高速切削課件

高速切削課件第一節(jié)超高速加工技術(shù)一、超高速加工的概念與內(nèi)涵超高速加工是一個相對的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范圍，因而很難就超高速加工的切削速度給出一個確切的定義。概括地說，超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具與磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運(yùn)動，極大地提高材料切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代

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制造加工技術(shù)，其切削速度通常比常規(guī)高10倍左右。德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(CarlSalomon)博士于1931年提出的著名切削理論認(rèn)為：一定的工件材料對應(yīng)有一個臨界切削速度，在該切削速度下其切削溫度最高。圖3-19所示為“薩洛蒙曲線”。在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)(圖3-19中A區(qū))，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。第3頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖3-19薩洛蒙曲線

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在切削速度達(dá)到臨界切削速度后，隨著切削速度的增大切削溫度反而下降。Salomon的切削理論給人們一個重要的啟示：如果切削速度能超越切削“死谷”(圖3-19中B區(qū))在超高速區(qū)內(nèi)(圖3-19中C區(qū))進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削，從而可大大減少切削工時，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。第5頁,共124頁，2024年2月25日，星期天表6-3不同加工工藝、加工材料超高速加工切削速度范圍

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應(yīng)當(dāng)指出的是，超高速加工的切削速度不僅是一個技術(shù)指標(biāo)，而且是一個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。也就是說，它不僅僅是一個技術(shù)上可實現(xiàn)的切削速度，而且必須是一個可由此獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度。沒有經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度是沒有工程意義的。目前定位的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)是：在保證加工精度和加工質(zhì)量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少90％，同時將加工費(fèi)用減少50％，第7頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

以此來衡量高切削速度的合理性。二、超高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢自20世紀(jì)30年代德國薩洛蒙博士首次提出高速切削概念以來，經(jīng)過50年代的機(jī)理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到20世紀(jì)90年代后期，商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn)；21世紀(jì)初，高速加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，正成為切削加工的主流技術(shù)。第8頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

工業(yè)發(fā)達(dá)國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項技術(shù)中，處于領(lǐng)先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等。在超高速加工技術(shù)中，超硬材料工具是實現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件。超高速切削磨削技術(shù)是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法，而高速數(shù)控機(jī)床和加工中心則是實現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵設(shè)備。第9頁,共124頁，2024年2月25日，星期天目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦隨著刀具材料的創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過去主要采用剛玉系、碳化硅系材料，美國GE公司于20世紀(jì)50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。第10頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

20世紀(jì)90年代陶瓷或樹脂結(jié)合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達(dá)125m/s，有的可達(dá)150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達(dá)250m/s。因此有人認(rèn)為，隨著新刀具(磨具)材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會太遙遠(yuǎn)了。在超高速切削技術(shù)方面，近年來，高速、超高速加工的實際應(yīng)用和實驗研究取得了顯著成果。第11頁,共124頁，2024年2月25日，星期天世界許多著名公司的加工中心，如美國的Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司，其標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速配置可達(dá)8000～10000r/min，可選的20000r/min以下的主軸單元已處于商品化階段。采用滾珠絲杠的進(jìn)給系統(tǒng)，快速進(jìn)給速度可以達(dá)到40～60m/min，加速度達(dá)到1g，工作進(jìn)給可達(dá)到30m/min以上，定位精度達(dá)到20～25μm。第12頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

采用直線電機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，快速進(jìn)給可以達(dá)到160m/min，進(jìn)給加速度達(dá)到2.5g以上，定位精度高達(dá)0.05～0.5μm甚至更高。這些加工中心的刀具到刀具的換刀時間小于1s，切削到切削的換刀時間小于2.4s，托盤交換時間小于10s。日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)36000～40000r/min，工作臺快速移動速度為36～40m/min。第13頁,共124頁，2024年2月25日，星期天高速磨削在20世紀(jì)60年代初，砂輪磨削速度曾一度達(dá)到90m/s，但更多的還是在45～60m/s之間。德國居林公司1983年制造出了當(dāng)時世界上第一臺最具威力的高效深切快進(jìn)給磨床，即HEDG磨床，其主軸功率為60kW，砂輪直徑為400mm，砂輪轉(zhuǎn)速為10000r/min，vs達(dá)到100～180m/s。第14頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

Bremen大學(xué)在高效深磨的研究方面取得了世界公認(rèn)的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、鉻鎳合金等難加工材料方面進(jìn)行高效深磨的研究。

近年來，我國在高速、超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域(如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動軸承等方面)也進(jìn)行了較多的研究并有相應(yīng)的研究成果。第15頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

50m/s高速磨削研究起始于1958年，近20年來其發(fā)展十分緩慢。實驗室超高速磨削速度曾達(dá)到250m/s，但離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。目前工業(yè)應(yīng)用的磨削速度未能超過100m/s。顯然，國內(nèi)在超高速磨削技術(shù)方面與國外差距很大。

