精密机械制造

2019/8/82010年4月第四章精密机械制造技术张士强2019/8/8精密和超精密加工技术的地位与作用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、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：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，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。2019/8/8精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术。集成电路君越2mm工程-车身制造综合误差指数(ContinuousImprovementIn—dicator密歇根大学的吴贤铭、倪军教授(密歇根大学先进制造技术中心主任)克莱斯勒、通用2019/8/8精密和超精密加工的需求国防工业上的需求导弹系统的陀螺仪加工涉及多项超精密加工，陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。瑞典RBS-70系统东风11型近程导弹2019/8/8东芝事件——东芝机械公司与挪威康士堡向前苏联出口可加工核潜艇螺旋桨的五轴联动数控铣床而引发的。勃列日涅夫统治后期苏联技术机械进口公司的副总裁奥西波夫(“K帮”是苏联国家安全委员会克格勃的代称）挪威康克斯佩鲁克公司派到苏联的电脑技师—波路斯塔特的“争取”工作“巴黎统筹委员会”国防工业上的需求2019/8/8服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系银河系环形星群大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体（六轴CNC研磨抛光机）激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。2019/8/8精密和超精密加工的需求信息产品中的需求计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。2019/8/8精密和超精密加工的需求民用产品中的需求现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。2019/8/8超精密加工现状及发展趋势国内外现状(1)美国是开展研究最早的国家。(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。(3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。2019/8/8济南二机床集团的XKV2745×200双龙门移动机械传动五轴联动数控镗铣床2006大连机床厂为给德国世界杯助兴，特别使用“九轴五连动车铣复合数控机床”精心雕刻出一个金属足球2019/8/84.1精密和超精密加工概述4.2工艺路线的拟定4.3精密和超精密磨削4.4精密和超精密砂带磨削4.5超精密车削加工4.6光整加工精密机械制造技术2019/8/8精密和超精密加工的概念精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等）。4.1精密和超精密加工概述2019/8/8精密和超精密加工的相对性及精度表示方法精密和超精密加工——一般精密加工微细加工——微小尺寸超微细加工——超微小尺寸一般加工精度表示方法微细加工和超微细加工的精度表示方法微米工艺——纳米工艺4.1精密和超精密加工概述精密和超精密加工方法2019/8/8精密加工对设备及环境的要求设备——主轴部件、机床移动部件、刀具或工作台。环境——振动、环境4.1精密和超精密加工概述2019/8/84.2.1加工方法的选择4.2工艺路线的拟定1.加工方法的经济精度和表面粗糙度——被加工表面精度和表面粗糙度加工方法的经济精度：在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。2019/8/82.加工表面的技术要求（包括由于基准不重合而提高对某些表面的加工要求，以及由于被作为精基准而可能对其提出的更高加工要求）。3.首先确定被加工零件主要表面的最终加工方法，然后再选择前面一系列的加工方法和顺序。4.各表面加工方法分别初定后，还应综合考虑为保证各加工表面位置精度要求而采取的工艺措施。5.生产类型6.零件结构、加工表面的特点和材料性质等因素。箱体孔：大孔：镗小孔：铰7.本厂的现有设备等生产条件。4.2工艺路线的拟定2019/8/8加工阶段的划分粗加工阶段——半精加工阶段——精加工阶段——精密、超精密或光整加工阶段划分加工阶段的目的4.2.2零件各表面加工顺序的安排工序的集中与分散加工顺序的安排2019/8/8外圆表面的加工路线常用材料非铁金属精度要求较高的钢铁材料精度要求很高的钢铁材料大直径外圆4.2.3典型表面加工路线的选择2019/8/8典型表面加工路线抛光Ra0.008~1.25研磨IT5Ra0.008~0.32超精加工IT5Ra0.01~0.32砂带磨IT5Ra0.01～0.16精密磨削IT5Ra0.008~0.08金刚石车IT5～6Ra0.02~1.25滚压IT6～7Ra0.16~1.25精磨IT6～7Ra0.16~1.25精车IT7～8Ra1.25～5粗磨IT8～9Ra1.25～10半精车IT10～11Ra2.5～12