《精密切削加工》PPT课件

《《精密切削加工》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

Precision&Non-traditionalMachiningTechnology精密与特种加工王贵成主编《精密与特种加工》课堂作业5次笔试开卷笔试50%，平时50%（课堂作业，课外作业） 绪论一、精密与特种加工在制造业中的地位与作用制造业：制造资源（物料、设备、工具、资金、技术、人力及信息等）→制造过程→产品创造人类财富的一半以上制造技术的发展与社会需求有关：工业革命引发了机械制造业的大跃进汽车的出现促进了：机械、冶金、电子、建材等航天、航空促进了新材料、新技术的发展(包括超精密加工） 美国二战后不重视机械行业，到80年代，日本的汽车、摩托车、家用电器等行业领先基础行业——机械工业为其他行业提供技术装备——直接影响着其他行业的生产技术水平——国民经济的关键部门机械工业的发展速度高于整体经济20%，机器的重要性越来越高。（其他行业依赖机械） 发展尖端技术、国防、微电子等都需要精密与超精密加工出来的仪器设备我国的机械行业的差距：一是：高度自动化技术：FMS、CIMS、敏捷制造技术二是：精密加工、超精密加工 绪论精密加工——在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工——在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。包括：精密切削加工及精密磨削加工、特种加工。精车、精磨1μm——普通加工精密加工：0.1～0.01μm；(0.1-1)超精密加工0.01～0.001μm(<0.1) 特种加工：用电、光、声、磁能进行加工的工艺。主加工模具（90%50%）;难加工的材料;复杂形状;薄壁件微细加工——微小尺寸的精密加工超微细加工——微小尺寸的超精密加工纳米技术：0.1~100nm的材料、设计、制造、（精度与形貌的测量、性能的测量、加工技术、传感器及控制技术；微型机械、纳米生物学） 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密与超精密加工的地位哈勃望远镜一次镜直径2.4米、900kg的大型反光镜，极高的分辨率。专门研制了超精密加工，光学玻璃用6轴CNC研磨抛光机-解决了硬脆材料的超精密加工问题 镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月，极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子，使用的是超低膨胀玻璃，镜片在1981年底全部完成（表面处理）1990年4月25日，由美国航天飞机送上太空轨道长13.3米，直径2.4米，重11.6吨，造价近30亿美元。 形状精度0.01m，直径2.4m，能观察到140亿光年的天体 哈勃望远镜的主镜——镀铝（提高反射率，表面的Al2O3透明）下一代:韦伯/主镜开始安装 磁盘的存储能力与磁头、磁盘间的距离——飞行高度密切相关，0.15微米，磁盘基片的加工平面度、粗糙度 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：陀螺仪球与导弹命中精度（美国民兵Ⅲ洲际导弹的圆概率误差500米，MX战略导弹的陀螺仪的精度提高一个等级后，误差50-150）；1kg的陀螺仪球的质量中心偏离对称轴0.5nm就会引起100米的射程误差和50米的轨道误差。人造卫星的仪表轴承：真空无润滑，孔和轴的表面粗糙度在1nm，雷达的关键部件：波导管内腔的粗糙度10nm，红外导弹接受红外线的反射镜，粗糙度10nm飞机发电机转子叶片加工误差与压缩效率；推力增大、热效率、功率增加。 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展（先军用后民用）精密机床、温度、空气洁净度、减振、测量、数控、切削机理等等 精密与超精密加工的主要领域：有色金属的超精密切削加工——陀螺仪、镜面精密与超精密磨削与研磨：大规模集成电路基片的加工、高精度硬盘的加工精密特种加工：电子束、离子束——大规模集成电路的线宽小于0.1微米 精密与特种加工对机械制造工艺的影响1、提高了材料的可加工性2、改变了零件的典型加工路线3、改变了新产品的试制模式——三维打印4、对零件的结构设计产生了很大的影响——整体模具、整体涡轮——复杂形状的加工5、对零件加工工艺性产生影响——方孔、小孔、窄缝，薄壁件；6、特种加工成为微细加工、精密加工的主要技术手段 二、课程内容和任务加工原理、现象、规律会选择加工方法、加工参数（定性）现状：全国300多万台机床，主要是普通机床，刀具以高速钢、硬质合金为主。一台机床几千元，而进口一台几十万－－均价 结合加工分类加工机理加工方法示例去除加工电物理加工电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学化学镀、化学气相沉积电化学电镀、电铸热熔化真空蒸镀、熔化镀化学氧化、氮化、活性化学反应电化学阳极氧化热熔化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理离子注入、离子束外延连接加工热物理激光焊接、快速成形化学化学粘接变形加工热流动精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动精密铸造、压铸、注塑分子定向液晶定向精密与超精密加工分类广义的精密加工 精密加工技术的发展：18世纪末期瓦特改进蒸汽机——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm，150年精度提高1000倍20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亚微米加工）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm（纳米加工）50年的时间，精度再提高1000倍20世纪40年代1m60100m、1m、0.1m905m、0.050.005末10.010.001 精密加工与超精密加工的发展图普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份 例：使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm（2nm）。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM——（AtomicForceMicroscope）方便地进行测量。 针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动 测出的三维图像 b）20微米,深度约350nm的凹坑c）4*4微米正方形，四个 零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm几种典型精密零件的加工精度 激光用锥 美国，直径8.4米，浇注成型，激光测量形状误差，用小型研磨头局部修研。在线修整砂轮 芯片在1971年10微米1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米（2001年）、0.11微米一直发展到目前最新的90纳米，而未来则会以80纳米作为一个过渡，然后进一步发展到65纳米。 提高精度的意义可以提高性能、寿命；降低噪音、能耗（汽车、飞机）例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内（卫星制导后可达10米）；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%（发动机工作效率提高,从而导致油耗下降)；齿形、齿距误差从3-4μm减小1μm，附加应力减少、齿轮模数减小、尺寸减小、齿轮箱减小、单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍——齿轮的传动能力提高。汽车的油耗、噪音 提高精度的意义机器小型化：齿轮精度提高可降低尺寸、集成电路、硬盘精度高－储量提高互换性要求：提高互换性－装配自动化－提高装配质量 如何提高加工质量？“进化”原则直接式进化或“创造性”加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产－成品率很低。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。－－蜕化或母性原则 精密与超精密加工特点1.微量切削机理与传统加工不同背吃刀量——切削深度ap小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。 2.特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。3.形成综合制造工艺－－综合技术要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具（刀具等）、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。 4.与高新技术产品有关精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。5.与自动化技术联系紧密广泛采用计算机控制、自适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。6.加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。 