第2章 现代制造工艺技术课件.ppt

现代制造技术现代制造技术20102010年年9 9月月电电 子子 课课 件件第二章 现代制造工艺技术2.1 超高速切削技术超高速切削技术 德国人德国人Carl SalmonCarl Salmon博士于博士于19311931年年4 4月提出了月提出了超高速切超高速切削技术削技术，并作出了，并作出了Carl SalmonCarl Salmon曲线（图曲线（图2 21 1）图21 Carl Salmon曲线曲线2.1.1 2.1.1 超高速切削技术的内涵超高速切削技术的内涵实践证明，切削速度提高实践证明，切削速度提高1010倍倍、进给速度提高、进给速度提高2020倍倍，远，远远超越传统的远超越传统的切削切削“禁区禁区”（图（图2-12-1中的不可切削区）后，切中的不可切削区）后，切削机理发生了根本的变化。其显著标志是削机理发生了根本的变化。其显著标志是使被加工塑性金属使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，因而被加工材料切除所消耗的能量、始趋向最佳切除条件，因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均明显优于传统切削速度下的指标，加工效率大大高于传统切明显优于传统切削速度下的指标，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。削速度下的加工效率。结果是单位功率的金属切除率提高了结果是单位功率的金属切除率提高了30%30%40%40%，切削力，切削力降低了降低了30%30%，刀具的使用寿命提高了，刀具的使用寿命提高了70%70%，留于工件的切削热，留于工件的切削热量大幅度降低，切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性量大幅度降低，切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性的飞跃，一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解的飞跃，一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。决。 因此，因此，超高速切削技术是超高速切削技术是2121世纪切削加工领域的重大技世纪切削加工领域的重大技术课题之一，是切削加工领域新的里程碑。术课题之一，是切削加工领域新的里程碑。2.1.1 2.1.1 超高速切削技术的内涵超高速切削技术的内涵超高速切削中的超高速切削中的“超高速超高速”是一个相对概念，不能简单是一个相对概念，不能简单地用某一具体地用某一具体切削速度或主轴转速切削速度或主轴转速数值来定义。德国数值来定义。德国DarmstadtDarmstadt工业大学给出了工业大学给出了7 7种常用材料的超高速切削加工的种常用材料的超高速切削加工的速度范围如表速度范围如表2-12-1。 不同加工方法：不同加工方法：车削车削：70070070007000m/minm/min；铣削铣削：30030060006000m/minm/min；钻削钻削：20020011001100m/minm/min；磨削磨削：高于：高于150150m/sm/s。2.1.2 2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点1. 1. 加工效率高加工效率高 切削速度：切削速度：传统加工的传统加工的10倍倍； 进给速度：进给速度：传统加工的传统加工的510倍倍； 材料切除率材料切除率 ：提高提高3 36 6倍倍； 加工时间：加工时间：传统加工的传统加工的1/31/3. . 2. 2. 切削力小、刀具寿命长切削力小、刀具寿命长 切削力至少切削力至少下降下降30%； 刀具寿命刀具寿命提高约提高约70%。2.1.2 2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点 . . 激振频率远远高于工艺系统固有频率激振频率远远高于工艺系统固有频率，不会造成工艺系，不会造成工艺系统振动；因而加工过程平稳。统振动；因而加工过程平稳。2.1.2 2.1.2 超高速切削技术的特点超高速切削技术的特点 例如航空和动力部门大量采用例如航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金镍基合金和钛合金，现在，现在采用采用超高速切削超高速切削，其切削速度为常规切削速度的，其切削速度为常规切削速度的10 10 倍左右，倍左右，不仅大幅度不仅大幅度提高生产率提高生产率，而且可有效地，而且可有效地减少刀具磨损减少刀具磨损。 