.5粗车IT12～13Ra10～80图4-2外圆表面的典型加工工艺路线粗铣IT11～13Ra5～20半精铣IT8～11Ra2.5～10精铣IT6～8Ra0.63～5常用材料非铁金属精度要求很高的钢铁材料精度要求较高的钢铁材料大直径外圆2019/8/8孔的加工路线未淬火材料中小孔（φ50以下）（大批量、单件及小批量）箱体孔系、位置精度高、直径较大孔、非铁金属孔淬硬零件和高精度孔大批盘套零件圆孔、单键孔、花键孔4.2.3典型表面加工路线的选择2019/8/8图4-3孔的典型加工工艺路线珩磨IT5～6Ra0.04~1.25研磨IT5～6Ra0.008~0.63粗镗IT12～13Ra5～20钻IT10～13Ra5～80半精镗IT10～11Ra2.5～10粗拉IT9～10Ra1.25～5扩IT9～13Ra1.25~40精镗IT7～9Ra0.63～5粗磨IT9～11Ra1.25～10精拉IT7～9Ra0.16~0.63推IT6～8Ra0.08~1.25饺IT6～9Ra0.32~10金刚镗IT5～7Ra0.16~1.25精磨IT7～8Ra0.08~0.63滚压IT6～8Ra0.01~1.25手饺IT5Ra0.08~1.25未淬火材料中小孔位置精度高箱体孔系较大孔、非铁淬硬零件高精度孔盘套零件圆孔、单键孔、花键孔2019/8/8平面的加工路线一般精加工（IT6-IT7,Ra1.25-0.16）平面有淬火要求窄长平面非铁金属非淬火有沟槽或台阶平面4.2.3典型表面加工路线的选择2019/8/8图4-4平面典型加工工艺路线抛光Ra0.008¬1.25研磨IT5～6Ra0.008¬0.63精密磨IT5～6Ra0.04¬0.32半精铣IT8～11Ra2.5¬10精铣IT6～8Ra0.63～5高速精铣IT6～7Ra0.16¬1.25导轨磨IT6Ra0.16¬1.25精磨IT6～8Ra0.16¬1.25宽刀精刨IT6Ra0.16¬1.25粗磨IT8～10Ra1.25¬10精刨IT6～8Ra0.63～5半精刨IT8～11Ra2.5～10半精车IT8～11Ra2.5～10粗铣IT11～13Ra5～20粗刨IT11～13Ra5～20砂带磨IT5～6Ra0.01¬0.32金刚石车IT6Ra0.02¬1.25刮研Ra0.04¬1.25精车IT6～8Ra1.25～5粗车IT12～13Ra10～80精拉IT6～9Ra0.32～2.5粗拉IT10～11Ra5～20一般精加工平面有淬火要求窄长平面非铁金属非淬火有沟槽或台阶平面2019/8/8型面的加工分类（旋转体型面、直母线型面、立体型面图4-5）车、铣赶型法、成形刀法、靠模法、专用装置磨削成形砂轮、非成形砂轮特种加工电火花、超声波、电解加工数控加工4.2.3典型表面加工路线的选择2019/8/84.3精密和超精密磨削金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。2019/8/8精密和超精密加工分类精密和超精密磨料加工固结磨料加工游离磨料加工精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂带磨削砂带研磨2019/8/8固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。精密和超精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40～W5，得加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。2019/8/8游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。2019/8/84.3.1精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人造立方氮化硼2019/8/8磨料粒度及其选择多选用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。结合剂及其选择将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。超硬磨具无硬度项指标。硬度及选择2019/8/8磨具的强度高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。磨具的形状和尺寸及其基体材料根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨具多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷。普通磨具中磨料的含量用组织表示。磨粒率，气孔率组织及其选择2019/8/8精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具分类涂覆磨具工作条件基底材料形状耐水干磨复合纸棉布化纤布塑料膜盘状页状卷状环状带状2019/8/8精密和超精密涂覆磨具2019/8/8涂覆磨料及粒度棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石等。涂覆磨料的粒度无论磨粒还是微粉，都用P字粒度号表示。粘接剂又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨和油磨。树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。高分子化合物：聚醋酸乙