精密与超精密加工的关键技术机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）旋转精度—液体静压轴承、空气静压轴承导轨—滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、空气静压导轨微量进给－电致伸缩或弹性变形式 要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01 μm。 2）T形布局车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 刀具材料：金刚石、CBN等刃磨：刃口圆角半径纳米级单晶金刚石笔 精密切削机理：背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。力、热、积屑瘤及对质量的影响规律等 ◆恒温——要求：±1℃～±0.01℃实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）、无人自动加工◆恒湿——要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%实现方法：采用空气调节系统◆净化——要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，◆隔振——要求：消除内部、隔绝外部振动干扰实现方法：与世隔绝、隔振地基，隔振垫层，空气弹簧，隔振器4.精密与超精密加工环境 加工的支撑环境包括：空气环境：洁净度、气流速度、压力、有害气体热环境：温度、湿度、表面热辐射振动环境：频率、加速度、微振动声环境：噪声、频率、声压光环境：照度、眩光、色彩静电环境：静电量、电磁波、放射线 热环境温度变化影响机床的精度：-10℃时机床床身变成中凹形状，35℃时变成中凸形状，翘曲量约10m机床向阳一面比背阳一面温度低10℃，机床也变形温度变化：工件尺寸也变化，内部温度不均匀也影响测量精度，测量必须说明温度另外不同材质的零件配合的精度随温度而变化 20℃标准测量温度实际夏季24℃；春秋季20℃；冬季17℃要求温度波动小：恒温精度有0.2级、0.5级，1级、2级（±2℃）硅片加工的恒温精度0.01 机床和工件的变形：占总误差的40-70%磨削100的零件、温度变化10℃、产生11m1977年，美国加工球面机床、精度0.1m，机床变形控制在0.05m，主轴热伸长0.05m超精密加工的难题之一：超精密温度控制LLL实验室试验结果：油温变化0.056℃，热变形0.19m0.0060.019 减少热变形的措施：减少热源：空气轴承代替液压轴承、减少电动机的发热量、发热件放在机床床身外（如步进电机、激光器放在床身的外侧）采用热膨胀系数小的材料：铟钢、合金铸铁、陶瓷、花岗岩、系数接近零的微晶玻璃使机床长期处于热平衡状态：附加热源，在不工作时，释放热量，保持恒定温度。大量恒温液体喷淋（150L/min) 使用恒温油浇淋前后，附近铝棒（200mm）和空气尺寸的变化 LODTM机床的恒温控制恒温室:铝制框架+隔热塑料板人员不进入机床室恒温空气，流量90m2/min，风机水冷室内空气±0.005℃重要部件用恒温水控温，水温20±0.0005℃主轴的径向和止推轴承中空，水冷水量6.3L/s 振动环境振动对加工的影响：附加一个运动，影响加工质量高频振动不易传递到加工区（工艺系统的减振吸收），低频70Hz以下的影响加工，要求控制其振幅在0.1m 震源：高速运动的部件（电机、主轴）电机、主轴的偏心空气轴承的振荡滚珠丝杆和螺母的不同心导轨运动部件直线运动速度的变化工件的偏心常时震动 对精密和超精密加工构成威胁的是微振动（或称暗振动、常时振动）——频率低、振幅小地球表层任何地点、任何建筑物的地基，都在以微小的振幅不停的振动着，其振幅通常不超过数微米，振动周期一般为0.5S至数秒，常时振动来源：室内振动人员行走设备运转物料搬运室外振动交通运输设备自然界振动：常时微动和风 振动干扰的消除1.内部振动干扰的消除——防振回转件的平衡、提高其加工和装配精度（无间隙）减少传动系统的振动：软带、单带减少液压系统的干扰：油泵单独放置提高加工设备的抗振性：选材、结构 外界振动干扰的消除——隔振选址远离震源辅助设备分开放置隔振地基隔振弹性材料、隔振元件 隔振元器件隔振垫层——橡胶、泡沫板、毛毡、软木隔振器——弹簧隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器等空气弹簧：空气、橡胶和外罩组成空气弹簧技术难度很高：要很软（隔离低频振动、又不摇晃（倾斜时能快速恢复水平）固有频率很低，对微振隔振效果好，结构复杂，造价高 国外超精密加工机床中，大多数采用以空气弹簧为隔振元件的隔振系统，并取得了较好的隔振效果。这主要是因为空气弹簧在具有较大承载能力的同时，具有较低的刚度。弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率，远离环境干扰频率，提高隔振效果。 隔离振源隔振沟、隔振墙（中空）、空气隔振垫空压机（空气轴承用）、泵（冷却水、油）移走水泵（提供恒温水）不直接供水，而是打入水箱，靠水的自重流动地基足够深、周围隔振沟、沟内使用吸振材料地基隔振弹簧（隔振频率不够低、少用） LODTM隔振沟地基、隔墙双层（中间减振材料）、使用四个空气垫（非床底支撑、采用上部支撑）可以隔离频率2Hz的振动，隔振后轴承部件的相对振动振幅仅2nm 提高机床抗振性：很大的床身以降低它的自振频率、DTM-3的床身6.4*4.6*1.5的巨大花岗岩使用振动衰减能力强的材料做作构件人造花岗岩>天然花岗岩>铸铁>钢英国OAGM2500大型精密机床:床身钢焊接结构，中间用人造花岗岩填充，减振性很好 空气环境尘埃尺寸与加工精度相比已经不能忽略如：硅晶体表面的超精加工时，尘埃会划伤加工表面手术室：0.5m以上的微粒5万以上（一立方英尺）洁净度级别的上限浓度见下页表气流速度要低，微正压 级别直径/m(ft-3)0.10.20.30.551357.53110350753010100750300100100010001000010000100000100000 洁净室温度、湿度、微粒、流速、压力、气流分布等对洁净室的要求：发尘量小：不带入（人员、物品）、不产生及时排除尘埃：排气、喷淋、防静电材料供给洁净空气 气流类型乱流型：成本低，效果差（带走粉尘颗粒）层流型：垂直、水平，垂直式从上向下流动，效果好正压控制分层次的局部环境：一层比一层洁净：一般环境、精密环境、超精密环境 局部净化例：计算机硬盘表面涂层高点的铲刮：宝石铲刮头与磁盘的距离0.4m，可以铲刮掉0.4~0.8m的高点，产生的粉尘由流动的空气带走，加工区罩在有机玻璃内。 湿度空气中水蒸气分压力与同温度下饱和分压的比值湿度高（50%），锈蚀、镜头霉斑，冷却水管结露，电路故障，硅晶体表面吸潮、吸附微粒（难清除）湿度太低（30%以下）材料变脆易燃、静电力造成微粒在物体表面吸附，半导体易击穿35~45%为好湿度的波动要小：±10%、5、2、1 其他环境光环境：天然光源照明质量高（天然+人工，提高照度，照度越高，能识别的尺寸越小）静电环境：击穿、颗粒吸附，电击人体——抗静电的材料、涂层噪声环境 精密测量与误差补偿：闭环控制。测量精度比加工误差高一个等级、激光干涉仪、多次光波干涉显微镜、原子力显微镜、隧道扫描显微镜（分辨率0.01nm，能看到原子－0.1nm）1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住（不脱离表面），再搬运到另一个地方放下。 关键技术机床：旋转精度、进给精度（导轨、微量进给）刀具：材料；刃磨精密切削机理：精密与超精密加工环境精密测量误差补偿 **扫描隧道显微测量技术1981，二瑞士人，——获诺贝尔奖可以观察物体表面埃级的形貌还可以移动原子、去除、重组量子力学的隧道效应：而电极的距离缩小到1nm时，由于粒子的波动性，电流会穿过绝缘壁垒电流密度极端敏感，距离减小0.1nm，电流密度增加一个数量级环境：恒温、真空、防振等高测量---电流变化恒电流测量——常用分辨率0.01nm 探针对准某个原子，并非常接近时，针尖可以带动原子移动而不脱离试件表面对准原子，加上电压，可以使原子电离蒸发，去除原子美国用STM进行光刻，0.01m线宽的电路 X射线干涉测量技术二束X射线，其中一束与被测物体联结一体，汇合后产生干涉条纹，被测物体移动，干涉信号变化，可以实现0.005nm的分辨率，位移测量精度0.01nm测量范围0.2mm速度最大值3*10-3nm 原子力显微镜——非导体的测量探针与被测量的表面接近到埃级时，产生原子力，先是吸引力后是排斥力用软弹簧0.01N/m，保证探针与试样的恒距离同时用扫描隧道显微镜测量弹簧的位移分辨率0.01nm 电化学腐蚀断裂的瞬间，切断电流或机械剪切，形成尖峰 被加工材料因素材质均匀性能稳定，无外部及内部微观缺陷化学成分误差在10-2~10-3数量级，不含杂质物理力学性能，强硬度、膨胀系数、热导率等稳定 切削方法切削工具精度Ra工件材料应用精密/超精密车单晶金刚石/聚晶金刚石/CBN/硬质合金/陶瓷1~0.10.05~0.008金刚石:有色金属.其他刀具材料无限制球/磁盘/反射镜精密/超精密铣棱镜精密/超精密镗活塞销孔微孔加工硬质合金/高速钢20~100.2印刷线路板/石墨模具/喷嘴二、精密与超精密切削加工分类 三、精密超精密加工的经济性生产高精度零件的经济性好如大型反射镜、多棱镜、陀螺仪 第一章精密切削加工§1-2精密切削加工机理一、切削变形和切削力1.切削变形过渡切削最小切入深度毛刺与亏缺微量切削的碾压过程 金属切削过程的变形挤压与切削切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。FABOM45°OMFc）切削图3-2金属挤压与切削比较 刃口的圆弧半径远小于切削深度 过渡切削 最小切入深度：刀具能够切除工件材料的最小切削深度等于或小于加工精度、反应精加工的能力取决于刃口圆弧的半径、摩擦系数正交切削：切削刃与主运动方向垂直，垂直屏幕方向没有作用力水平力pzi垂直力pyi刨削加工 水平分力使材料向前流动、切除材料垂直分力将材料压向基体，不能切除材料的运动方向－－能否切除表面材料取决于二力大小比较。