单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短，单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短，从而有效地从而有效地提高了能源和设备利用率提高了能源和设备利用率，降低了生产成本降低了生产成本。 2.1.3 2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用 FordFord汽车公司采用汽车公司采用HVM800HVM800型卧式加工中心型卧式加工中心组成的柔性生组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当其生产率与组合机床自动线相当，但，但建线投入减少了建线投入减少了40%40%，生产准备时间也少得多。，生产准备时间也少得多。 可以实现淬火硬度达到可以实现淬火硬度达到6060HRCHRC（某些情况下可达（某些情况下可达7070HRCHRC）的淬硬模具的的淬硬模具的切削加工切削加工，加工时间加工时间仅为电加工的仅为电加工的25%25%左右左右，加加工费用工费用可可节省节省50%50%以上。以上。2.1.3 2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用 采用高速切削后，切削速度达到了采用高速切削后，切削速度达到了10010010001000m/minm/min，不，不仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提高工件表仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提高工件表面的加工质量。因此，面的加工质量。因此，飞机制造业是最早采用高速铣削的行飞机制造业是最早采用高速铣削的行业业。 图图2 22 2所示为采用所示为采用“整体制造法整体制造法”制造的铝制螺旋片；制造的铝制螺旋片；壁厚最薄处只有壁厚最薄处只有0.050.05mmmm，壁高，壁高2020mmmm。采用超高速切削技术后。采用超高速切削技术后，在保证质量的基础上，加工效率还会大大提高。，在保证质量的基础上，加工效率还会大大提高。2.1.3 2.1.3 超高速切削技术的应用超高速切削技术的应用图图2 22 2 铝制螺旋片铝制螺旋片尺寸：8080402.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 基本要求见表基本要求见表2 23.3.VCP/UCP 600 /800主轴转速：主轴转速：12000/20000/42000 转转/分分工作行程：工作行程：X轴：轴：600/530mm Y轴轴: 450 mm Z轴轴: 450mm快移速度：快移速度：22 米米/分分工作进给：工作进给：15 米米/分分刀库容量：刀库容量：30把把VCP/UCP 710主轴转速：主轴转速：12000/20000/42000 转转/分分工作行程：工作行程：X轴：轴：710mm Y轴轴: 550 mm Z轴轴: 500mm快移速度：快移速度：30 米米/分分工作进给：工作进给：20 米米/分分刀库容量：刀库容量：30把把VCP/UCP 1000/1350主轴转速：主轴转速：12000/15000/24000 转转/分分工作行程：工作行程：X轴：轴：1000/800mm Y轴轴: 1000 mm Z轴轴: 875mm快移速度：快移速度：30 米米/分分工作进给：工作进给：20 米米/分分刀库容量：刀库容量：30/46/60/92把把几种常见（超）高速加工中心的技术数据：几种常见（超）高速加工中心的技术数据：2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 主要技术包括以下几个方面：主要技术包括以下几个方面： 1 1）超高速主轴单元）超高速主轴单元电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的“电主轴单元电主轴单元”；采用采用高速精密轴承高速精密轴承，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等；轴承等；采用采用大功率、宽调速交流变频电机大功率、宽调速交流变频电机直接驱动；直接驱动；结构结构设计上保证主轴单元具有良好的设计上保证主轴单元具有良好的动刚性动刚性、抗振性抗振性、热特性热特性和和良好的良好的动平衡性能动平衡性能；配有高效冷却与；配有高效冷却与润滑系统润滑系统；采用先进的；采用先进的控制技术控制技术。 