精密加工与特种加工课件.pptx

1、精密加工与特种加工现代机械工业致力于提高加工精度的原因：现代机械工业致力于提高加工精度的原因：可提高产品的性能、质量、稳定性和可靠性可提高产品的性能、质量、稳定性和可靠性 1）飞机发动机转子叶片的加工精度由）飞机发动机转子叶片的加工精度由60 m提高到提高到12 m ，Ra由由0.5 m提高到提高到0.2 m，压缩效率可从，压缩效率可从 89提高到提高到94 2）20世纪世纪80年代前苏联引入精密数控铣床，潜艇噪音年代前苏联引入精密数控铣床，潜艇噪音 大幅降低大幅降低可促进产品小型化可促进产品小型化增强互换性增强互换性1.1.1精密加工概念 1.1.1精密加工概念 1.1 精密和超精密加工方法

2、分类（1） 分分 类类加工机理加工机理加工方法加工方法去除加工去除加工化学分解（气体、液体、固体）化学分解（气体、液体、固体）电解（液体）电解（液体）蒸发（真空、气体）蒸发（真空、气体）扩散（固体）扩散（固体）熔化（液体）熔化（液体）溅射（真空）溅射（真空）刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工扩散去除加工熔化去除加工熔化去除加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工结合加工结合加工化学附着化学附着化学结合化

3、学结合电化学附着电化学附着电化学结合电化学结合热附着热附着扩散结合扩散结合熔化结合熔化结合物理附着物理附着注入注入化学镀，气相镀化学镀，气相镀氧化，氮化氧化，氮化电镀、电铸电镀、电铸阳极氧化阳极氧化蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳烧结，掺杂，渗碳浸镀，熔化镀浸镀，熔化镀溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）离子溅射注入加工离子溅射注入加工变形加工变形加工热表面流动热表面流动粘滞性流动粘滞性流动摩擦流动摩擦流动热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）液体、气体流动加工（压

4、铸、挤压、喷射、浇铸）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）微粒子流动加工微粒子流动加工1.1.2精密加工的分类 分分 类类加工方法加工方法可加工材料可加工材料应应 用用切削加工切削加工等离子体切削等离子体切削微细切削微细切削微细钻削微细钻削各种材料各种材料有色金属及其合金有色金属及其合金低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，反射镜，多面棱镜油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板磨料加工磨料加工微细磨削微细磨削研磨研磨抛光抛光弹性发射加工弹性发射加工喷射加工喷射加工黑色金属

5、、硬脆材料黑色金属、硬脆材料金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃金属、非金属金属、非金属金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片硅片基片硅片基片刻槽，切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎特种加工特种加工电火花成形加工电火花成形加工电火花切割加工电火花切割加工电解加工电解加工超声波加工超声波加工微波加工微波加工电子束加工电子束加工粒子束去除加工粒子束去除加工激光去除加工激光去除加工光刻加工光刻

6、加工导电金属，非金属导电金属，非金属导电金属导电金属金属，非金属金属，非金属硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料各种材料金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔切断，切槽切断，切槽模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀打孔，切断，划线打孔，切断，划线划线，图形成形划线，图形成形复合

7、加工复合加工电解磨削电解磨削电解抛光电解抛光化学抛光化学抛光各种材料各种材料金属，半导体金属，半导体金属，半导体金属，半导体刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面平面精密和超精密加工方法分类（2） 工具等工具等加工装置加工装置材料材料用途、零件等用途、零件等镜镜面面切切削削 金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋利化利化 利用利用CBN刀具切刀具切削钢削钢 金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶方位选择方位选择 金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评价改进型价改进型SEM 采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及空气道轨等的高精度化空

8、气道轨等的高精度化 高刚度化高刚度化 冷却、空调、防振冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案：高刚度化的新方案：Tetraform结构球壳结构结构球壳结构Al、Cu、塑料等软质材料、塑料等软质材料无电解无电解Ni膜膜Ge，Si KDP、LiNbO3、玻璃、玻璃磁盘基板磁盘基板各种模具各种模具各种发射镜各种发射镜红外用光学元件红外用光学元件激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件X射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件镜镜面面磨磨削削 树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石砂轮添加砂轮添加Mo2S2、WS2、C等等 铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂轮采用电解腐蚀修整