力的来源：正压力N和摩擦力F 越小(正压力及摩擦力的方向越偏向下而非偏水平，合力与铅垂方向的夹角越小），合力向下偏当（各点的值不同）足够大时(切削层厚度足够大)，合力的方向就可能变为45°方向 水平力pzi＝垂直力pyi时最大剪切应力为水平，可以形成切屑（找到i点－二力相等的点，就可以得出）min＝－h＝（1-cos）＝45°－（1-cos）约为0.3 min＝－h＝（1-cos）在一定时，刀尖圆角半径越大，最小切入深度增大；反之刀具刃磨的越锋利－－越小，能够切削的最小厚度越小，切削精度提高。直观地：摩擦系数较小，接近0时，角接近45°，min最大。摩擦系数越大，min越小刃口圆弧半径越大，最小切入深度也越大 切入深度大于最小切入深度才能形成切屑左图：切除的金属层厚度不等于理论的切削深度 有没有最小进给量？一个切削周期内，最小进给量小于一定值不会产生切削作用，但进给方向的切削参数是可以累加的。 毛刺与亏缺：降低加工质量（精密加工需要考虑）切削终端处的毛刺和亏缺：刀具前角的大小影响毛刺和亏缺前角小,向下的推挤就越严重，易形成亏缺前角大，塑性材料易形成毛刺,Ra值的30％ 副偏角也影响Ra跳动也影响Ra 滞留在工件边角棱等部位上，超出工件理想尺寸的多余金属材料影响尺寸精度，形状精度，影响精密加工质量的关键因素之一。 毛刺的有害作用降低工件的尺寸精度，形状精度，表面质量影响后续的加工定位降低测量精度影响装配影响操作安全毛刺脱落造成亏缺降低液压件气压传动件的工作效率降低机器的使用可靠性，如电气短路等去除毛刺降低加工生产率 亏缺 上世纪七十年代，开始对毛刺的专门研究 微量切削时的碾压<的范围内，实际前角<0°，挤压摩擦作用强烈切削厚度变化：0～max，接近0时，挤压摩擦作用强烈主切削刃：切削平面内碾压，切削力增加，工件，刀具变形增加轴的半径方向碾压刀尖在轴向碾压，已加工表面残余应力切削力也增加 精密超精密加工的刃口圆弧半径相对切削厚度较大，所以碾压作用更明显，单位切削力增加，工件刀具变形严重，刃口圆弧半径减少，有利于降低切削力刀尖圆弧半径越小也有利于减少残余压应力。 刀尖处的碾压主偏角、负偏角在圆弧段小于理论值、且是变化的－－挤压；切削厚度也是变化的：0～max，接近0时，挤压摩擦作用；碾压在微量切削时作用大、对表面质量影响大；工件变形影响加工精度。 2.切削力18切削力的来源3个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力前刀面上的正压力及摩擦力后刀面上的正压力及摩擦力 FxFy前刀面上的力后刀面上的力合力及合力分解水平及垂直力水平力分解为Fx、Fy切削力的合成与分解 2.切削力的分解主切削力、径向切削力、轴向切削力FyFzFx 2.切削力（为何要把切削加工分成粗加工、半精加工、精加工三个阶段）影响因素切削速度进给量切削深度刀具材料工件材料 2.切削力影响因素切削速度无积屑瘤时－使用切削液、或速度很低、很高对硬质合金刀具：刃口圆弧半径大，前刀面受力小（切屑不流经前刀面，与前刀面没有挤压变形及摩擦）；刃口圆弧对工件的挤压为主；切削速度对切削力影响小 对金刚石刀具：刃口圆弧半径小，前刀面受力较大，切削速度增加，前刀面受力减小，总切削力减少。 刀具不锋利时，切削速度对切削力的影响很小；刀具锋利：切削速度增加，切削力降低；刀具越锋利，切削力越小 有积屑瘤时：低速时，积屑瘤高，切削力大，速度增加，积屑瘤高度降低，切削力降低。与常规切削加工相反。常规切削加工：积屑瘤高，切削力小。 常规切削加工积屑瘤对切削力的影响 积屑瘤成因－◆一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接◆粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化积屑瘤形成过程滞留—粘接—长大积屑瘤对普通切削加工的影响◆增大前角，保护刀刃－－粗加工◆影响加工精度和表面粗糙度 精密切削加工时，积屑瘤造成实际：刃口半径增加，切削深度增加，摩擦严重－积屑瘤粗糙、摩擦系数大精密加工：不允许积屑瘤产生，使用切削液 为何低速干切硬铝，表面粗糙度值大？积屑瘤高度大 切削力0.01N进给量f(mm/r)0.010.020.040.100.20Fz610355096Fy径向24285870Fx轴向主偏角小Fx小671113进给量对切削力的影响(硬质合金刀具)Fz随进给量的增加明显当进给量小时，FzFy对Fz影响大 2.切削力影响因素进给量增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能<径向切削力（进给量小时，挤压为主）金刚石刀具：主切削力Fz>径向切削力Fy（刃口半径小，碾压轻）精密切削时，进给量远大于切削深度，所以进给量对切削力的影响远大于切深一般主切削力最大 切削深度对切削力的影响(硬质合金刀具)切削力0.01Nap(mm)0.0020.0040.0080.0160.032Fz15375267Fy径向2527333739切削力0.01Nap(mm)Fz>Fy0.0030.0060.0100.0200.030Fz1017264550Fy径向23579切削深度对切削力的影响(金刚石刀具)对Fz影响大对Fz影响大 2.切削力影响因素切削深度增加，力增加；硬质合金刀具：对主切削力影响大主切削力可能<径向切削力（切削深度小时，挤压为主）金刚石刀具：主切削力>径向切削力（刃口半径小，碾压轻）一般主切削力最大，但精密切削时，当切削用量与刃口半径比小时，主切削力可能<径向切削力此外，一般切削加工，切削深度对切削力的影响大，但精密切削时，进给量远大于切削深度，所以，进给量对切削力的影响大于切削深度。 锋利的车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刃口半径越小，刀刃越锋利，切削力越小。背吃刀量很小时，刃口半径增加，切削力增加更显著。背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变形已经占到总切削变形的很大比例，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。背吃刀量很小的精切时，应该采用刃口半径很小的的锋利金刚石车刀。刀刃锋锐度对切削力的影响 刀具锋锐度对加工表面残余应力的影响刃口半径越小，残留应力越低背吃刀量越小，残余应力越小；但背吃刀量减小到一定临界值时，背吃刀量越小，残留应力越大 传统切削加工对切削力影响的大小：apfv精密加工：f的影响大（ap影响小，f的绝对值比ap大得多）精密加工：当切削用量与刃口圆弧半径比较小时，主切削力Fz可能小于吃刀抗力Fy－－非金刚石刀具 2.切削力影响因素刀具材料、刀具结构、工件材料金刚石刀具：切削力小原因：刃口半径小，碾压轻；与被切削材料摩擦力小其他刀具：切削力较大 第一章精密切削加工二、切削热和切削液切削热：刀具磨损、生产率、加工质量切削热的来源：变形（弹、塑性）及摩擦切削温度：切屑、工件、刀具接触面的平均温度。精密切削：刀尖受力大，温度高 工件切屑刀具切削热的来源与传出 常规加工切削温度及分布★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖处温度最高。★切削脆性材料——后刀面靠近刀尖处温度最高。750℃刀具温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s； 精密加工时，刀尖受力很大、温度最高。因为：工件材料的变形不依靠位错的移动，而是晶面的整体移动，变形抗力很大，接近晶体的理论强度 二、切削热和切削液切削热的影响及控制热变形误差占总误差的50％左右如100mm的铝件，温度变化1℃，产生尺寸变化2.25m。而精密加工的精度要求可以达到0.1m，所以要求温度变化很小。±0.05℃（0.1÷2.25）生产中采用切削液控制温度、此外刀具角度及切削用量也影响切削温度切削液的冰水冷却、多层恒温系统、加工前的恒温、加工过程中的冷却 切削液及作用 精密加工的切削液：豆油、橄榄油、煤油、氯化石蜡、二烷基二硫化磷酸锌、酒精等－渗透、吸附－减少摩擦形成物理膜－豆油较好化学吸附膜－氯化物、硫化物等－可能与刀具反应，降低刀具的表面质量－降低加工质量吸附膜不完整作用：除降温、润滑、清洗、防锈外，精密切削还有以下作用：抑制积屑瘤降低、稳定温度，提高加工质量、降低摩擦，减少切削力减少刀具磨损，提高刀具耐用度 三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度难点：晶面的确定（哈工大激光方法测量）、刃磨、测量刀具磨损形式/主要是：机械磨损、粘结磨损、相变磨损、马氏体变为珠光体扩散磨损、碳化磨损、破损(晶面解理劈开) 金刚石刀具：机械磨损、破损(晶面解理劈开)碳化磨损（很少）1、机械磨损：硬质点、切屑磨损刃口圆弧半径增加－成为斜面副后刀面上的阶梯磨损前刀面上的磨损凹槽机械磨损及微观破损，机理都是微观的解理断裂 金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带零件工作中的磨损，和磨削加工中的磨损有何不同？ 金刚石刀具的耐用度与切削速度无关 金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合由于实际测量不便，所以金刚石磨钝的标准是工件的表面质量能否达到要求。 