超高速电主轴结构如下图所示：超高速电主轴结构如下图所示： 2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术超高速电主轴结构超高速电主轴结构1、2 、 5密封圈密封圈;3定子定子;4转子转子;6旋转变压器转子旋转变压器转子;7旋转变压器定子旋转变压器定子;8螺母螺母2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 2 2）快速进给系统）快速进给系统要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很高的高的定位精度定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用，或采用直线直线电机电机，省去了，省去了中间传动件中间传动件。 3 3）支承及辅助单元）支承及辅助单元 用用人造花岗岩人造花岗岩来制作来制作机床基础支承件机床基础支承件；材料的阻尼特性；材料的阻尼特性为铸铁的为铸铁的7 71010倍倍，密度却只有铸铁的，密度却只有铸铁的1/31/3。 夹具的要求是夹具的要求是高刚度高刚度、高精度动平衡高精度动平衡、轻量化轻量化、高效自高效自动化动化和和柔性化柔性化。 2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求：刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求： 可靠性可靠性；2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术 目前超高速切削机床普遍采用的是日本的目前超高速切削机床普遍采用的是日本的BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄刀柄系统系统（图（图2-32-3）和德国的）和德国的HSKHSK刀柄系统刀柄系统（图（图2-42-4）。）。图图2-3 BIG-PLUS刀柄系统刀柄系统 2.1.4 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速切削加工的关键技术图图2-4 HSK2-4 HSK刀柄系统刀柄系统2.2 高效磨削技术高效磨削技术 其砂轮线速度普遍达到了其砂轮线速度普遍达到了8080m/sm/s，有的高达，有的高达120120m/sm/s；磨削；磨削法向力通常达到了法向力通常达到了10000100001200012000N N，有的高达，有的高达3000030000N N；磨削；磨削功率一般为功率一般为100100150150kWkW，有的高达，有的高达300300kWkW；材料去除率可达；材料去除率可达150150kg/hkg/h。 主要用于主要用于钢坯的修磨钢坯的修磨，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量和疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量和成材率。成材率。 主要特点是：主要特点是：采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷层金属，的缺陷层金属，背吃刀量和进给量均不确定背吃刀量和进给量均不确定；在磨削过程在磨削过程中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，应选择合适砂轮应选择合适砂轮；多采用多采用干磨干磨方式，方式，工件表面易烧伤工件表面易烧伤。 2.2 高效磨削技术高效磨削技术 以较大的切削深度（以较大的切削深度（apap 10 10mmmm）和很小的纵向进给速度）和很小的纵向进给速度（vWvW =3 =3300300mm/minmm/min，普通磨削的，普通磨削的vWvW =200 =20025002500mm/minmm/min）来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。 主要特点是：主要特点是： 生产效率生产效率高；高； 工件的工件的形状精度形状精度稳定；稳定； 减小了砂轮的减小了砂轮的冲击损伤冲击损伤； 扩大了磨削扩大了磨削工艺范围工艺范围 ； 磨床功率大、成本高，工件易产生磨床功率大、成本高，工件易产生磨削烧伤磨削烧伤 。 2.2 高效磨削技术高效磨削技术3. 3. 高速与超高速磨削高速与超高速磨削 砂轮的线速度砂轮的线速度45455050m/sm/s，则被称为，则被称为高速磨削高速磨削HSGHSG（High High Speed GrindingSpeed Grinding）。砂轮线速度大）。砂轮线速度大1501508080m/sm/s时，则被称时，则被称为为超高速磨削超高速磨削。 其主要特点是：其主要特点是： 生产率高、砂轮寿命长生产率高、砂轮寿命长 ； 磨削精度高、表面粗糙度低磨削精度高、表面粗糙度低 ； 减轻磨削表面烧伤和裂纹减轻磨削表面烧伤和裂纹 。 