰極在理論上不會損耗，可長期使用。

4、激光加工激光加工是利用光能經(jīng)透鏡聚焦以極高的能量密度靠光熱效應(yīng)加工各種材料的一種新工藝（簡稱LBM）。(1)激光加工的原理

激光是一束相同頻率、相同方向和嚴格位相關(guān)系的高強度平行單色光。由于光束的發(fā)散角通常不超過0.1°，因此在理論上可聚焦到直徑為光波波長尺寸相近的焦點上，焦點處的能量密度可達108～1010W/cm2，溫度可高達攝氏1萬度，從而使任何材料均在瞬時（＜10－3s）被急劇熔化乃至汽化，并產(chǎn)生強烈的沖擊波被噴發(fā)出去，從而達到切除材料的目的。常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可分為固體激光器和氣體激光器。如圖2-48為固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-48固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖1-全反射鏡2-工作物質(zhì)3-玻璃套管4-部分反射鏡5-聚光鏡6-氙燈7-電源(2)激光加工的特點和應(yīng)用

1）由于激光加工的功率密度高，幾乎可以加工任何材料；2）激光束可調(diào)焦到微米級，其輸出功率可以調(diào)節(jié)，因此，激光可用于精細加工；3）激光屬非接觸式加工，無明顯機械切削力，因而具有無工具損耗、加工速度快、熱影響區(qū)小、熱變形和加工變形小，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點；4）能透過透視窗孔對隔離室或真空室內(nèi)的零件進行加工。

電子束加工（簡稱EBM）和離子束加工（簡稱IBM）是近年來得到高速發(fā)展的新興特種加工。這兩種加工主要用于精細加工領(lǐng)域，尤其是微電子領(lǐng)域。5.電子束和離子束加工

(1)電子束加工的原理

如圖2-49所示為電子束加工原理圖。(2)電子束加工的特點

1）電子束加工屬于精細加工；2）加工范圍廣，加工質(zhì)量好；3）生產(chǎn)率高；4）加工過程易于實現(xiàn)自動化。圖2-49電子束加工原理圖1—電源及控制系統(tǒng)2—抽真空系統(tǒng)3—電子槍系統(tǒng)4—聚焦系統(tǒng)5—電子束6—工件

(3)離子束加工原理和特點

離子束加工的物理基礎(chǔ)是，當離子束打擊到材料表面上，會產(chǎn)生所謂撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)，從而達到不同的加工目的。離子束加工裝置中的主要系統(tǒng)是離子源，如圖2-50是其中一種，稱為考夫曼型離子源。(4)離子束加工應(yīng)用

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