后刀面前刀面*10000倍金刚石刀具的加工质量最好 直线刃刀具副后刀面的阶梯磨损 前刀面的磨损：加工Al合金，100km切削距离，前刀面磨损0.1微米比例尺不同 20km后，Ra仍在0.01m以下，加工质量很高美国LLL实验室的试验 单晶金刚石车刀 三、金刚石刀具磨损、破损及耐用度2刀具破损－－冲击、振动加工裂纹－疲劳破坏－破损碎裂：－－冲击、振动(精密机床)解理：密排面间的断裂，（100）晶面作前后刀面好 ◆金刚石刀具精密切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，（100）晶面L4（100） 金刚石晶体的面网距和解理现象◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图）图（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。◎在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。 （二）常见的晶格类型 金刚石刀具刃磨—通常在铸铁研磨盘上用金刚石粉进行研磨－预加工—晶向选择应使晶向与主切削刃平行—圆角半径越小越好（理论可达到1nm）刃磨和晶向选择二个难点单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000图金刚石刀具角度 天然圆弧刃金刚石刀具是加工球曲面、非球曲面零件的重要工具,由于金刚石各向异性,使圆弧刃刃磨技术成为金刚石刀具制造中的难点和关键。直线刃，刃磨容易，对刀难，国内用的多 单晶金刚石在小刀头上的固定方法主要有：机械加固法(将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上)；粉末冶金法(将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上)；粘结和钎焊法(使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石)。 表1金刚石的物理性能物理性能-数值硬度10000，随晶体方向和温度而定抗弯强度-210～490MPa抗压强度-1500～2500MPa弹性模量-(9～10.5)×1012MPa热导率-8.4～16.7J/cm·s·℃质量热容-0.156J/(g·℃)(常温)开始氧化温度约630℃开始碳化温度650℃(在惰性气体中)和铝合金、黄铜间的摩擦系数-0.05～0.07(在常温下) 天然金刚石：透明（贵）、半透明、不透明无色、浅绿、浅黄、褐色（硬度最高） 金刚石刀具适合切削的材料 金刚石超精密加工技术应用用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） 金刚石车床加工4.5mm陶瓷球精密与超精密加工技术图金刚石车床及其加工照片 加工4.5mm陶瓷球 3.磨损对加工质量的影响：金刚石刀具机械磨损很微小、刀具表面保持很光滑，对加工质量影响很小。磨损不到0.1Ra基本不变，在0.08左右 磨料磨损时的情形修光刃 4.刀具磨损三阶段：初期、正常、急剧磨损 金刚石刀具的正常磨损：硬度高，磨损均匀，细长而光滑的磨损带 金刚石刀具的剧烈磨损：表面粗糙使用时间超过合理磨损极限合 磨钝极限：工艺磨损极限：根据加工质量确定合理磨损极限：根据磨损量确定耐用度：金刚石刀具耐用度：切削路程的长度表示几百公里避免振动、冲击等造成崩刃－－细小的崩刃超硬刀具 第一章精密切削加工§1-3精密切削加工机床及应用一、精密机床发展概况二战后、美国、导弹、核技术，早在20世纪50年代末，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。 正在进行加工的Nanosys300非球面复合加工系统 1984年:大型光学金刚石车床(LargeOpticsDiamondTurningMachine，LODTM)，至今仍代表了超精密加工设备的最高水平，该机床可加工直径为2.1m，重为4.5t的工件。采用高压液体静压导轨，在1.07m×1.12m范围内直线度误差小于0.025μm(在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到)，位移误差不超过0.013μm(激光干涉仪来测量和反馈控制达到)，主轴溜板运动偏摆小于0.057″(通过两路激光干涉仪测量，压电陶瓷修正来实现)。激光测量系统有单独的花岗岩支架系统，不与机床联结。油喷淋冷却系统可将油温控制在（20±0.0025）℃。采用摩擦驱动，运动分辨率达0.005μm。最终可实现加工大型光学零件直径达1.4m，面形精度为0.025μm，表面粗糙度Ra≤5nm。 进入80年代后，随着民用光学应用范围的扩大，超精密加工技术在民用行业得到了应用。高精度、高效、大型、微型化发展中国，60年代开始，8/90年代出成品、欧美国家开始解禁 超精密机床的特征高精度：高静态精度，高动态精度。包括几何精度、定位精度、重复精度及分辨率高刚度：静态刚度、动态刚度、接触刚度工件、机床、刀具夹具等整个工艺系统的刚度高稳定性：保持精度、耐磨性、抗振性、热稳定性等高自动化：质量的一致，人为干扰的减少 1、按加工方法分：超精密切削机床超精密磨削机床超精密研抛机床超精密特种加工设备2、按通用化程度分：专用超精密加工机床通用型超精密加工机床 超精密切削机床：采用天然金刚石刀具加工软金属材料超精密磨削机床：加工黑色金属及硬脆的陶瓷、半导体材料超精密研抛机床：机床的精度不高，依靠特殊的原理方法加工，如弹性发射抛光、磁性抛光等超精密特种加工机床：加工难加工的材料和形状，微细加工等 §1-3精密切削加工机床及应用二、精密机床的精度指标主轴、导轨、进给驱动三方面普通机床：径向跳动导轨直线度0.01mm、0.02/1000mm精密车床：0.003mm(3μm)0.01mm/1000mm超精密车床：0.5μm0.25μm/250mm 实用机床实验机床近期目标回转精度500nm、25nm10nm直线运动精度250nm/250mm25nm/250mm轴承刚度103~9N/m104~9N/m热变形量1~10μm25nm2.5nm温度控制精度0.2k0.01k0.001k负荷测量精度10-2N10-3N尺寸精度20~1000nm5nm0.5nm分辨率超精密机床的精度指标 精度指标/等级210-1-2零件尺寸精度2.51.250.750.500.25圆度0.70.30.20.120.06圆柱度1.250.630.380.250.13平面度1.250.630.380.250.13粗糙度0.20.070.050.030.01机床主轴跳动0.70.30.20.120.06运动直线度1.250.630.380.250.13精密机床精度等级和指标 零件精度要求与机床精度关系机床回转精度为零件的1/4、机床运动精度与工件形状精度接近圆度与径向跳动；圆柱度与导轨直线度零件粗糙度为尺寸精度的10％左右机床回转精度的约1/4 超精密加工机床的关键部件超精密主轴超精密床身超精密导轨超精密运动驱动部件超精密微量进给装置超精密运动检测系统超精密数控系统 第一章精密切削加工§1-3精密切削加工机床及应用三、精密主轴部件液体静压轴承主轴空气静压轴承主轴主轴的驱动方式静压轴承的原理：轴颈和轴承被外界供给的一定压力的承载介质完全隔开，从而减低轴颈和轴承间相对摩擦、振动 内腔用电火花共轭回转加工浅槽用离子束加工 液体静压轴承主轴 径向轴承止推轴承真空吸盘液体静压轴承主轴压力0.6-1.0MPa 主轴实物 液体静压轴承优点：无固体摩擦摩擦力小、运动平稳无振动（滚动轴承有误差－－振动）刚度和承载能力强—变形、振动小，保证加工质量液体静压轴承的缺点：油温升高，（速度变化，温升也变化）主轴热变形－－强制冷却（对油和轴承冷却）油内气泡会降低轴承的性能－－加大压力6-8MPa 气体静压轴承 气体静压轴承：回转精度高、运转平稳、振动小无固体摩擦，摩擦小、温升小使用寿命长,可以在极高和极低的温度、速度下,以及辐射环境中工作,因此在航空、航天领域以及精密测量和惯性测试设备上得到广泛应用。 单边间隙6-15m空气静压轴承的缺点：刚度和承载能力差－－可以满足超精密加工；多孔质气体静压轴承能明显提高轴承的承载能力 轴承轴承进气口定位环旋转变压器无刷电机外壳轴多孔石墨气浮面球形，自动调心，前后轴承的同心度很高胶结多孔石墨：较高的承载能力和静态刚度、更优越的阻尼特性和稳定性等优点空气静压轴承主轴 球轴承：起止推轴承及径向轴承的作用带轮径向及止推轴承电磁联轴器径向轴承轴球轴承 超精密空气静压轴承主轴 水静压轴承与油静压轴承相比，发热较小，适合于高速运转，而且没有污染，特别适合硅片加工等行业。 超精密机床主轴和轴承的材料材料选择的原则考虑不易磨损偶尔的不通气会发生接触转动，材料不易腐蚀生锈空气轴承无润滑剂，工作空气干燥，但不工作时潮湿空气会进入材料要稳定且线膨胀系数小温升仅1-2-3℃，仍然会影响正常工作精度，主轴和轴承应选用线膨胀系数小，接近的材料，且可以用恒温油喷淋降温。制造空气主轴和轴套的材料：38CrMo 超精密机床主轴和轴承的材料材料选择的原则考虑不易磨损，偶尔的不通气会发生接触转动，材料不易腐蚀生锈，空气轴承无润滑剂，工作空气干燥，但不工作时潮湿空气会进入材料要稳定且线膨胀系数小温升仅1-2-3℃，仍然会影响正常工作精度，主轴和轴承应选用线膨胀系数小，接近的材料，且可以用恒温油喷淋降温。制造空气主轴和轴套的材料：38CrMoAl，表面氮化、低温稳定处理不锈钢多孔石墨和轴承钢 轴向轴承径向轴承电机径向轴承轴向轴承利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。高速、真空、超净等特殊环境 放大器电磁铁（定子）传感器转子磁悬浮轴承工作原理旋转精度不高，欧美不用控制器 主轴的驱动方式电动机－带传动驱动电动机－柔性联轴器驱动内装式同轴电动机 电动机－带传动驱动－无接缝丝带动平衡、无齿轮（减少振动）、直流或变频电机调速早期的驱动方式带轮径向及止推轴承电磁联轴器径向轴承轴球轴承 电磁联轴器电动机－柔性联轴器驱动（如电磁联轴器－减少振动）－电机、主轴同轴线；回转精度高、超精密机床用柔性联轴器可以消除安装误差引起的振动和回转误差电机严格的动平衡应用最多 电磁联轴器 轴承轴承进气口定位环旋转变压器无刷电机外壳轴多孔石墨内装式同轴电动机：定子－主轴箱；转子－主轴空气轴承、无刷电机（减小摩擦振动）、电机强制冷却无丝带、无联轴器 无刷电机是利用位置传感器感应到转子的具体位置，然后控制触发电路，依次触发均匀分布于定子上的由晶体管控制的多相绕组（一般为三相），使之产生类似于“旋转磁场”的动磁场，在转子上产生感应电流后使之产生转矩。 