超高速磨削可以大幅度提高超高速磨削可以大幅度提高磨削生产效率磨削生产效率、延长砂轮、延长砂轮使使用寿命用寿命或或减小磨削表面粗糙度减小磨削表面粗糙度，并可对硬脆材料实现，并可对硬脆材料实现延性域延性域磨削磨削，对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现，对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。 2.2 高效磨削技术高效磨削技术 HEDGHEDG在切深在切深0.10.10.30.3mmmm，工件速度，工件速度vw vw = 0.5= 0.51010m/minm/min，砂轮速度砂轮速度vs vs = 80= 80200200m/sm/s的条件下进行磨削。其工艺特征的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的的金属切除率金属切除率，又能获得高质量的，又能获得高质量的加工表面加工表面。 其实现条件是：其实现条件是： 砂轮应具有良好的砂轮应具有良好的耐磨性耐磨性，高的，高的动平衡性能动平衡性能和和抗裂性抗裂性能能； 磨床应具有高磨床应具有高动态精度动态精度、抗振性抗振性和和热稳定性；热稳定性； 磨床主轴应具有较高的磨床主轴应具有较高的回转精度回转精度和和刚度刚度。 磨削液供给方法采用磨削液供给方法采用高压喷射法高压喷射法，砂轮内冷却法、空，砂轮内冷却法、空气挡板辅助截断气流法等气挡板辅助截断气流法等 。2.2 高效磨削技术高效磨削技术 1 1）宽砂轮磨削）宽砂轮磨削 外圆磨削砂轮宽度达外圆磨削砂轮宽度达300300mmmm，平面磨削砂轮宽度达，平面磨削砂轮宽度达400400mmmm，无心磨削砂轮宽度达无心磨削砂轮宽度达80080010001000mmmm；加工精度达；加工精度达IT6IT6，表面粗糙，表面粗糙度度RaRa0.630.63mm。 其主要特点是：其主要特点是： 磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的热量热量多。多。 可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式，比纵向往复，比纵向往复磨削效率磨削效率高。高。 砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。 为保证工件的形位精度，砂轮硬度在为保证工件的形位精度，砂轮硬度在圆周和轴向均匀性圆周和轴向均匀性要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。2.2 高效磨削技术高效磨削技术 2 2）多砂轮磨削）多砂轮磨削 多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8 8片片以上，以上，砂轮组合宽度达砂轮组合宽度达90090010001000mmmm。在生产线上，采用多砂轮磨床。在生产线上，采用多砂轮磨床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用在外圆和平在外圆和平面磨床面磨床上，上，内圆磨床内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。 2.2 高效磨削技术高效磨削技术 恒压力磨削恒压力磨削是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力，砂轮与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称作磨削，也称作控制力磨削控制力磨削。恒压力磨削，避免荷了超负荷切。恒压力磨削，避免荷了超负荷切削，工艺系统弹性变形小，有利干获得正确的削，工艺系统弹性变形小，有利干获得正确的几何形状几何形状与低与低的的表面粗糙度表面粗糙度值。值。2.2 高效磨削技术高效磨削技术 如图如图2 25 5所示。所示。2020世纪世纪6060年代以来，发展迅猛；发达年代以来，发展迅猛；发达国家已占国家已占磨削工作的磨削工作的1/21/2。图图2-5 2-5 砂带砂带磨削磨削示意示意图图 2.2 高效磨削技术高效磨削技术 其主要特点是：其主要特点是： 设备设备简单；简单； 可磨削可磨削复杂型面复杂型面； 生产效率生产效率高；高； 加工精度加工精度高高 操作操作方便方便2.3 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术 根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法可分为以下几大类。工方法可分为以下几大类。 