9、轮采用电解腐蚀修整铁氧体铁氧体精细陶瓷精细陶瓷超硬合金超硬合金Ge、Si玻璃玻璃磁头磁头红外用光学元件红外用光学元件非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜各种模具各种模具镜镜面面研研磨磨 沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂抛光盘抛光盘 微细磨料、软质磨微细磨料、软质磨料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料 软质工具的采用：软质工具的采用：氟化树脂发泡体跑关氟化树脂发泡体跑关盘、液体工具盘、液体工具EEM及浮动抛光及浮动抛光 基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、液中研磨机、EEM装置、装置、浮法抛光张之、浮

10、法抛光张之、PMAC抛光抛光装置装置 NC化化CAM化化水晶水晶LiTaO3LiNbO3GGGSi、GaAs精细陶瓷精细陶瓷CVDSiC膜膜玻璃玻璃压电滤波器基片压电滤波器基片SAW元件基片元件基片半导体基片半导体基片各种模具各种模具SOR用用X射线光学元件射线光学元件激光核聚变用各种光学元激光核聚变用各种光学元件件投影透镜投影透镜精密切削、磨削、研磨实例1.1.3精密加工与经济性 很长一段时期，精密加工与高成本相联系很长一段时期，精密加工与高成本相联系 精密加工创造巨大的经济效益精密加工创造巨大的经济效益离轴抛物面反射镜离轴抛物面反射镜加工周期：加工周期： 12月月-3周；周；精度更高；精度

11、更高；加工成本：传统工艺加工成本：传统工艺1/10。超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。 如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本个关键技术参数，日本2nm2nm，我国亚微米；，我国亚微米； 如：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，制造水平有了如：金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，

12、制造水平有了大幅度提高，解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。大幅度提高，解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。1.1.4 精密和超精密加工技术的地位与作用1.1.5 超精密加工现状及发展趋势国内外现状(1)(1)美国是开展研究最早的国家。美国是开展研究最早的国家。(2)(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。快的国家。(3)(3)我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了年代末期有了长足进步，长足进步，8080年代中期出现了具有世界水年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。平的超精密机床和部件。超精密加工技术发展趋势

13、 向更高精度、更高效率方向发展；向更高精度、更高效率方向发展； 向大型化、微型化方向发展；向大型化、微型化方向发展； 向加工检测一体化方向发展；向加工检测一体化方向发展； 机床向多功能模块化方向发展；机床向多功能模块化方向发展； 不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。法、新材料。 2121世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。加工技术的关键十年。影响精密和超精密加工的因素 超精密加工的构成超精密加工的构成 超精密加工的影响因素超精密加工的影响因素影响精密和超精密加工的因素 加工机理 近年来，

14、在传统加工方法中，金刚石刀具超近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。

15、在加工机理上均有所创新。 影响精密和超精密加工的因素 被加工材料 零件材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺零件材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能。性能。 如：要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外如：要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在部及内部微观缺陷；其化学成分的误差应在1010-2-21010- -3 3数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉数量级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达到数等应达到1010-5-51010-6-6数量级；材料

16、在冶炼、铸造、数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。 影响精密和超精密加工的因素 加工设备及其基础元部件 (1)(1)高精度。高精度。(2)(2)高刚度。高刚度。 (3)(3)高稳定性。高稳定性。 (4)(4)高自动化。高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密

17、切相关，导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。影响精密和超精密加工的因素 加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2 24nm4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度

18、关系密切，若切削的厚度欲达到厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm10nm，则刃口，则刃口钝圆半径应为钝圆半径应为2nm2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为采用粒度为W20W20W0.5W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。脂、铜、纤维铸铁等。影响精密和超精密加工的因素 检测与误差补偿 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准

19、直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X X光衍射法、激光干涉光衍射法、激光干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方式。 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来误差预防通

20、过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通的影响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上，在加工时进行实时补偿。在加工时进行实时补偿。 影响精密和超精密加工的因素 工作环境 环境温度可根据加工要求控制在环境温度可根据加