电机无轴承，依靠主轴的空气轴承支撑；主轴采用水冷却 第一章精密切削加工四、床身和精密导轨部件机床要求：高稳定性各部件尺寸稳定尺寸稳定性好的陶瓷、花岗岩、铟钢、合金铸铁零件要消除应力、时效、冷处理、缓冷刚度高、变形小、抗振减振运动件的位置的变化（如刀架）、工件的装卸、受力的变化——变形——要求高刚度接触面接触良好、接触刚度高，变形小 1.材料/优质耐磨铸铁、花岗岩优质耐磨铸铁：膨胀系数小、耐磨、减振、易生锈花岗岩（多用）：稳定性、膨胀小、耐磨（硬度高）、减振、耐腐蚀吸潮变形（岩石）、加工困难（铸石）人造花岗岩：树脂黏结花岗岩颗粒，可以浇筑成型，吸潮性小，减振更好氧化铝陶瓷、合金铸铁、铟钢、零膨胀玻璃。 花岗岩由石英、长石、云石等组成大理石又称云石（云南大理石），是重结晶的石灰岩，主要成分是CaCO3 CF5日本新型铸铁普通FC20铸铁 新型铸铁的性能 四、床身和精密导轨部件2.导轨结构形式：滚动导轨速度低，振动小液体（气体）静压导轨、气浮导轨滚动导轨：直线滚动轴承、再循环滚动组件(滚柱、滚珠——滚道凹陷提高承载能力12倍） 滑动摩擦导轨的特点：结构简单接触刚度大摩擦阻力大磨损快易产生爬行（周期性时停时走或时慢时快的运动现象）滚动摩擦导轨的特点：摩擦系数小定位精度高（可微小的位移）磨损小，寿命长，润滑简便结构较复杂，加工较困难，成本较高对脏物及导轨误差敏感 速度 1）滚动导轨 再循环滚动导轨块 第一章   精密切削加工预紧螺钉：保证侧面导向准确①滚动摩擦导轨 2）静压摩擦导轨特点：摩擦系数很小没有磨损承载能力大，刚度好摩擦发热小抗振性好，液体可压缩结构复杂 第一章   精密切削加工液体静压导轨（进给速度比主运动低、适用）刚度高、承载能力强、运动精度高、平稳无爬行平面型：多用双圆柱型（二圆柱的平行度低）液体静压导轨 气浮导轨：高压空气使得运动件浮起，承载能力强－－导轨要自重大 空气静压导轨上下左右都有高压空气，刚性好高压空气工作台导轨底座气浮导轨、空气静压导轨：很高的直线运动精度、平稳，摩擦接近零，不发热，应用广泛空气静压导轨是目前最好的导轨，但若不能保证防尘条件，则须改用液体静压导轨 第一章精密切削加工五、进给驱动系统精密数控系统滚珠丝杠副驱动液体（空气）静压丝杠摩擦驱动微量进给装置 第一章精密切削加工五、进给驱动系统精密数控系统需要纵向和横向的双坐标精密进给联动精密回转工作台，其上的金刚石刀具始终垂直被加工的曲面，减少圆弧刃刀具可能带来的误差分辨率很高（国外禁运，买不到）单脉冲移动量0.01m，闭环控制－－加工高精度的空间曲面直流或交流伺服电机、精密的双频激光测量系统 正在进行加工的（三零三所研制的）Nanosys-300Nanosys300非球面复合加工系统 2.滚珠丝杠副驱动：丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动丝杠的螺纹槽精密磨削 滚珠螺杆支撑座)滚珠丝杠轴承 2.滚珠丝杠副驱动可以实现微进给启动力矩极小,不易出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性已有标准的产品，选用方便 2.滚珠丝杠副驱动摩擦小，滑动丝杠副的1/3需注意爬行，注意微小振动要求正反转无回程间隙，有一定的预载过盈螺距误差0.5～1μm，累积螺距误差3～5μm/300μm不同位置的预应力不同；预紧力太小有间隙，太大卡死；都有激光检测反馈消除累积误差，但螺距误差造成丝杠副松紧程度变化，进给运动不稳定（丝杠和螺母的配合松紧有变化），仍有相当多的超精密机床使用。 滚珠丝杠传动副的联接丝杠——伺服电机螺母——工作台（溜板）相连螺母和工作台可以柔性联接，以减少滚珠丝杆径向和轴向跳动对导轨直线度的影响，螺母和工作台采用柔性过度，柔性联接过渡块在导轨直线运动方向刚度很大，而和直线运动方向垂直的方向的刚性很低，滚珠丝杠的跳动被柔性过渡块吸收。 静压丝杠丝杠与螺母由于不直接接触，而是有一层高压液体膜或气膜相隔，所以没有由于摩擦而引起的爬行和反向间隙，因此可以长期保持精度，进给分辨率更高；又由于油膜具有均化作用，可以提高进给精度，在较长的行程上可以达到纳米级的定位分辨率。运动平稳。但是静压丝杠装置较大，结构复杂，且必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，另外还存在环境污染问题。应用较少。液体丝杠副的间隙大些、气体丝杠副的间隙小 3.空气静压丝杠：运动平稳、刚度低；变向时有空行程(可压缩）；进给精度高，维护容易，加工难3.液体静压丝杠：进给精度高，运动平稳、装置大，辅助设备多和维护难，油污染 五、进给驱动系统4.摩擦驱动使用效果优于滚珠丝杠 精度高，结构简单。需要适宜的预压和管理一个重要问题是预压，若预压力过小，则接触面有可能产生滑动；若预压力过大，由于弹性变形，则很难实现正确的驱动。另外由于预压力的存在，还容易产生磨损问题。 技术难点：超精密机床在精切时，导轨的运动速度极低，摩擦轮直径很小，结构设计很难二个摩擦轮最好都采用静压轴承，结构体积较大，设计难度高目前国外大型超精密机床采用摩擦驱动，导轨直线运动精度高，运动平稳。 各种进给机构特性种类优点缺点精度进给丝杠滑动丝杠制造容易，但需研磨，需注意爬行经仔细研磨加工后定位精度为0.01μm前工序加工需达到0.1滚珠丝杠已有规格化需注意爬行，注意微小振动最高可达0.01μm前工序加工需达到0.1液体静压丝杠精度高，装置大，辅助设备多和维护难，油污染相当好的定位精度：0.01μm，通常是0.03μm气体静压丝杠精度高，维护容易加工难0.01μm摩擦驱动精度高，结构简单需要适宜的预压和管理当前的目标是0.01μm 5.微量进给装置作用：进给（更主要的是切深方向）误差补偿加工曲面0.001~0.01m（1-10nm） 设计要求：精微进给和粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨力和稳定性运动部分必须是低摩擦和高稳定性的，以便实现很高的重复精度末级传动元件必须有很高的刚度、即夹持金刚石刀具处必须是高刚度的为了进给机构内部连接可靠、尽量采用整体结构或刚性连接，否则为了进给机构很难实现高的重复精度工艺性好，易制造。进给机构本身各部分的精度，应是能够制造的精度微量进给机构具有很好的动特性，即具有很高的频响。能自动控制 第一章精密切削加工微量进给装置机械传动或液压传动弹性变形式：成熟技术热变形式流体膜变形式磁致伸缩式电致伸缩式：成熟技术，应用最多 稳定可靠、重复精度高，适合手动分辨率0.01m，重复精度0.02，最大行程20m，刚度70N/m。变形与切削力有关，弹性元件要求足够的刚度 电致伸缩式传感器微量进给装置三大关键技术：电致传感器、微量进给装置的机械结构、驱动电源传感器材料：压电陶瓷有逆压电效应——电致伸缩效应变形量和电场强度的平方成正比，和表面的电荷量成正比 优点：能实现高刚度无间隙的位移能实现极精细的微量位移，分辨率1~2.5nm变形系数较大——足够的变形很高的频响，响应时间100微秒没有空耗电流发热问题 陶瓷片一侧通正电，一侧通负电，陶瓷片变长，电压大，伸长量大为增加总伸长量，多片陶瓷叠加二片一对，中间通正电，二侧通负电。四川研究所的传感器：耐压强度低、会蠕变美国生产的新型陶瓷性能最好 动特性好（加工非轴对称工件），可自动化电压增加，长度增加二片一组、中间接正电、二边接负电；多片叠放获得需要的运动量。 电压变化时变形量滞后变形与极性无关；也有滞后，但很小 电致伸缩式微量进给装置的机械结构要求：刚度较高，自振频率高大于300Hz（反应不能太慢）；位移时无摩擦 外侧面：薄壁，开孔，开槽－刚性低，易随电致伸缩传感器变形 美国LLL实验室的微量进给装置位移部分380g，分辨率2.5nm，最大位移±1.27m/100v 英国公司超精密机床的微量进给装置 整体结构的电致伸缩微量进给装置整体结构——避免装配接合面的接触刚度对位移精度的影响。传感器后端有调节螺钉——预紧钢球——保证传感器二端受力平行使用15cm长度的美国AVX公司电致伸缩传感器，分辨率0.01，最大位移5.2，系统在200Hz下正常工作。 电致传感器的电源良好的动特性、高度的稳定性、和极小的波纹系数波纹系数:直流电中交流分量和直流电压之比称为波纹系数,多用来衡量滤波品质. 波纹电压 铁电材料：其最基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，伴随产生尺寸变化对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷－水晶 **§1-4在线检测与误差补偿技术一、概述保证零件加工精度的途径蜕化（母性）原则——机床的精度高进化（创造性）原则——误差补偿（机床精度低于工件)在线检测、误差补偿技术：双频激光随机检测系统，闭环控制测量误差小于0.1m 在线检测（主动检测、动态检测）能连续检测加工过程的变化——补偿检测结果能反映实际加工过程中的状态（如工件的热变形的大小）技术难度高特点：非接触式——电容测距离、圆度；激光测距、角度；红外线（测温）自动化检测（信号采集、处理、反馈） 测量技术的发展：高精度的测量方法和仪器：激光0.01nm、X射线干涉仪、扫描隧道显微镜0.001nm、和原子力显微镜、精密测角仪0.01″电容式传感器：分辨率0.1nm，精密在线自动测量技术：三坐标测量机（FMS）测量数据的自动采集处理技术 精密测量的环境条件：恒温：标准温度20℃，隔振条件：避免振动带来的误差气压、自重、运动加速度和其他1m的钢棒真空长0.3m100mm长的钢棒垂直放置短0.002m在线测量时，运动加速度影响尺寸、形状 量具材料的选择：根据材料的热膨胀系数选择恒温室内：用小膨胀系数的材料车间内：材料与被测材料的热膨胀系数相近（量块常用淬火轴承钢，硬质合金反而不好）根据材料的稳定性和耐磨性选择用GCr15制造的量具，硬度高、耐磨。