三、超高速加工技術(shù)的優(yōu)勢1.超高速切削加工的優(yōu)越性(1)加工效率高。第16頁,共124頁，2024年2月25日，星期天(2)切削力小。(3)熱變形小。(4)加工精度高。(5)工藝系統(tǒng)振動減小。(6)減少后續(xù)加工工序。(7)良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。第17頁,共124頁，2024年2月25日，星期天2.超高速磨削加工的優(yōu)越性(1)可以大幅度提高磨削效率。(2)磨削力小，零件加工精度高。(3)可以獲得低粗糙度表面。(4)可大幅度延長砂輪壽命，有助于實現(xiàn)磨削加工自動化。(5)可以改善加工表面的完整性。第18頁,共124頁，2024年2月25日，星期天四、超高速切削的相關(guān)技術(shù)圖6-20超高速切削的相關(guān)技術(shù)

第19頁,共124頁，2024年2月25日，星期天1.超高速切削的刀具技術(shù)1)超高速切削的刀具材料(1)涂層刀具材料。涂層刀具通過在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等；涂層既可以是單涂層、雙涂層或多涂層，也可以是由幾種涂層材料復(fù)合而成的復(fù)合涂層。第20頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能優(yōu)異，其最高工作溫度可達(dá)800℃。軟涂層刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作為涂層材料的高速鋼刀具)主要用于加工高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金或貴重金屬材料。第21頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

(2)金屬陶瓷刀具材料。金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性。金屬陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬質(zhì)合金(TiC＋Ni或Mo)、高韌性TiC基硬質(zhì)合金(TiC＋TaC＋WC)、強(qiáng)韌TiN基硬質(zhì)合金(以TiN為主體)、高強(qiáng)韌性TiCN基硬質(zhì)合金(TiCN＋NbC)等。金屬陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范圍內(nèi)高速精車鋼和鑄鐵。第22頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

(3)陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外還有多相陶瓷材料。目前國外開發(fā)的氧化鋁基陶瓷刀具約有20余個品種，約占陶瓷刀具總量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具約有10余個品種，約占陶瓷刀具總量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min的切削第23頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

速度范圍內(nèi)高速切削軟鋼(如A3鋼)、淬硬鋼、鑄鐵等。

(4)PCD刀具材料。PCD是在高溫高壓條件下通過金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚合而成的多晶材料。雖然它的硬度低于單晶金剛石，但有較高的抗彎強(qiáng)度和韌性。PCD材料還具有高導(dǎo)熱性和低摩擦系數(shù)。另外，其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一，因此得以廣泛應(yīng)用。第24頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

PCD刀具主要用于加工耐磨有色金屬和非金屬，與硬質(zhì)合金刀具相比能在切削過程中保持鋒利刃口和切削效率，使用壽命一般高于硬質(zhì)合金刀具10～500倍。(5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，它的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性(140℃)好，化學(xué)惰性大，在1200～1300℃下也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。第25頁,共124頁，2024年2月25日，星期天CBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可承受高切削速度，適用于超高速加工鋼鐵類工件，是超高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料。

PCBN的制造方法與PCD相同。PCBN主要用于加工黑色金屬等難加工材料，特別適于切削HRC45～65的淬硬鋼、耐熱合金、高速鋼(HSS)、灰鑄鐵等。第26頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

PCBN、PCD是超高速切削中工作壽命最長的刀具，但PCBN、PCD對振動比較敏感，在應(yīng)用中機(jī)床結(jié)構(gòu)和工件夾持狀況對刀具壽命有很大影響。2)超高速切削刀具的結(jié)構(gòu)超高速切削刀具的結(jié)構(gòu)主要從加工精度、安全性、高效方面考慮，如超高速刀具的幾何結(jié)構(gòu)和刀具的裝夾結(jié)構(gòu)。第27頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

為了使刀具具有足夠的使用壽命和低的切削力，刀具的幾何角度必須選擇最佳數(shù)值。如超高速切削鋁合金時，刀具最佳前角數(shù)值為12°～15°，后角數(shù)值為13°～15°；超高速切削鋼材時，對應(yīng)的是0°～5°和12°～16°，鑄鐵對應(yīng)的是0°和12°，銅合金是8°和16°；超高速切削纖維強(qiáng)化復(fù)合材料時，最佳前角數(shù)值為20°，后角為15°～20°。第28頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

用于超高速切削(n＞6000r/min)的可轉(zhuǎn)位面銑刀由于刀體和可轉(zhuǎn)位刀片均受很大的離心力作用，通常不允許采用摩擦力夾緊方式，而必須采用帶中心孔的刀片，用螺釘夾緊，并控制螺釘在靜止?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時所受預(yù)應(yīng)力的大小。刀片、刀座夾緊力方向最好與離心力方向一致。第29頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

刀體的設(shè)計應(yīng)減輕質(zhì)量，減小直徑，增加高度，選用比重輕、強(qiáng)度高的材料。銑刀結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免采用貫通式刀槽，減少尖角，防止應(yīng)力集中；還應(yīng)減少機(jī)夾零件的數(shù)量；刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱于回轉(zhuǎn)軸，使其重心通過銑刀軸線。超高速回轉(zhuǎn)刀具還應(yīng)提出動平衡要求。第30頁,共124頁，2024年2月25日，星期天高速切削不僅要求刀具本身具有良好的剛性、韌性、動平衡性和可操作性，同時對刀具與機(jī)床主軸間的連接剛性、精度和可靠性都提出了嚴(yán)格的要求。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過15000r/min時，由于離心力的作用將使主軸錐孔擴(kuò)張，刀柄與主軸的連接剛度會明顯降低，徑向跳動精度會急劇下降，甚至出現(xiàn)顫振。第31頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