包括包括金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨金刚石微粉砂轮超精密磨削削、精密研磨精密研磨和和抛光抛光等一些传统加工方法（表等一些传统加工方法（表2-52-5）。）。 包括包括精密电火花精密电火花加工、加工、精密电解精密电解加工、精密超声加工加工、精密超声加工、电子束电子束加工、加工、离子束离子束加工、加工、激光束激光束加工等一些非传统加工加工等一些非传统加工方法；也称为方法；也称为特种精密加工特种精密加工方法。方法。包括包括传统加工方法的复合传统加工方法的复合、特种加工方法的复合以及传特种加工方法的复合以及传统加工方法和特种加工方法的复合统加工方法和特种加工方法的复合（例如机械化学抛光、精（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。密电解磨削、精密超声珩磨等）。 如表如表2 26 6所示。所示。 金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃过渡刃，对，对加工表面起加工表面起修光修光作用。可以把刀刃设计成作用。可以把刀刃设计成圆弧形圆弧形或带直线修或带直线修光刃的光刃的折线形折线形，以减少切削，以减少切削残留面积残留面积对对表面粗糙度表面粗糙度的影响。的影响。 图图2-6 2-6 通用通用金刚金刚石精石精车刀车刀的几的几何角何角度度 1 1）切削速度）切削速度不使用不使用切削液切削液，应选择，应选择合适合适的切削速度，以防的切削速度，以防积屑瘤积屑瘤的的生成。使用切削液，积屑瘤不易生成生成。使用切削液，积屑瘤不易生成 ，切削速度对表面粗糙，切削速度对表面粗糙度影响较小。度影响较小。 2 2）进给量）进给量 超精密切削时采用超精密切削时采用很小的进给量很小的进给量，但进给量的数值也，但进给量的数值也不不宜小于刀具刃口的钝圆半径宜小于刀具刃口的钝圆半径。 3 3）背吃刀量）背吃刀量 背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层残留变形残留变形大大；但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易；但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生产生切屑切屑，切削力反而，切削力反而增加增加、使表面残余应力反而增加。、使表面残余应力反而增加。 1 1）普通磨料砂轮精密磨削）普通磨料砂轮精密磨削 加工精度：加工精度：1 10.1m0.1m；表面粗糙度：；表面粗糙度：Ra0.2Ra0.20.025m0.025m。其影响因素主要有：其影响因素主要有： 砂轮选择砂轮选择：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬度等度等 砂轮修整砂轮修整：可分为：可分为初修初修、精修精修和和光修光修。普通磨料砂轮精密。普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量可参考表磨削时的砂轮修整用量可参考表2-82-8。 表表2-8 2-8 普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量 磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：a.a.机机床床几何精度和刚度几何精度和刚度高；高；b.b.由于普通砂轮精密磨削时砂轮由于普通砂轮精密磨削时砂轮的修整速度要求低至的修整速度要求低至101015mm/min15mm/min，机床工作台必须能，机床工作台必须能低速进给低速进给、平稳平稳、无爬行和冲击无爬行和冲击；c.c.从机床结构上和安从机床结构上和安装上采取一些装上采取一些减振和隔振减振和隔振措施，以提高其措施，以提高其抗振性抗振性。 磨削用量：包括磨削用量：包括砂轮速度砂轮速度、工件速度工件速度、纵向进纵向进给量给量、磨削深度磨削深度、走刀次数走刀次数和和无火花磨削次数无火花磨削次数等的选择等的选择，可参考表，可参考表2-92-9。 表表2-9 2-9 普通砂轮精密磨削时的参考磨削用量普通砂轮精密磨削时的参考磨削用量 2 2）超硬磨料砂轮精密磨削）超硬磨料砂轮精密磨削 其特点和应用范围如下：其特点和应用范围如下： （1 1）可用来加工各种）可用来加工各种高硬度高硬度、高脆性高脆性金属材料和非金属金属材料和非金属材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢以及铜、铝等非铁金属及其合金等。金、耐热合金钢以及铜、铝等非铁金属及其合金等。 （2 2）磨削能力强、）磨削能力强、耐磨性耐磨性好、使用寿命长、易于控制好、使用寿命长、易于控制尺尺寸寸及实现及实现加工自动化加工自动化。 （3 3）磨削力小，磨削温度低，无）磨削力小，磨削温度低，无烧伤烧伤、裂纹裂纹和和组织变化组织变化，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的有绿碳化硅砂轮磨削时的1/41/41/51/5。 （4 4）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和磨削比，因此材料切除率和磨削比，因此磨削效率磨削效率高。高。 （5 5）超硬磨料砂轮）超硬磨料砂轮修整难度大修整难度大。 （6 6）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮价格比较昂贵价格比较昂贵，但其，但其使用寿命长，加工效率高、工时少，使用寿命长，加工效率高、工时少，综合成本不高综合成本不高。 加工精度加工精度达到或高于达到或高于0.1m0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa低于低于0.025m0.025m。主要用于磨削钢铁及其合金，例如。主要用于磨削钢铁及其合金，例如耐热钢耐热钢、钛合钛合金金、不锈钢不锈钢等合金钢，特别是经过淬火处理的等合金钢，特别是经过淬火处理的淬硬钢淬硬钢；也可；也可用于磨削用于磨削铜铜、铝铝及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属金属硬脆难加工材料硬脆难加工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工方法。材等）的主要加工方法。 超精密磨削应用比较成熟的首推超精密磨削应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮超精密金刚石微粉砂轮超精密磨削。磨削。 1 1）金刚石微粉砂轮）金刚石微粉砂轮 采用粒度为采用粒度为F240F240F1000F1000的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷、金属为结合剂烧结而成；也可采用、金属为结合剂烧结而成；也可采用电铸法电铸法和和气相沉积法气相沉积法制作。制作。 金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点：金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点： （1 1）一种固结磨料的）一种固结磨料的微量去除加工微量去除加工方法，比研磨、抛光等精密方法，比研磨、抛光等精密加工方法加工加工方法加工效率高效率高； （2 2）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的超精密加工超精密加工方法。方法。 （3 3）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行在线修整在线修整，才能，才能保证磨削的正常进行和加工质量。保证磨削的正常进行和加工质量。 （4 4）需要在）需要在超精密磨床超精密磨床上进行，设备上进行，设备价格昂贵价格昂贵，磨削成本高磨削成本高。 2 2）超精密磨床）超精密磨床图图2-82-8为典型液体静压轴承为典型液体静压轴承主轴结构原理图主轴结构原理图。 超精密磨床多采用超精密磨床多采用空气静压导轨空气静压导轨，如图，如图2 29 9所示。所示。 超精密磨床还采用超精密磨床还采用微量进给装置微量进给装置。如图。如图2 21010所示。所示。 目前国内、外各种超精密磨床的加工精度和表面粗糙度目前国内、外各种超精密磨床的加工精度和表面粗糙度能够达到的水平为：能够达到的水平为： （1 1）尺寸精度：）尺寸精度：0.240.240.50m0.50m； （2 2）圆度：）圆度：0.250.251m1m； （3 3）圆柱度：）圆柱度：0.25/25000.25/25001/500001/50000； （4 4）表面粗糙度）表面粗糙度RaRa：0.0060.0060.01m0.01m。 3 3）超精密磨削工艺）超精密磨削工艺 磨削参数：磨削参数： （1 1）砂轮线速度：）砂轮线速度：18186060m/minm/min； （2 2）工件线速度：）工件线速度：4 41010m/minm/min； （3 3）工作台纵向进给速度：）工作台纵向进给速度：5050100100mm/minmm/min； （4 4）磨削深度：）磨削深度：0.50.51 1mm； （5 5）磨削横向进给次数：）磨削横向进给次数：2 24 4； （6 6）无火花磨削次数：）无火花磨削次数：3 35 5； （7 7）磨削余量：）磨削余量：2 25m5m。 多采用多采用开式磨削开式磨削方式（图方式（图2-112-11）。）