但因残余奥氏体的分解，.02m/100mm﹒年用38CrMoAl尺寸稳定 分光镜分激光为两路，分别测量纵向、横向的进给。 布局：主轴箱装在纵溜板上做Z方向的运动，刀架装在横溜板上，作x方向的运动分辨率0.01激光器安排在花岗岩床上的后侧面，反射镜随溜板运动， 图7-34双频激光测量系统 激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量（扫描隧道显微镜做不到），在线测量，并易于实现测量自动化。激光在线测量精度目前可达0.01μm----10nm激光测量 二平动+转动 三坐标测量机用激光位移测量系统分光镜分激光为三路实现加工、测量的自动化（在FMS柔性制造系统中装备较多） 几十秒内可以完成粗糙度的测量，并画出形貌 美国LLL国家实验室LODTM对于大部件的运动，为防止歪斜，用多路激光测量其运动大溜座1.8吨、刀座200kg，氦氖激光器7路双频激光测量系统可以得到刀尖的空间精确位置，反馈、提高加工精度 哈工大：电容传感器检测误差－－误差补偿可以减少误差20-40% **§1-5典型精密与超精密机床1、UnionCarbide公司的半球车床1962年，100半球，精度±0.06m，Ra0.025m空气轴承主轴：回转精度0.125m 主轴刀架刀架轴主轴径向、轴向工件进气孔止推板调整螺钉外壳空气轴承 径向—推力空气静压轴承主轴 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承结构简单，前后径向轴承的同轴度、径向与轴向轴承的垂直度要求很高，制造工艺水平很高多孔石墨轴衬代替输入空气的小孔节流，在没有高压空气的时候，主轴和轴套不会咬死。多孔石墨组织均匀，各处透气率相同，制造技术难度很高 2、Ex-Cell-O公司的2m镜面立车1976，空气轴承、主轴回转精度约0.1m轴向圆跳动0.15m，2000r/min，8小时，温升5.6℃加工激光核聚变所用的金属反射镜主轴回转精度约0.1m径向轴承圆弧状，自动定心 3、美国LLL实验室DTM-3大型精密车床1983，纳米级位移、流体温度20±0.0006℃，空气温度20±0.005℃p25图数控系统激光测量静压轴承摩擦驱动进给压电微量进给精密温度控制流体温度控制DTM－3及LODTM最先进的大型金刚石精密车床 加工光学零件的大型光学金刚石车床（LODTM——LargeOpticalDiamondTurningMachine）造价1300万美元加工最大直径1200mm最大重量4500kgLODTM由美国国防部高等研究计划局投资，LLL实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制 空气隔离垫需要自动找水平的控制系统，检测其水平变化，通过改变气垫内的压力实现。技术难度很高。 中小型a方案，LODM采用b方案（机床重心低，刀具受外界振荡影响产生的振幅小） 4、美国Pneumo公司的MSG-325型超精密车床T形布局，主轴下有导轨，作Z向运动，刀架溜板作X向运动，二个方向的运动互不影响空气主轴的径向跳动，轴向跳动小于0.05空气主轴的径向跳动，轴向跳动小于0.05花岗岩床身、溜板、床身7t的2m*1.2*0.6的花岗岩，气浮导轨滚珠丝杠、分辨率0.01的双坐标精密数控系统驱动双频激光检测位移，闭环控制精密的圆弧刃刀具，加工非球曲面反射镜 英国1991年OAGM2500大型超精密机床5.英国OAGM2500大型超精密用于X射线天体望远镜的大型曲面反射镜的精密磨削和坐标测量。有高精度回转工作台；由精密数控系统驱动；导轨采用液体静压，磨轴头和测量头采用空气轴承床身结构高刚度、尺寸高度稳定，有很强的振动衰减能力。 6、日本TOYOTA公司的AHNIO车削、磨削精密机床加工非球曲面、可车铣磨，加工钢制模具形状精度0.05m，Ra0.025刀架可x前后、y上下二向移动，工作台可转动，刀尖放大显示在屏幕上 刀架磨头主轴 机床主轴由空气轴承支承，砂轮轴转速为100000r/min，采用激光测量反馈系统，直线移动分辨力为0.01μm，定位精度全行程0.03μm，工作台B轴回转分辨力为1.3"。 日本以微电子、光电子、民用光学设备和通讯设备制造为背景，大力发展中小型超精密加工机床，和美国并驾齐驱多功能和高效专用机床以及微电子、家电领域处于领先地位。 §1.6超精密切削加工简介精度0.01m（0.1以下），Ra0.01m一、超精密切削加工发展概况与应用20世纪60年代军事：导弹火控系统、精密雷达、哈勃望远镜、激光核聚变系统、惯导级陀螺民用：高密度磁盘、磁头、超大规模集成电路精密机床、精密仪器、录象机磁头、复印机磁鼓、煤气灶转阀等都要采用超精密加工技术要求：机床、刀具、检测、误差补偿、加工环境 二、超精密切削加工的特殊性1、切削层极薄，切削速度对金刚石刀具的磨损影响小主运动的转速避免机器共振，低、高速都可以得到高质量。避免积屑瘤：很低、或高速可以径向切削力往往大于主切削力2、工件材料的成分、组织、性能对加工质量影响大组织不均匀、晶粒粗大、与金刚石刀具亲和力大、残余变形、残余应力对加工质量产生影响 材料对超精密加工的影响：表面出现不纯物，造成不规则的空穴和划伤结晶的晶界出现阶梯加工工件有残留变形和应力对金刚石刀具有亲和力措施：高纯度合金元素（如99.99%Al）高真空冶炼高速冷却长时间再结晶退火 §1-7精密与超精密切削技术应用一、磁盘基片的精密切削飞行高度0.3m，要求Ra0.015以下，加工方法：研磨、抛光、超精密车削玻璃—铝合金，表面涂磁粉车床床身为花岗岩，变形小，减振好；主轴采用空气轴承，带传动导轨：空气静压导轨磁性联轴器、内装电机主轴——减少振动喷淋控温 切削工艺：切削速度：500m/min以上，太低易产生积屑瘤，进给量小，质量好，f小于0.02mm/r切削深度：0.01mm冷却润滑：喷煤油20±2℃真空吸盘夹紧 二、光学元器件的精密切削 玻璃材料采用研磨，生产率低有色金属或塑料，可以车削二个主轴：一个可以夹持工件精确分度，另一个带动车刀切削，空气轴承镜面粗加工用聚晶金刚石刀具，精加工用单晶金刚石刀具 平面镜的切削 三、晶须铝基复合材料的加工聚晶金刚石刀具切削效果较好四、陶瓷材料的精密切削易产生微裂刀具磨损严重 日本球形反射镜的加工 精密加工的零件 精密加工的实物 微细加工概述1.精密机械仪器仪表零件的微细加工2.电子设备微型化和集成化的需求3.大规模集成电路的制作技术 六英寸的飞机 44克的小飞机 六英寸直升机（HR-1)_1 微型涡喷发动机_1 微型涡喷发动机_2 大小：5×5×10mm 微细加工方法 微型马达，轴径0.1mm，转速1200 微型齿轮，外径0.1125mm 微细加工的概念微细加工技术是指微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来说，微细加工包括：切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等。从狭义的角度来说，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，是大规模集成电路和计算机技术的基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。在微细加工时，由于加工尺寸很小，精度是用去除材料大小的绝对值来表示，引入了加工单位尺寸的概念。加工单位尺寸简称加工单位，它表示去除材料的大小，例如：原子加工单位表示能去除一个原子。 微细尺寸加工和一般尺寸加工的不同点1.精度的表示方法一般尺寸加工时，精度是用加工误差与加工尺寸的比值来表示的。在微细加工时，精度是用尺寸的绝对值来表示的。2.微观机理一般加工允许的吃刀量比较大，切屑比较大；微细加工，由于强度和刚度都不允许有大的吃刀量，切屑很小。当吃刀量小于材料晶粒直径时，切削就得在晶粒内进行。3.加工特征一般加工多以尺寸、形状、位置精度为加工特征，微细加工却以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。 微细加工的特点1.微细加工和超微细加工是一个多学科的制造系统工程2.微细加工和超微细加工是一门多学科的综合高新技术3.平面工艺是微细加工的工艺基础4.微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密5.微细加工技术和精密加工技术的互补6.微细加工检测一体化 微细加工的机理一、微切削去除机理微细切削去除时，为保证工件尺寸精度要求，最后一次的表面切除层厚度必须小于尺寸精度值。由于工件尺寸小，切屑必须很小，因此吃刀量可能小于材料的晶粒大小，切削就在晶粒内进行，这时称之为微切削去除。在微切削去除时，切削力一定要超过晶体内部的分子、原子结合力，刀刃上所承受的剪切力非常大，产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度极高，因此要求采用耐热性高、高温硬度高、耐磨性强、高温强度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金刚石。由于材料内部存在许多的微观缺陷，在微切削去除时，当应力作用的区域在某个缺陷空间范围内，则将以与该区域相应的破坏方式而破坏。而且必须达到破坏所需的加工能量 二、原子、分子加工单位时的加工机理用加工单位为0.1nm的微细加工方法进行加工－原子、分子加工单位的微细加工方法。从加工机理来看，微细加工可分为：分离、结合、变形三大类。分离加工：又称为去除加工，是从工件上去除一部分材料的加工，又可分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工。结合加工：利用物理和化学方法，将不同材料结合在一起。按结合的机理、方法、强弱等，又可分为附着、注入、接合三种。