為了滿足高速旋轉(zhuǎn)時不降低刀柄的接觸精度，一種新型的雙定位刀柄已在高速切削機(jī)床上得到應(yīng)用。這種刀柄的錐部和端面同時與主軸保持面接觸，定位精度明顯提高，軸向定位重復(fù)精度可達(dá)0.001mm。這種刀柄結(jié)構(gòu)在高速轉(zhuǎn)動的離心力作用下會更牢固地鎖緊，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高的靜態(tài)和動態(tài)剛性。圖3-21所示的德國HSK刀柄就采用這種結(jié)構(gòu)。第32頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖3-21HSK刀柄結(jié)構(gòu)(a)刀柄結(jié)構(gòu)原理；(b)刀柄結(jié)構(gòu)型式

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HSK刀柄結(jié)構(gòu)采用1∶10錐度，刀柄為中空短柄，如圖3-21所示。其工作原理是靠鎖緊力及主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償端面間隙。由于中空刀柄自身有較大的彈性變形，因此對刀柄的制造精度要求可低一些。但中空刀柄結(jié)構(gòu)也使其剛度和強(qiáng)度受到一定影響。HSK整體式刀柄采用平衡式設(shè)計，刀柄結(jié)構(gòu)有A型、B型、C型、D型、E型、F型等六種型式，如圖3-21(b)所示。第34頁,共124頁，2024年2月25日，星期天2.超高速切削機(jī)床1)超高速切削的主軸系統(tǒng)超高速主軸單元是超高速加工機(jī)床最關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件。高速主軸單元的設(shè)計是實現(xiàn)高速加工最關(guān)鍵的技術(shù)之一。超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機(jī)架四個主要部分。高速主軸單元在結(jié)構(gòu)上分為兩類，即分離式高速主軸與內(nèi)裝式電主軸。第35頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

分離式高速主軸采用皮帶傳動，其核心技術(shù)是主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，主軸軸承的合理選擇、裝配及調(diào)整，主軸單元冷卻系統(tǒng)的設(shè)計及主軸單元的試制等。內(nèi)裝式電主軸采用電機(jī)直接驅(qū)動方式，主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)。第36頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，機(jī)床主軸單元的殼體就是電機(jī)座，從而實現(xiàn)了變頻電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。由于它取消了從主電機(jī)到機(jī)床主軸之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，因而把主傳動鏈的長度縮短為零。我們稱這種新型的驅(qū)動與傳動方式為“零傳動”。超高速電主軸如圖3-22所示。第37頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖6-22超高速電主軸

第39頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共124頁，2024年2月25日，星期天集成式電機(jī)主軸振動小，由于直接傳動，因而減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪的傳動誤差。同時，集成式主軸也簡化了機(jī)床設(shè)計中一些關(guān)鍵性的工作，如簡化了機(jī)床外型設(shè)計，容易實現(xiàn)高速加工中快速換刀時的主軸定位等。這種電主軸和以前用于內(nèi)圓磨床的內(nèi)裝式電機(jī)主軸有很大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在：第41頁,共124頁，2024年2月25日，星期天(1)有很大的驅(qū)動功率和扭矩；(2)有較寬的調(diào)速范圍；(3)有一系列監(jiān)控主軸振動、軸承和電機(jī)溫升等運(yùn)行參數(shù)的傳感器、測試控制和報警系統(tǒng)，以確保主軸超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。國外超高速主軸單元的發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速已普遍達(dá)到10000r/min，甚至更高。第42頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

美國福特汽車公司推出的HVM800臥式加工中心主軸單元采用液體動靜壓，軸承最高轉(zhuǎn)速為15000r/min。瑞士米克朗公司作為銑削行業(yè)的先鋒企業(yè)，一直致力于超高速加工機(jī)床的研制開發(fā)，先后推出了主軸轉(zhuǎn)速42000r/min和60000r/min的超高速銑削加工中心。我國北京第一機(jī)床廠的VRA400立式加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速也達(dá)到了20000r/min，快速移動速度X、Y軸為48m/min，第43頁,共124頁，2024年2月25日，星期天Z軸為24m/min。

2)超高速軸承技術(shù)軸承是超高速主軸系統(tǒng)的核心零部件。超高速主軸采用的軸承有滾動軸承、氣浮軸承、液體靜壓軸承和磁懸浮軸承幾種形式。因滾動軸承有很多優(yōu)點(diǎn)，故多數(shù)超高速銑床主軸上采用的是滾動軸承，軸承滾珠由氮化硅陶瓷制成。第44頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、超高溫時尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、彈性模量比鋼高、非磁性等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造難度大，成本高，對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感。氣浮軸承主軸的優(yōu)點(diǎn)在于具有高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速和低溫升，其缺點(diǎn)是承載能力較低，因而主要適用于工件形狀精度較高、所需承載能力不大的場合。第45頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