21、工要求控制在110.020.02，甚至达到，甚至达到0.00050.0005。 在恒温室内，一般湿度应保持在在恒温室内，一般湿度应保持在55%55%60%60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求洁净度要求10001000100100级，级，100100级是指每立方级是指每立方英尺空气中所含大于英尺空气中所含大于0.5m0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100100个，个，依此类推。依此类推。 主要研究内容(1)(1)超精密加工的加工机理。超精密加工的加工机理。“进化加工进化加工”及及“

22、超越超越性加工性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。参数进行提示性研究。(2)(2)超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。超精密

23、机床总成制造技术研究。OAGM2500LODTM主要研究内容(3)(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。研究。(4)(4)精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。差补偿技术研究；测量集成技术研究。(5)(5)超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精

24、密净化设备，新型系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。特种排屑装置及相关技术的研究。 可加工有色金属和非金属，可直接加工出超光滑的加工表可加工有色金属和非金属，可直接加工出超光滑的加工表面面(粗糙度粗糙度Ra0.020.005m，加工精度，加工精度0.01m)。 如：如：陀螺仪陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、印机的多面棱镜、录像机的磁头录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透、复印机的硒鼓、菲尼

25、尔透镜等。镜等。 超精密切削也是金属切削的一种，超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律，但与当然也服从金属切削的普遍规律，但与传统切削机理有区别。传统切削机理有区别。 1.2.11.2.1切削变形和切削力切削变形和切削力 1.2.1.1切削变形切削变形 (1)过渡切削过渡切削 以单刃回转刀具铣以单刃回转刀具铣削平面为例，分析在过削平面为例，分析在过渡切削过程中刀具切削渡切削过程中刀具切削刃与工件的接触情况及刃与工件的接触情况及工件材料的变形情况。工件材料的变形情况。第第I变形区变形区是指在切削层内产生剪切是指在切削层内产生剪切滑移的塑性变形区。切削过程中的塑滑移的塑性变形区

26、。切削过程中的塑性变形主要发生在这里，所以它是主性变形主要发生在这里，所以它是主要变形区。要变形区。 当切屑沿前刀面流出时，切屑与前刀面接触的区域，切屑与前刀面挤压摩擦，进一步产生剪切滑移，这就是第二变形区。 工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为第三变形区第三变形区。切削过程中三个变形区切削过程中三个变形区 （2）最小切入深度）最小切入深度 零件的最终工序的最小切零件的最终工序的最小切入深度应等于或小于零件入深度应等于或小于零件的加工精度（允许的加工的加工精度（允许的加工误差）；误差）； 最小切入深度反映了它的最小切入深度反映了它的精加工能力；精

27、加工能力； 根据过渡切削过程的分析根据过渡切削过程的分析可知：可知： 当切入深度太小，切削当切入深度太小，切削刃对工件表面只有弹性滑刃对工件表面只有弹性滑动或塑性滑动，没有切屑，动或塑性滑动，没有切屑，因此对最小切入深度要受因此对最小切入深度要受到一些因素的限制。到一些因素的限制。（3）毛刺与亏缺）毛刺与亏缺 刀具前角将直接影响切削力的大小和方向，从而影响刀具前角将直接影响切削力的大小和方向，从而影响工件终端的最终形状（毛刺或亏缺）工件终端的最终形状（毛刺或亏缺）（4）微量切削的碾压过程）微量切削的碾压过程1.2.1.2切削力切削力 (1) 切削力的来源切削力的来源 切削力的大切削力的大小影响

28、着切削热小影响着切削热的多少，影响着的多少，影响着刀具的磨损，表刀具的磨损，表面质量和精度。面质量和精度。不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。趋于稳定，高度变化不大。1、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响 由图由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在在f5m/r时，时，h0

29、值最小，值最小，f值再增大时，值再增大时，h0值稍有增值稍有增加。加。 由图由图2-9所示，在背吃刀量所示，在背吃刀量 25m后，后， h0值将随着背吃刀值将随着背吃刀量的增加而增加。量的增加而增加。2、进给量f和背吃刀量 的影响p积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。与普通切削规律正好相反。1、对切削力的影响1）积屑瘤前端积屑瘤前端R大约大约23m，实际切削，实际切削力由刃口半径力由刃口半径R起作起作用，切削力明显增用，切削力明显增加加 。2）积屑瘤与切削层和）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩已加工表面间的摩擦力增大，