典型的方法有电镀、蒸镀、氧化、渗碳等。变形加工：又称为流动加工，利用力、热、分子运动等手段，使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。不长生切屑，典型的加工方法是压延、拉拔、挤压等。 大规模集成电路的制作技术：外延生长：基片上通过气相沉积，厚度10m氧化：绝缘氧化膜，热氧化的方法光刻：形成图形形成扩散层：p、n半导体区真空镀膜：形成电路 微细加工：1、分离加工：切削、磨料加工、特种加工①切削：等离子切割、微细切削、微型钻削②磨料加工：微细磨削、研磨、抛光、砂带研抛、弹性发射、喷射加工③特种加工：电火花、点解、超声波、三束2、结合加工：附着、注入、结合加工①附着加工：蒸镀、分子束镀膜、外延生长、离子束镀膜、电镀、喷镀、电铸②注入加工：离子束注入、氧化、扩散，激光表面处理③结合加工：电子束焊接、超声波焊接、激光焊接3、变形加工：压力加工、铸造 刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5100-12040-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃600-800℃＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表3-3普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比高速加工刀具 天然金刚石天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。天然金刚石耐热性为700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。3.7.2高速加工刀具 聚晶金刚石人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。3.7.2高速加工刀具 聚晶金刚石应用实例表3-4聚晶金刚石应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果铝合金端铣v=4000m/mimRa0.8-0.4μm共晶硅HRC71车削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km铝合金f=0.1mm/rRa0.8μm，刀具寿命为硬质合金的50倍共晶硅HRC71铣削v=2900m/mim刀具寿命为硬质合金的80倍vf=0.018mm/齿Ra0.8μm玻璃纤维HRA87车削v=500m/mim刀具寿命为硬质合金的强化塑料150倍，Ra0.8-0.4μm热塑性醋铣削v=4500m/s比硬质合金寿命提高380倍酸盐vf=10mm/minRa=0.8μm高Si-Al铣削v=2200m/mimRa=0.8μm铸造件铝合金钻削v=360m/mim以钻代镗，Ra=0.8μm3.7.2高速加工刀具 较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。◆PCBN切削性能聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年问世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000温度/℃BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN刀具高温硬度高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）3.7.2高速加工刀具 良好的化学稳定性1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000℃才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m·℃，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。3.7.2高速加工刀具 图3-39陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口高速主轴3.7.3高速加工机床陶瓷轴承高速主轴结构 回转精度高，液体静压轴承回转误差在0.2μm以下，空气静压轴承回转误差在0.05μm以下；功率损失小；液体静压轴承转速特征值可达1×106，空气静压轴承转速特征值可达3×106。空气静压轴承承载能力较小。3.7.3高速加工机床 3.7.3高速加工机床◆电磁铁绕组通过电流I0，对转子产生吸力F，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图3-32）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置磁浮轴承高速主轴◆位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。◆控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。放大器电磁铁（定子）传感器转子图3-32磁悬浮轴承工作原理控制器 前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图3-41磁浮轴承高速主轴磁浮轴承主轴结构3.7.3高速加工机床 非轴对称工件加工时需要对转角及二个方向的进给数控 金刚石刀具的制造方法及其应用分析1引言    随着汽车、航空和航天技术的飞速发展，对材料的性能及加工技术要求日益提高。新型材料，如碳纤维增强塑料、颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到广泛应用。这些材料具有强度高、耐磨性好、热膨胀系数小等特性，这决定了它在机加工时刀具的寿命非常短。开发新型耐磨且稳定的超硬切削刀具金刚石集力学、光学、热学、声学和光学等众多的优异性能于一身，具有极高的硬度、摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低，是制造刀具的理想材料。2金刚石刀具的应用       加工难加工的有色金属     在加工铜、锌、铝等有色金属及其合金时，这些材料粘附刀具，不宜加工。利用金刚石的摩擦系数低、与有色金属亲和力小而制成的金刚石刀具可防止金属与刀具粘结在一起。由于金刚石的弹性模量大，在切削时刃部变形小，对所切削的有色金属挤压变形小，使切削过程在小变形下完成，可以提高切削的表面质量。    加工难加工的非金属材料     加工含有大量高硬度质点的难加工非金属材料，如玻璃纤维增强塑料、填硅材料、硬质碳纤维/环氧树脂复合材料时，材料的硬质点使刀具的磨损严重，用硬质合金刀具难以加工，而金刚石刀具的硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。    超精密加工     随着现代集成技术的问世，机加工向高精度方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求。由于金刚石摩擦系数小、热膨胀系数低、导热率高，能切下极薄的切屑，切屑容易流出，与其它物质的亲和力小，不易产生积屑瘤，发热量小，导热率高，可以避免热量对刀刃和工件的影响，因此刀刃不易钝化，切削变形小，可以获得较高质量的表面。 3金刚石刀具的制造方法目前金刚石的主要加工方法有以下四种：薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。     薄膜涂层刀具     薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的基体材料上通过化学气相沉积法(CVD)沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近，制膜时产生的热应力小，因此可作为刀体的基体材料。WC+Co系硬质合金中，粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度，在沉积前需进行预处理以消除Co的影响(一般通过酸腐蚀去Co)。     化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活，在极低的气体压强下，使碳原子在一定区域沉积下来，碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。目前用于沉积金刚石的CVD法主要包括：微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。     金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具，如刀片、端铣刀、铰刀及钻头；可以用来切削许多非金属材料，切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形，适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差，金刚石薄膜刀具不具有重磨性。 金刚石厚膜焊接刀具    金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括：大面积的金刚石膜的制备；将金刚石膜切成刀具需要的形状尺寸；金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接；金刚石厚膜刀具切削刃的研磨与抛光。     金刚石厚膜的制备与切割     常用的制备金刚石厚膜的工艺方法是直流等离子体射流CVD法。将金刚石沉积到WC+Co合金(表面进行镜面加工)上，在基体的冷却过程中，金刚石膜自动脱落。