液體靜壓軸承主軸的最大特點(diǎn)是運(yùn)動精度高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2μm以下；動態(tài)剛度大，特別適合于像銑削這樣的斷續(xù)切削過程。但液體靜壓軸承的最大不足是高壓液壓油會引起油溫升高，造成熱變形，影響主軸精度。

磁懸浮軸承采用電磁力將主軸無機(jī)械接觸地懸浮起來，其間隙一般在0.1mm左右。第46頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

由于空氣間隙的摩擦熱量小，因此磁懸浮軸承可達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4.0×106mm·r/min以上，為滾動軸承主軸的兩倍。高精度、高轉(zhuǎn)速和高剛度是磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)；但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一整套傳感器系統(tǒng)和控制電路，因而其造價也是滾動軸承主軸的兩倍。第47頁,共124頁，2024年2月25日，星期天3)超高速切削機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)超高速切削進(jìn)給系統(tǒng)是評價超高速機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持超高速切削中刀具正常工作的必要條件。超高速切削在提高主軸速度的同時必須提高進(jìn)給速度，并且要求進(jìn)給運(yùn)動能在瞬時達(dá)到高速和瞬時準(zhǔn)停等。第48頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

傳統(tǒng)機(jī)床采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動滾珠絲杠的進(jìn)給方案，由于其工作臺的慣性以及受螺母絲桿本身結(jié)構(gòu)的限制，因而進(jìn)給速度和加速度一般比較小。目前進(jìn)給系統(tǒng)采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的加工中心最高的快速進(jìn)給速度是60m/min，工作進(jìn)給速度是40m/min。

直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如圖3-23所示。第49頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

直線電機(jī)直接驅(qū)動時，把電機(jī)平鋪下來，電機(jī)的動子部分直接與機(jī)床工作臺相連，從而消除了一切中間傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了直接驅(qū)動。直線驅(qū)動最高加速度可提高到1g以上，加速度的提高可大大提高盲孔加工、任意曲線曲面加工的生產(chǎn)率。第50頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖3-23直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(a)原理圖；(b)外形圖

第52頁,共124頁，2024年2月25日，星期天直線電機(jī)直接驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)控制特性好，增益大，滯動小，在高速運(yùn)動中保持較高的位移精度；

(2)高運(yùn)動速度，因為是直接驅(qū)動，最大進(jìn)給速度可高達(dá)100～180m/min；

(3)高加速度，由于結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，可實現(xiàn)的最大加速度高達(dá)2～10g；

(4)無限運(yùn)動長度；第53頁,共124頁，2024年2月25日，星期天(5)定位精度和跟蹤精度高，以光柵尺為定位測量元件，采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，工作臺的定位精度高達(dá)0.1～0.01μm；(6)起動推力大(可達(dá)12000N)；(7)由于無傳動環(huán)節(jié)，因而無摩擦、無往返程空隙，且運(yùn)動平穩(wěn)；(8)有較大的靜、動態(tài)剛度。第54頁,共124頁，2024年2月25日，星期天直線電機(jī)直接驅(qū)動的缺點(diǎn)是：(1)由于電磁鐵熱效應(yīng)對機(jī)床結(jié)構(gòu)有較大的熱影響，故需附設(shè)冷卻系統(tǒng)；(2)存在電磁場干擾，需設(shè)置擋切屑防護(hù)；(3)有較大功率損失；(4)缺少力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，需增加工作臺制動鎖緊機(jī)構(gòu)；(5)由于磁吸力作用，造成裝配困難；(6)系統(tǒng)價格較高。第55頁,共124頁，2024年2月25日，星期天4)超高速切削機(jī)床結(jié)構(gòu)的變化隨著高速加工的不斷發(fā)展，機(jī)床設(shè)計思想有了重大突破，新型的并聯(lián)虛擬軸機(jī)床誕生。高速切削的基本要求是刀具與工件間相對運(yùn)動的速度要快，即高切削速度、高進(jìn)給速度、高加速度。高速度必然導(dǎo)致運(yùn)動部件輕型化。由于主軸和刀具與工件相比，一般重量小而且基本確定，因而機(jī)床設(shè)計在構(gòu)思上趨于讓工件處于靜止而讓主軸和刀具運(yùn)動。第56頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