。 需要考虑以下几类因素。需要考虑以下几类因素。 1 1）磨削用量）磨削用量 （1 1）砂带速度砂带速度。开式砂带磨的砂带速度很低，砂带移动是。开式砂带磨的砂带速度很低，砂带移动是为了不断有新砂粒进入切削区，控制磨削表面质量和砂带的使用为了不断有新砂粒进入切削区，控制磨削表面质量和砂带的使用寿命，而磨削的主运动是靠工件的转动或移动来实现的。寿命，而磨削的主运动是靠工件的转动或移动来实现的。 （2 2）工件速度工件速度。由于砂带速度非常低，切削形成主要靠工。由于砂带速度非常低，切削形成主要靠工件的转动或移动，按磨削要求，工件速度可取件的转动或移动，按磨削要求，工件速度可取10101212m/sm/s。 （3 3）纵向进给量和磨削深度纵向进给量和磨削深度。纵向进给量可参考砂轮磨削。纵向进给量可参考砂轮磨削来选取，而磨削深度应比砂轮磨削时要小些。来选取，而磨削深度应比砂轮磨削时要小些。 粗磨粗磨纵向进给量纵向进给量0.170.173.003.00mm/rmm/r，磨削深度为，磨削深度为0.050.050.100.10mmmm。 精磨精磨纵向进给量为纵向进给量为0.400.402.002.00mm/rmm/r，磨削深度，磨削深度0.010.010.050.05mmmm。 （4 4）接触压力接触压力。这是砂带磨削所特有的加工参数，直接影。这是砂带磨削所特有的加工参数，直接影响磨削效率和砂带使用寿命。可根据工件材料、磨粒材料和粒度响磨削效率和砂带使用寿命。可根据工件材料、磨粒材料和粒度、磨削余量和表面粗糙度要求来选择，一般选取、磨削余量和表面粗糙度要求来选择，一般选取5050300300N N，但其，但其大小有时很难控制。大小有时很难控制。 2 2）砂带和接触轮砂带和接触轮的选择的选择 应根据被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求来选择应根据被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求来选择。其中包括磨料种类、粒度、基底材料、接触轮外缘材料、形。其中包括磨料种类、粒度、基底材料、接触轮外缘材料、形状及其硬度等。砂带选择和接触轮选择之间有一定的状及其硬度等。砂带选择和接触轮选择之间有一定的配合关系配合关系要求。要求。 3 3）砂带磨削的）砂带磨削的冷却和润滑冷却和润滑 砂带磨削可分为砂带磨削可分为干磨干磨和和湿磨湿磨两种。湿磨时，磨削液的选两种。湿磨时，磨削液的选择应考虑加工表面粗糙度，被加工材料、砂带粘接剂的种类和择应考虑加工表面粗糙度，被加工材料、砂带粘接剂的种类和基底材料等。例如有些粘接剂为有机物，易受化学溶剂的影响基底材料等。例如有些粘接剂为有机物，易受化学溶剂的影响，有些基底材料不防水。干磨时，当粒度大于，有些基底材料不防水。干磨时，当粒度大于F150F150时，可采用时，可采用干磨剂，有效防止砂带堵塞，提高加工表面质量。干磨剂，有效防止砂带堵塞，提高加工表面质量。 1 1）油石研磨）油石研磨 常用油石：常用油石： 氨基甲酸酯油石氨基甲酸酯油石；制作方便、成本低廉；制作方便、成本低廉； 金刚石电铸油石金刚石电铸油石；可以研磨出极低表面粗糙度的表面；可以研磨出极低表面粗糙度的表面 ； 超硬磨料粉末冶金油石超硬磨料粉末冶金油石；研磨精度高、表面质量好、效；研磨精度高、表面质量好、效率高。率高。 特点：特点：加工运动与普通研磨方法相同，可以加工加工运动与普通研磨方法相同，可以加工平面平面、外外圆圆等。等。 2 2）磁性研磨磁性研磨 如图如图2-122-12所示。所示。 磁性研磨具有以下特点和用途：磁性研磨具有以下特点和用途： （1 1）研磨压力研磨压力的大小随磁场中的大小随磁场中磁通密度磁通密度及磁性及磁性磨料填充量磨料填充量的的增大而增大，可以调节。增大而增大，可以调节。 （2 2）既可研磨）既可研磨磁性材料磁性材料零件，又可研磨零件，又可研磨非磁性材料零件非磁性材料零件；可；可研磨研磨金属材料金属材料，例如钢、铁、不锈钢、铜、铝等；也可研磨，例如钢、铁、不锈钢、铜、铝等；也可研磨非金属材料非金属材料，如陶瓷、硅片等。，如陶瓷、硅片等。 （3 3）加工精度加工精度可达可达1m1m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa可达可达0.01m0.01m，对于，对于钛合金钛合金有较好的研磨效果。有较好的研磨效果。 （4 4）可加工工件的）可加工工件的外圆外圆、内孔内孔等和等和去毛刺去毛刺。由于加工间隙有。由于加工间隙有1 14mm4mm，磁性磨粒在未加磁场前是柔性的，因此还可以研磨，磁性磨粒在未加磁场前是柔性的，因此还可以研磨成形表面成形表面。 