30、切削力擦力增大，切削力增大。增大。3）实际切削厚度超过）实际切削厚度超过名义值，切削厚度名义值，切削厚度增加增加 hD-hDu，切削力，切削力增加。增加。切削模型分析实际切削厚度实际切削厚度积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。2、对加工表面粗糙度的影响 由图2-12知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。 图2-13说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面镜面。1、切削速度的影响 在进给量f5m/r

31、时，均达到Rmax 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切削被切除，即对滑移，才能形成切削被切除，即)(NNsincos)(yxFFN A点为极限临界点，极限最小切削厚度点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为应为minDh 当刀刃刃口半径当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。系数有关。 minDhxyFF222222min111)1)(1tan111)cos1 (xyxyyxxyDFFFFFFFFh刀具刀具 被切

32、材料被切材料 最小切削厚度最小切削厚度 W18Cr4V Q235钢钢0.248 W18Cr4V45钢钢0.274YG8Q235钢钢0.350 YG845钢钢0.377 根据经验，根据经验，A点处的点处的 比值一般在比值一般在0.81范围内，对于金刚石刀具进行范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取超精密切削，取 。 使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可实现切削厚度为纳米（可实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削。）级的连续稳定切削。 要使最小切削厚度要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径，可

33、估算金刚石刀具刃口半径 为为34nm。用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：xyFFxyFF9 . 0nmhD1min1）（）（100）晶面的摩擦系）晶面的摩擦系数曲线有数曲线有4个波峰和波谷；个波峰和波谷；（110）晶面有）晶面有2个波峰和个波峰和波谷；（波谷；（111）晶面有）晶面有3个个波峰和波谷；波峰和波谷；2）（）（100）晶面的摩擦系）晶面的摩擦系数最低；（数最低；（110）最高；）最高；3）（）（100）晶面的摩擦系）晶面的摩擦系数差别最大；（数差别最大；（111）晶面）晶面最小。最小。1号车刀：前

34、、后面为（号车刀：前、后面为（100）晶面；）晶面；2号车刀：前、后面为（号车刀：前、后面为（110）晶面。）晶面。比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀号车刀切下的切屑变形小于切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。号车刀切下的切屑变形。（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的号

35、车刀切下切屑的变形系数小于变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。号车刀切下的切屑的变形系数。（三）剪切角（三）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削的计算：假设切削过程为直角自由切削式中式中 为变形系数，为变形系数， 为前角。为前角。从表从表2-5中可以看出，中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于号车刀的实际剪切角大于2号车刀，号车刀，即用（即用（100）晶面的）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）晶面的晶面的2号车刀。号车刀。00sincostanhh01.1. 2.2 2.2 切削热和切削液切削热和切削液 切削热直接影响刀具磨损和耐用度，限制了

36、切削速度，还切削热直接影响刀具磨损和耐用度，限制了切削速度，还影响工件的加工精度和表面质量。影响工件的加工精度和表面质量。1.2.2.1切削热切削热（1）切削热的来源及切削温度）切削热的来源及切削温度 变形所消耗的功转变成热变形所消耗的功转变成热 ：包括弹性变形和塑性变形（前小后大）：包括弹性变形和塑性变形（前小后大） 摩擦所消耗的功转变成热：包括前刀面与铁屑和后刀面与工件已加工摩擦所消耗的功转变成热：包括前刀面与铁屑和后刀面与工件已加工面面 的摩擦的摩擦 切削热的传递是切削热的传递是 由切屑由切屑.工件工件.刀具和周围介质传导的刀具和周围介质传导的 （ 热量多少依次递减热量多少依次递减 ）