新型并聯(lián)虛擬軸機(jī)床六桿并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)原理如圖6-24所示。美國Ingersoll公司研制的六桿并聯(lián)機(jī)床如圖3-25所示。第57頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖3-24六桿并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)原理第58頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第59頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共124頁，2024年2月25日，星期天這種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，采用框架結(jié)構(gòu)和伸縮桿的球頭萬向節(jié)聯(lián)結(jié)，各桿只受拉力或壓力；(2)運(yùn)動和定位精度高，機(jī)床無導(dǎo)軌，主軸頭的運(yùn)動、定位精度不受其他部件影響；(3)運(yùn)動質(zhì)量小，可以高速度運(yùn)動；(4)對構(gòu)架的制造、裝配無特別精度要求。第62頁,共124頁，2024年2月25日，星期天它的主要缺點(diǎn)是：(1)測量控制的計算量大，即便是簡單的直線運(yùn)動或繞某一軸線轉(zhuǎn)動也須六軸聯(lián)動；(2)與同樣結(jié)構(gòu)尺寸的機(jī)床相比其工作空間較??；(3)目前價格很高。第63頁,共124頁，2024年2月25日，星期天五、超高速磨削的相關(guān)技術(shù)1.超高速磨削砂輪1)超高速磨削砂輪的材料超高速磨削用砂輪應(yīng)具有強(qiáng)度高、抗沖擊強(qiáng)度高、耐熱性好、微破碎性好、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)。超高速磨削砂輪可以使用Al2O3、SiC、CBN和金剛石磨料。從超高速磨削的發(fā)展趨勢看，CBN和金剛石砂輪在超高速磨削中所占的比重越來越大。第64頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

超高速磨削砂輪的結(jié)合劑可以是樹脂、陶瓷和金屬結(jié)合劑。20世紀(jì)90年代，采用陶瓷或樹脂結(jié)合劑、Al2O3、SiC或CBN磨料的砂輪其線速度可達(dá)125m/s，極硬的CBN或金剛石砂輪的使用速度可達(dá)150m/s，而單層電鍍CBN砂輪的線速度可達(dá)250m/s左右，甚至更高。

2)超高速砂輪的修整超高速單層電鍍砂輪一般不需修整。特殊情況下利用粗磨粒、低濃度電鍍杯形金剛石第65頁,共124頁，2024年2月25日，星期天修整器對個別高點(diǎn)進(jìn)行微米級修整。試驗表明，當(dāng)修整輪進(jìn)給量在3～5μm時不僅保證了工件質(zhì)量，而且可以延長砂輪壽命。超高速金屬結(jié)合劑砂輪一般采用電解修銳。超高速陶瓷結(jié)合劑砂輪的修整精度對加工質(zhì)量有重要影響。日本豐田工機(jī)在GZ50超高速外圓磨床的主軸后部裝有全自動修整裝置，金剛石滾輪以25000r/min的速度回轉(zhuǎn)，第66頁,共124頁，2024年2月25日，星期天采用聲發(fā)射傳感器對CBN砂輪表面接觸進(jìn)行檢測，以0.lμm的進(jìn)給精度對超高速砂輪進(jìn)行修整。

2.超高速主軸和超高速軸承

1)超高速電主軸技術(shù)超高速磨削主要采用大功率超高速電主軸。高速電主軸慣性扭矩小，振動噪聲小，高速性能好，可縮短加減速時間，但它有很多技術(shù)難點(diǎn)。第67頁,共124頁，2024年2月25日，星期天從精度方面看，如何減小電動機(jī)發(fā)熱以及如何散熱等將成為今后研究開發(fā)的課題，其制造難度所帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也是相當(dāng)大的。目前，德國Fa.Hoffmann公司正在進(jìn)行高速磨削試驗，為實現(xiàn)500m/s的線速度，采用最大功率為25kW的高速主軸，使其能在30000r/min和40000r/min轉(zhuǎn)速下正常工作。日本一家軸承廠采用內(nèi)裝AC伺服電機(jī)研制了一種第68頁,共124頁，2024年2月25日，星期天超高速磨頭，在250000r/min高速下也能穩(wěn)定工作。2)超高速軸承技術(shù)高速主軸采用的軸承有滾動軸承、氣浮軸承、液體靜壓軸承和磁懸浮軸承幾種形式。目前國外多數(shù)高速磨床采用的是滾動軸承。德國FAG軸承公司開發(fā)了HS70和HS719系列的新型高速主軸軸承，它將球直徑縮小至70％，增加了球數(shù)，從而提高了軸承結(jié)構(gòu)的剛性。第69頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

采用空心滾動體可減少滾動體質(zhì)量，從而減小離心力和陀螺力矩。為減少外圍所受的應(yīng)力，還可以使用拱形球軸承。日本東北大學(xué)莊司研究室開發(fā)的CNC超高速平面磨床使用陶瓷球軸承，主軸轉(zhuǎn)速為30000r/min。日本東芝機(jī)械公司在ASV40加工中心上采用了改進(jìn)的氣浮軸承，在大功率下實現(xiàn)30000r/min主軸轉(zhuǎn)速。第70頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

德國Kapp公司采用的磁懸浮軸承砂輪主軸，轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r/min。德國GMN公司的磁懸浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)速最高達(dá)100000r/min以上。此外，液體動靜壓混合軸承也已逐漸應(yīng)用于高效磨床。3.超高速磨削的砂輪平衡技術(shù)與防護(hù)裝置超高速砂輪的基盤通常經(jīng)過精密或超精密加工，僅就砂輪而言不需要平衡。但是砂輪在主軸上的安裝、螺釘分布、法蘭裝配甚至第71頁,共124頁，2024年2月25日，星期天磨削液的干涉等都會改變磨削系統(tǒng)原有平衡。對于超高速砂輪系統(tǒng)不能僅僅進(jìn)行靜平衡，還必須根據(jù)系統(tǒng)及不平衡質(zhì)量劃分平衡階段，進(jìn)行分級動平衡以保證在工作轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定磨削。超高速磨削中，砂輪的平衡主要采用自動在線平衡技術(shù)，即砂輪在工作轉(zhuǎn)速下自動識別不平衡量的大小和相位，并自動完成平衡工作。第72頁,共124頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)自動平衡裝置的平衡原理和結(jié)構(gòu)形式的不同，砂輪自動平衡技術(shù)可分為機(jī)電式、液體注入式和液汽式三種。1)機(jī)電式自動平衡技術(shù)