1 1）软质磨粒抛光）软质磨粒抛光 典型的软质磨粒机械抛光方法是典型的软质磨粒机械抛光方法是弹性发射加工弹性发射加工（Elastic Elastic Emission MachiningEmission Machining，EEMEEM）（图）（图2 21313）。其原理是利用）。其原理是利用水水流加速微细磨粒流加速微细磨粒，以尽可能，以尽可能小的入射角冲击工件表面小的入射角冲击工件表面，在接，在接触点处产生触点处产生瞬时高温高压瞬时高温高压而发生而发生固相反应固相反应，造成工件表层原，造成工件表层原子晶格的子晶格的空位空位及工件原子和磨粒原子互相及工件原子和磨粒原子互相扩散扩散，形成与工件，形成与工件表层其他原了结合力较弱的表层其他原了结合力较弱的杂质点缺陷杂质点缺陷。当这些缺陷再次受。当这些缺陷再次受到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原了被一并到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原了被一并移去移去，同时工件同时工件表层凸出的原子表层凸出的原子也因受到很大的也因受到很大的剪切力作用剪切力作用而被而被切切除除。 2 2）浮动抛光）浮动抛光 是一种平面度极高的是一种平面度极高的非接触超精密抛光非接触超精密抛光方法，浮动抛光方法，浮动抛光装置如图装置如图2-142-14所示。高回转精度的所示。高回转精度的抛光机抛光机采用采用高平面度平面高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件光盘表面上，抛光盘及工件高速回转高速回转时，在两者之间的抛光时，在两者之间的抛光液呈液呈动压流体动压流体状态，并形成一层状态，并形成一层液膜液膜，从而使工件在，从而使工件在浮起状浮起状态态下进行抛光。下进行抛光。 3 3）动压浮离抛光）动压浮离抛光 是另一种是另一种非接触抛光非接触抛光方法。平面非接触抛光装置如图方法。平面非接触抛光装置如图2-2-1515所示。沿圆周方向制有若干个所示。沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘倾斜平面的圆盘在液体中转在液体中转动时，通过动时，通过液体楔液体楔产生产生液体动压液体动压，使保持环中的，使保持环中的工件浮离圆工件浮离圆盘表面盘表面，由浮动间隙中的，由浮动间隙中的粉末颗粒粉末颗粒对工件进行对工件进行抛光抛光。加工过。加工过程中程中无摩擦热和工具磨损无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，因此，可重，标准平面不会变化，因此，可重复获得复获得精密精密的工件表面。该方法主要用于的工件表面。该方法主要用于半导体基片半导体基片和各种和各种功能陶瓷材料功能陶瓷材料及及光学玻璃光学玻璃的抛光，可同时进行的抛光，可同时进行多片加工多片加工。 4 4）非接触化学抛光）非接触化学抛光 是一种普通的是一种普通的盘式化学抛光盘式化学抛光方法，通过供给抛光盘面方法，通过供给抛光盘面化化学抛光液学抛光液，使其与被加工面作，使其与被加工面作相对滑动相对滑动，用抛光盘面来去除，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的被加工件面上产生的化学反应生成物化学反应生成物。这种抛光方法以。这种抛光方法以化学化学腐蚀作用腐蚀作用为主，为主，机械作用机械作用为辅，所以又称为为辅，所以又称为化学机械抛光化学机械抛光。水面滑行抛光水面滑行抛光是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的新型非接触化学抛光方法新型非接触化学抛光方法。它借助于。它借助于流体压力流体压力使工件基片从使工件基片从抛光盘面上抛光盘面上浮起浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光，抛光装置如图光，抛光装置如图2-162-16所示。所示。 2.4 微细加工技术微细加工技术 微细加工起源于微细加工起源于半导体制造工艺半导体制造工艺，原来指加工尺度约在，原来指加工尺度约在微微米级范围米级范围的加工方式。在的加工方式。在微机械微机械研究领域中，它是研究领域中，它是微米级微米级、亚亚微米级微米级乃至纳米级微细加工的通称，即乃至纳米级微细加工的通称，即微米级微细加工微米级微细加工，亚微亚微米级微细加工米级微细加工和和纳米级微细加工纳米级微细加工等。广义上的微细加工，包括等。广义上的微细加工，包括精密加工精密加工和和超精密加工超精密加工的的微小化微小化。 1 1）多学科的制造系统工程）多学科的制造系统工程 涉及涉及超微量加工和处理超微量加工和处理技术、技术、高质量和新型的材料高质量和新型的材料技术、技术、高稳定性和高净化高稳定性和高净化的加工环境、高精度的的加工环境、高精度的计量计量、测试测试技术以技术以及高可靠性的及高可靠