37、精密切削时，切削单位从数微米缩小到精密切削时，切削单位从数微米缩小到1微米以下，刀尖部分会受到很大的应微米以下，刀尖部分会受到很大的应力，刀尖局部区域会产生极高的温度，原因如下：力，刀尖局部区域会产生极高的温度，原因如下： 金属材料的组成：金属材料的组成： 由数微米到数百微米的微细晶粒构成，由数微米到数百微米的微细晶粒构成， 晶粒内部，一般情况下，大约晶粒内部，一般情况下，大约1微米左右间隔就有一个微米左右间隔就有一个 位错缺陷位错缺陷 。 当切削单位很大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上当切削单位很大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上 的原子产生位移，而是通过

38、位错运动形成滑移的原子产生位移，而是通过位错运动形成滑移 当切削单位在当切削单位在1微米左右时，不会发生位错运动形成滑移微米左右时，不会发生位错运动形成滑移所以精密切削时，刀具要采用耐热性高所以精密切削时，刀具要采用耐热性高.耐磨性强，有较好的高温硬度和高耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。温强度的刀具材料。(2)切削热的影响与控制切削热的影响与控制 热变形引起的加工误差占总误差的热变形引起的加工误差占总误差的4070 100mm长的铝合金零件，温度每变化长的铝合金零件，温度每变化1度，将产生度，将产生2.25微米的误差。微米的误差。 所以要严格控制温度所以要严格控制温度 要确保要

39、确保0.1微米的误差，工件温度必须控制在微米的误差，工件温度必须控制在0.05度度主要措施：切削液浇注工件主要措施：切削液浇注工件 浇注淋浴式浇注淋浴式 切削液的冷却：在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通自来水，控制切削液的冷却：在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通自来水，控制 水的流量，必要时可加冰。水的流量，必要时可加冰。另外，也可通过优化刀具几何角度和切削用量来减少切削热另外，也可通过优化刀具几何角度和切削用量来减少切削热1.2.2.2切削液切削液1.2.3.1金刚石刀具的磨损形式：金刚石刀具的磨损形式： 机械磨损机械磨损.破损和碳化磨损破损和碳化磨损.机械磨损：初磨阶段机械磨损：初磨阶段.

40、更普遍的机械磨损。更普遍的机械磨损。1.1.2. 32. 3刀具的磨损、磨破和耐用度刀具的磨损、磨破和耐用度 图中所示沿图中所示沿切削速度方向切削速度方向出现磨损沟槽，出现磨损沟槽，由于金刚石和由于金刚石和铁、镍的化学铁、镍的化学和物理亲和性和物理亲和性而产生的腐蚀而产生的腐蚀沟槽。沟槽。 切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩

41、高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度具耐磨度甚高，可用很高的切削速度10002000m/min，而刀具的磨损甚小。，而刀具的磨损甚小。 超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。最小的转速。 总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动轴转动非常平稳的

42、高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。刀具的破损：裂纹刀具的破损：裂纹.破裂和解理破裂和解理金刚石切削时，若有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。1.2.3.2 刀具的耐用度刀具的耐用度 二战后，美国首先发展金刚石刀具精密切削，并发展了空二战后，美国首先发展金刚石刀具精密切削，并发展了空气轴系的高性能精密车床。气轴系的高性能精密车床。50年代后，又成功研发了超精年代后，又成功研发了超精密切削机床。密切削机床。 在美国和日本，大概有在美国和日本，大概有20多家工厂和研究所可生产超精密多家工厂和研究所可生产超精密机床，英国、荷兰和德国等工业发

43、达国家也可以生产和研机床，英国、荷兰和德国等工业发达国家也可以生产和研究超精密机床，并达到了较高水平。究超精密机床，并达到了较高水平。 我国从我国从20世纪世纪60年代开始发展精密机床，精密机床已经有年代开始发展精密机床，精密机床已经有相当的规模，精度和质量达到一定的水平。相当的规模，精度和质量达到一定的水平。 .昆明机床厂、宁江机床厂、汉川机床厂生产多种昆明机床厂、宁江机床厂、汉川机床厂生产多种坐标镗床坐标镗床，最新的坐标镗床有数控系统；最新的坐标镗床有数控系统； .重庆机床厂、武汉机床厂能生产高精度的重庆机床厂、武汉机床厂能生产高精度的滚齿机滚齿机； .重庆机床厂、武汉机床厂和上海机床厂能