20世紀(jì)80年代末，美國SchmitIndustries公司生產(chǎn)出了一種被譽(yù)為“世界上最先進(jìn)的磨床在線砂輪平衡系統(tǒng)”—SBS電腦化磨床砂輪平衡系統(tǒng)。第73頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

該系統(tǒng)由微機(jī)控制微電機(jī)來移動平衡裝置內(nèi)部的微小重塊從而修正砂輪的不平衡量，如圖3-26所示。日本研制出一種光控平衡儀，這種平衡技術(shù)也是通過微機(jī)控制平衡裝置內(nèi)部的傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動元件來移動平衡塊的，驅(qū)動元件的動作通過受光元件接受砂輪罩上發(fā)光元件發(fā)出的信號控制。第74頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共124頁，2024年2月25日，星期天2)液體注入平衡技術(shù)德國Hoffmann公司和HermingHausen工廠設(shè)計了砂輪液體自動平衡裝置，在砂輪的法蘭盤上加工或安裝容量一定的4個儲水腔，均勻分布于不同象限，每一個進(jìn)水槽與一個由電磁閥控制的噴水嘴相對應(yīng)，因此通過不同的噴水嘴就可向不同的儲水腔注入一定量的液體，從而改變砂輪不同象限的質(zhì)量，實現(xiàn)砂輪的動平衡。第76頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

日本KURENOTRON公司把液體注入式砂輪平衡裝置與微機(jī)控制高精度砂輪裝置有機(jī)結(jié)合，生產(chǎn)出稱為BalanceDoctor的全自動砂輪平衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能按機(jī)床自動或全自動指令完成砂輪動平衡。3)液汽式平衡技術(shù)美國BalanceDynamicsCornoration研制成功一種采用氟里昂作為平衡介質(zhì)的Baladyne型液汽砂輪平衡裝置，第77頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

這種平衡裝置在砂輪法蘭盤上有四個密封腔，每個腔內(nèi)分別裝有氟里昂液，相對的密封腔通過輸送管相連，管道只允許汽化的氟里昂通過。工作時，對不平衡量所在相位的密封腔用電氣加熱，使腔內(nèi)液體氟里昂汽化流入對面的不平衡腔內(nèi)，補(bǔ)償不平衡量，使砂輪獲得平衡。這個平衡裝置的控制器采用整套的CMOS集成電路，并附加一個轉(zhuǎn)速表，監(jiān)控主軸轉(zhuǎn)速。第78頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微細(xì)加工技術(shù)20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了一門新興學(xué)科—微機(jī)械。微機(jī)械是指可以批量制作的，集微型機(jī)械、微傳感器、微能源、微制動器、微控制器、微執(zhí)行器、信號處理、智能控制等于一體的微型裝置或系統(tǒng)，美國稱其為MEMS（MicroEechanicalSystem),日本稱其為(Micromachine,MM)，歐洲叫做微系統(tǒng)（Microsystem,MS)。微機(jī)械外型特征尺寸第79頁,共124頁，2024年2月25日，星期天范圍為1nm~10nm，具有高精度、微型化、集成化、高效低耗等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)、交通、信息、家庭等，其應(yīng)用前景不可估量。微細(xì)加工（Fabrication)起源于半導(dǎo)體制造工藝,原來指加工尺寸在微米級范圍內(nèi)的加工方式，曾廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路的加工制作并由此涉及更廣泛的領(lǐng)域。在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)成第80頁,共124頁，2024年2月25日，星期天為其前沿關(guān)鍵技術(shù)之一，它是微米級、亞微米級微細(xì)加工的通稱。微細(xì)加工具備精密和超精密加工的特征。廣義上的微細(xì)加工，其方式十分豐富，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、高能束加工方式。從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分為四類：分離加工、接合加工、變形加工、材料處理或改性。目前，微機(jī)械微細(xì)加工得到的埃菲爾鐵塔的第81頁,共124頁，2024年2月25日，星期天微模型，旁邊擺放了一枚曲別針以示對照。圖3-46三維微細(xì)加工得到的鐵塔微模型第82頁,共124頁，2024年2月25日，星期天一、光刻技術(shù)光刻加工又稱光刻蝕加工或刻蝕加工，簡稱刻蝕，是微細(xì)加工中廣泛使用的一種加工方法，主要用于制作半導(dǎo)體集成電路，用它制造的微機(jī)械零件有：刻線尺、微電機(jī)轉(zhuǎn)子、攝像管的簾柵網(wǎng)等。光刻加工過程如圖3-47所示。光刻加工可分為兩個階段：第83頁,共124頁，2024年2月25日，星期天(a)涂膠(b)曝光(c)顯影、烘片(d)蝕刻(e)剝膜