此方法沉积速度快(最高可达930µm/h)，晶格之间结合比较紧密，但是生长表面比较粗糙。金刚石膜硬度高、耐磨、不导电决定了它的切割方法是激光切割(切割可在空气、氧气和氩气的环境中进行)。采用激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还可以切出刀具的后角，具有切缝窄、高效等优点。 3金刚石刀具的制造方法目前金刚石的主要加工方法有以下四种：薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。     薄膜涂层刀具     薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的基体材料上通过化学气相沉积法(CVD)沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近，制膜时产生的热应力小，因此可作为刀体的基体材料。WC+Co系硬质合金中，粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度，在沉积前需进行预处理以消除Co的影响(一般通过酸腐蚀去Co)。     化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活，在极低的气体压强下，使碳原子在一定区域沉积下来，碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。目前用于沉积金刚石的CVD法主要包括：微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。     金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具，如刀片、端铣刀、铰刀及钻头；可以用来切削许多非金属材料，切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形，适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差，金刚石薄膜刀具不具有重磨性。 金刚石刀具的制造方法及其应用分析金刚石厚膜刀具的焊接     金刚石与一般的金属及其合金之间具有很高的界面能，致使金刚石不能被一般的低熔点合金所浸润，可焊性极差。目前主要通过在铜银合金焊料中添加强碳化物形成元素或通过对金刚石表面进行金属化处理来提高金刚石与金属之间的可焊性。     活性钎料法     焊料一般用含Ti的铜银合金，不加助熔剂在惰性气体或真空中焊接。常用的钎料成分Ag=68.8wt%，Cu=26.7wt%，Ti=4.5wt%，常用的制备方法是电弧熔炼法和粉末冶金法。Ti作为活性元素在焊接过程中与C反映生成TiC，可提高金刚石与焊料的润湿性和粘结强度。加热温度一般为850℃，保温10分钟，缓冷以减小内应力。    表面金属化后焊接     金刚石表面的金属化是通过表面处理技术在金刚石表面镀覆金属，使其表面具有金属或类金属的性能。一般是在金刚石的表面镀Ti，Ti与C反应生成TiC，TiC与Ag-Cu合金钎料有较好的润湿性和结合强度。目前常用的镀钛方法有：真空物理气相沉积(PVD，主要包括真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀等)，化学气相镀和粉末覆盖烧结。PVD法单次镀覆量低，镀覆过程中金刚石的温度低于500℃，镀层与金刚石之间是物理附着、无化学冶金。CVD法Ti与金刚石发生化学反应形成强力冶金结合，反应温度高，损害金刚石。 3金刚石刀具的制造方法目前金刚石的主要加工方法有以下四种：薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。     薄膜涂层刀具     薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的基体材料上通过化学气相沉积法(CVD)沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近，制膜时产生的热应力小，因此可作为刀体的基体材料。WC+Co系硬质合金中，粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度，在沉积前需进行预处理以消除Co的影响(一般通过酸腐蚀去Co)。     化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活，在极低的气体压强下，使碳原子在一定区域沉积下来，碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。目前用于沉积金刚石的CVD法主要包括：微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。     金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具，如刀片、端铣刀、铰刀及钻头；可以用来切削许多非金属材料，切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形，适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差，金刚石薄膜刀具不具有重磨性。 厚膜金刚石刀具的刃磨     金刚石厚膜刀具的加工方法有：机械磨削，热金属盘研磨，离子束、激光束和等离子体刻蚀等。    金刚石烧结体刀具     将金刚石厚膜用滚压研磨破坏的方法加工成平均粒度为32～37µm的金刚石晶粒或直接利用高温高压法制得金刚石晶粒，把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co合金上，然后用Ta箔将其隔离，在5.5GPa、1500℃条件下烧结60分钟，制成金刚石烧结体，用此烧结体制成的车刀具有很高的耐磨性。    单晶金刚石刀具     单晶金刚石刀具通常是将金刚石单晶固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上。金刚石在小刀头上的固定方法主要有：机械加固法(将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上)；粉末冶金法(将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上)；粘结和钎焊法(使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石)。由于金刚石与基体的热膨胀系数相差悬殊，金刚石易松动，脱落。 一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子；波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地；波导管内径的大小因所传输信号的波长而异；多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。 0.0470.083m切削速度对表面粗糙度基本无影响 有修光刃时，进给量减小到一定值后，粗糙度不再进一步降低 超精密切削，圆弧刃刀具 长度基准：国际米的原器：90%铂+10%铱，0℃1960年，氪Kr86在真空中的波长作基准：1m=1650763.73*1983年：1m=光在真空中在内行走的长度量块间油膜6nm 电致伸缩微位移系统的动态响应98 德国的FG-001超精密机床可实现纳米级的非球曲面加工。 静态精度和动态精度机床的几何精度、传动精度和定位精度•通常都是在没有切削载荷以及机床不运动或运动速度很低的情况下检测的，一般称为静态精度(staticstateprecision)。静态精度主要决定于机床上主要零部件，如主轴及其轴承、丝杠螺母、齿轮、床身、箱体等的制造与装配精度。为r控制机床的制造质量，保证加工出的零件能达到所需的精度，国家对各类通用机床都制订有精度标准。精度标准的内容包括精度检验项目、检验方法和允许的误差范围。静态精度只能在一定程度上反映机床的加工精度，因为机床在实际工作状态下，还有一系列因素会影响加工精度。例如，由于切削力、夹紧力等的作用，机床的零、部件会产生弹性变形；在机床内部热源（如电动机、液压传动装置的发热，齿轮、轴承、导轨等的摩擦发热）以及环境温度变化的影响下，机床零、部件将产生热变形；由于切削力和运动速度的影响，机床会产生振动}机床运动部件以工作状态的速度运动时，由于相对滑动面之间的油膜以及其他因素的影响，其运动精度也与低速运动时不同；所有这些，都将引起机床静态精度的变化，影响工件的加工精度。杌床在载荷、温升、振动等作用下的精度，称为机床的动态精度(dynamicprecision)。动态精度除r与静态精度密切相关外，还在很大程度上决定于机床的剐度、抗振性和热稳定性等。 结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构的固有频率来衡量；如果动作用力变化很慢，即动作用力变化的频率远小于结构的固有频率时，可以认为动刚度和静刚度基本相同。否则，动作用力的频率远大于结构的固有频率时，结构则不容易变形，即变形较小，此时结构的动刚度相对激扰较大。但动作用力的频率与结构的固有频率相近时，有可能出现共振现象，此时动刚度最小，变形最大。因此，动刚度是衡量结构抵抗预定动态激扰能力的特性。特别地，对于橡胶等粘弹性体减振元件，其动刚度是描述减振性能的关键指标。这时往往使用复数形式的动刚度。在此情况下，复数动刚度等于复数力（频率的函数）与复数的位移（频率的函数）的比值。该复数动刚度的实部即静刚度（频率为0时的动刚度），虚部体现了阻尼效应。虚部除以实部的商的反正切称为损失角（lossangle）。