44、生产高精度的重庆机床厂、武汉机床厂和上海机床厂能生产高精度的蜗蜗轮母机轮母机； .北京机床研究所、航空精密机械研究所、青岛前哨机械厂北京机床研究所、航空精密机械研究所、青岛前哨机械厂能生产多种规格的能生产多种规格的三坐标测量机三坐标测量机； .北京密云机床研究所研究成功加工球面的北京密云机床研究所研究成功加工球面的JSC-027型超精密型超精密车床；开创了包括立、卧式加工中心、超精密车床、超精车床；开创了包括立、卧式加工中心、超精密车床、超精密铣床、纳米级超精密车床等十余项国内第一；密铣床、纳米级超精密车床等十余项国内第一； .北京航空精密机械研究所研究成功空气轴承的超精密车床北京航空精密机械

45、研究所研究成功空气轴承的超精密车床和金刚石镗床；哈尔滨工业大学研究成功带激光在线测量和金刚石镗床；哈尔滨工业大学研究成功带激光在线测量的空气轴承数控超精密车床。的空气轴承数控超精密车床。 总的来说，我国精密机床的生产和研究和国外相比，差总的来说，我国精密机床的生产和研究和国外相比，差距较大。距较大。由于保密，引进精密机床受到限制由于保密，引进精密机床受到限制。OAGM2500LODTM普通车床的主轴径向跳动通常普通车床的主轴径向跳动通常0.01mm，导轨平直度为，导轨平直度为0.02mm/1000mm。精密车床的主轴径向跳动精密车床的主轴径向跳动0.0030.005mm，导轨平直度为，导轨平直

46、度为0.01mm/1000mm1.3.3.1、液体静压轴承主轴主轴回转精度 回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。（一）、滑动轴承的分类（一）、滑动轴承的分类 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为状态，滑动轴承可分为: 液体摩擦轴承液体摩擦轴承非液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体动压润滑轴承液体静压液体静压润滑润滑轴承轴承 按

47、滑动轴承承受载荷的方向可分为按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承（向心）径向滑动轴承（向心）推力滑动轴承（止推）推力滑动轴承（止推）根据润滑膜的形成原理不同分为：动压润滑轴承利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。静压润滑轴承在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。径向轴承（向心轴承）径向轴承的受力Fr与轴的中心线垂直止推轴承（推力轴承）止推轴承受力Fa与轴的中心线平行FrFa轴承座轴承座径向轴瓦径向轴瓦止推轴瓦止推轴瓦（二）

48、、液体静压轴承工作原理静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承 （1 1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为油腔（通常为4 4个）。个）。 （2 2）各油腔之间开有回油槽。）各油腔之间开有回油槽。 （3 3）用过的油一部分从这些回油槽流回油）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。箱（轴向回油）。 （4 4）油腔四周形成适当宽度的轴向封油）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般面和周向封油面，它们和轴颈之

49、间的间隙一般为为 0.020.020.04mm0.04mm。 （5 5）油泵供油压力为）油泵供油压力为ps ps ，油液经节流器，油液经节流器T T进入各油腔，将轴颈进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。 （6 6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为隙相等，均为h0h0。 （7 7）当主轴受径向载荷（包括自重）当主轴受径向载荷

50、（包括自重）F F作用后，轴颈向下移动作用后，轴颈向下移动产生偏心量产生偏心量e e。 （8 8）油腔）油腔3 3处的间隙减小为处的间隙减小为h0-e h0-e ，由于油液流过间隙小的地方，由于油液流过间隙小的地方阻力大，流量减小，因而流过节流器阻力大，流量减小，因而流过节流器T3T3的流量减少，压力损失随之的流量减少，压力损失随之减小减小 （9 9）供油压力）供油压力ps ps 一定，油腔一定，油腔3 3内的油压内的油压p3p3升高升高 （1010）油腔）油腔1 1处的间隙增大为处的间隙增大为h0h0e e，由于，由于油液流过间隙大的地方油液流过间隙大的地方阻力小，流量增加阻力小，流量增加，