第84頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜，為光刻時的模板；第二階段為光刻。光刻加工的主要過程介紹如下。(1)涂膠：把光致抗蝕劑涂敷在已鍍有氧化膜的半導(dǎo)體基片上。(2)曝光：通常有兩種方法，一種是由光源發(fā)出的光束經(jīng)掩膜在光致抗蝕劑上成像，稱為投影曝光；第85頁,共124頁，2024年2月25日，星期天另一種是將光束聚焦形成細(xì)小束斑，通過掃描在光致抗蝕劑涂層上繪制圖形，稱為掃描曝光。常用的光源有電子束、離子束等。

(3)顯影與烘片：將曝光后的光致抗蝕劑浸在一定的溶劑中，將曝光圖形顯示出來，稱為顯影；顯影后進(jìn)行200～250℃的高溫處理，以提高光致抗蝕劑的強(qiáng)度，稱為烘片。第86頁,共124頁，2024年2月25日，星期天(4)刻蝕：利用化學(xué)或物理方法，將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜除去。常用的刻蝕方法有化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。(5)剝膜(去膠)：用剝膜液去除光致抗蝕劑。剝膜后需進(jìn)行水洗和干燥處理。二、高能束刻蝕技術(shù)

1.電子束刻蝕利用電子束的化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行刻蝕。用功率密度相當(dāng)?shù)偷碾娮邮丈涔ぜ砻?，?7頁,共124頁，2024年2月25日，星期天幾乎不會引起表面溫升，入射的電子與高分子材料的分子相碰撞時，會使其分子鏈斷開或重新聚合，從而引起高分子材料的化學(xué)性質(zhì)和分子量發(fā)生改變。利用這種效應(yīng)，可以進(jìn)行電子束曝光。曝光主要分兩種：一種為電子束掃描型電子束曝光，即將聚焦在1μm以內(nèi)的電子束在大約0.5～5mm的范圍內(nèi)掃描，可以曝光出任意圖形；第88頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

另一種為縮小投影型電子束曝光，即使電子束先通過掩膜板，再以1/5～1/10的比例縮小后投影到電子抗蝕劑上，進(jìn)行大規(guī)模集成電路圖形曝光。電子束刻蝕是目前最好的高分辨率圖形制作技術(shù)，在實驗室條件下，最高能達(dá)到2nm的特征尺寸，在生產(chǎn)中，一般也可達(dá)到0.5～1μm的特征尺寸。第89頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

電子束加工要在真空條件下進(jìn)行。在真空環(huán)境中，電子能高速運(yùn)動，陰極不氧化，并可避免加工表面被蒸氣氧化。因為需要在真空中進(jìn)行，所以電子束刻蝕有一定的局限性。2.離子束刻蝕離子束刻蝕是利用惰性氣體元素或其他元素的離子在電場中加速成高速離子束流，以其動能進(jìn)行各種微細(xì)加工的方法，第90頁,共124頁，2024年2月25日，星期天是一種在亞微米甚至毫微米級精度的加工中大有發(fā)展前途、工藝能力廣泛的加工方法。其加工方法分為以下4種。

(1)去除加工。首先把氬、氪或氙等惰性氣體充入低真空度的電離室中，用高頻放電或直流放電使之等離子化(即正離子數(shù)與負(fù)離子數(shù)相等的混合體)，在加速電極的作用下，離子從等離子體中呈束狀被拉出來，第91頁,共124頁，2024年2月25日，星期天從工件表面打出原子或分子來，這樣可以直接完成工件加工面或圖形的刻蝕。離子銑、離子拋光、離子減薄及離子濺射都采用這種原理。(2)鍍膜加工。把低能量的入射離子附著在工件表面上的微細(xì)加工稱為離子附著加工。較典型的離子附著加工是離子鍍膜加工。離子鍍膜時，利用離子束沖擊出來的原子或分子以極大的能量粘附在工件表面，第92頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

因此鍍覆強(qiáng)度高，鍍層質(zhì)量好。利用離子鍍膜技術(shù)可以制成耐磨、耐蝕、耐熱的表面強(qiáng)化膜以及電子、半導(dǎo)體和集成電路用薄膜。(3)注入加工。離子注入是將離子加速到數(shù)十至數(shù)百千電子伏特(keV)能量后，轟擊工件表面，到達(dá)工件表面層的高速離子進(jìn)入原子間隙或以置換原子的形式嵌入工件表層并保留在表層的過程。第93頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

在集成電路制作中，離子注入能控制摻雜量而使集成電路獲得均勻的電參數(shù)；在零件制造中，采用離子注入工藝可實現(xiàn)金屬表層改性。(4)離子束寫圖。電子束曝光時，影響分辨率的主要因素是感光膠的靈敏度、二次電子的產(chǎn)生和襯底的反射電子。離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，在固體中散射小，在基片上產(chǎn)生的背散射作用弱，引起的鄰近效應(yīng)小，第94頁,共124頁，2024年2月25日，星期天因此能制作線寬小于0.1μm的精密微細(xì)圖形。由于離子質(zhì)量大，顆粒大，進(jìn)入抗蝕劑后受到的阻力也大，故射程要短，因此離子能量被抗蝕劑充分吸收，使抗蝕劑的靈敏度增大。3.等離子刻蝕離子束刻蝕是一種以物理作用為主的刻蝕工藝。等離子刻蝕則是一種以化學(xué)反應(yīng)為主的刻蝕工藝。等離子刻蝕中應(yīng)用的是低溫等離子體，在這種等離子體中，游離基的第95頁,共124頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)性質(zhì)十分活潑，利用它與被刻蝕材料的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到刻蝕薄膜材料的目的。4.激光刻蝕激光刻蝕主要采用固體激光器，CO2激光器波長較長，一般不適于微細(xì)加工。從理論上講，激光光點(diǎn)的直徑可以聚焦到1μm，但現(xiàn)在使用的激光工作物質(zhì)，由于材料質(zhì)量不均勻及內(nèi)部溫度分布不均勻等因素的影響，因而所形成的激光易產(chǎn)生多重振蕩或偏心振蕩，第96頁,共124頁，2024年2月25日，星期天使激光發(fā)散角增大，很難聚焦到1μm左右。不過，由于在焦面上的強(qiáng)度分布有一個窄的能量集中帶，這樣就存在一個能夠用來進(jìn)行加工的能量密度的閾值，故能加工出比束斑直徑小的孔。激光打孔的孔徑可以小到10μm左右，深徑比達(dá)5∶以上。影響激光刻蝕精度的主要因素有輸出功率和脈寬、焦距和發(fā)散角、焦點(diǎn)的位置、光斑內(nèi)能量的分布、激光多次照射及工件的材料等。第97頁,共124頁，2024年2月25日，星期天圖3-48激光加工微型工件實例(a)激光在鈦合金管上切的槽；(b)激光在頭發(fā)上刻的字

第98頁,共124頁，2024年2月25日，星期天三、LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)的工藝過程如圖3-49所示。

(1)深層同步輻射X射線光刻：把從同步加速器放射出的具有短波長和很高平行性的X射線作為曝光光源，可在最大厚度達(dá)500μm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體。

(2)電鑄成型：根據(jù)電鍍原理，在胎模上沉積一定厚度的金屬以形成零件。胎模為陰極，要電鑄的金屬為陽極。第99頁,共124頁，2024年2月25日，星期天第100頁,共124頁，2024年2月25日，星期天用曝光蝕刻的圖形實體作電鑄的模具，生成鑄型。(3)注射成型：以生成的鑄型作為注射成型的模具，即能加工出所需的微型零件。

LIGA法可以制作各種微器件和微裝置，材料可以是金屬、陶瓷和玻璃等，可以制作最大高度1000μm、槽寬0.5μm以上、高寬比大于200的立體微結(jié)構(gòu)，刻出的圖形側(cè)壁陡峭，表面光滑。第101頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

圖3-50所示是使用LIGA技術(shù)制造的光刻膠模型和微器件。圖3-50使用LIGA技術(shù)制造的微器件(a)光敏件微器件；(b)電鑄微器件

第102頁,共124頁，2024年2月25日，星期天四、犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù)(SacrificialLayerTechnology)也叫分離層技術(shù)。犧牲層技術(shù)在硅基板上用化學(xué)氣相沉積方法形成所需的微型部件，在部件周圍的空隙中添入分離層材料(如SiO2)，最后用溶解或刻蝕法去除分離層，使微型部件與基板分離，也可以制造與基板略為連接的微機(jī)械，如微靜電電機(jī)、微齒輪、曲軸和振動傳感器的微橋接片等。第103頁,共124頁，2024年2月25日，星期天五、硅微細(xì)加工技術(shù)

1.集成電路光刻集成電路的光刻工藝過程為：先對基片(多采用硅片)氧化處理形成SiO2保護(hù)膜；然后在保護(hù)膜上涂感光膠；利用掩膜在規(guī)定的光源下曝光、顯影；用腐蝕劑刻蝕保護(hù)膜的窗口部分；最后去除感光膠而獲得和掩膜上的圖形相同的微細(xì)圖形。第104頁,共124頁，2024年2月25日，星期天影響圖形最小特征尺寸(分辨率)的因素有：感光膠的曝光特性、膠層的厚度及均勻性、光源光束對感光膠層的曝光特性(衍射、散射)、顯影與腐蝕處理工藝過程、曝光方式等。其中曝光方式包括接觸式、接近式和投影式三種。接觸式曝光可得到小于1μm的精度，但不適用于大批量生產(chǎn)，因為掩膜在曝光過程中承受機(jī)械負(fù)載，接觸面很容易被顆粒劃傷；第105頁,共124頁，2024年2月25日，星期天

接近式曝光中，在掩膜和基片間有20～50μm的間隙，這減少了掩膜的磨損，但由于衍射效應(yīng)，因而精度限制在2μm