精密与超精密加工技术试题及答案

《精密超精密加工技术》试题1～6题为必答题（每题10分）。1、精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领域？答：（1）精密加工的加工精度为1~0.1μm,加工表面粗糙度为0.3~0.03μm;超精密加工的加工精度为0.1~0.01μm，加工表面粗糙度为0.03~0.005μm。(2)精密与超精密加工所包含的主要领域有超精密切削加工：超精密金刚石切削，可加工各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工；精密与超精密磨削：光盘、光学镜头、晶体等硬脆材料的精密加工；精密研磨抛光：集成电路、光学元件等高精度加工；精密特种加工：激光、超声波及电子束、离子束加工。2、超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？答：为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。二者等同称为SPDT。大颗粒人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。立方氮化硼（CBN）刀具现在用于加工黑色金属，但还达不到超精密镜面切削。3、超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用超硬磨料砂轮？答：（1）主要针对玻璃与陶瓷等硬脆材料进行加工。（2）超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的剪切应力就急速地增加，可能接近磨粒的剪切强度极限。磨粒切削刃处受到高温和高压作用要求磨粒有很高的强度和高温硬度。普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削质量。因此，在超精密磨削时，一般采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。4、固结磨料加工和游离磨料加工各有什么特点？答：固结磨料研磨方法优点：1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、铜铝等有色金属及合金等2）磨削能力强、耐磨性好、耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。3)磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。4）磨削效率高，有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比5）加工成本柢，加工效率高，工时少，综合成本低。游离磨料研磨的特点：1）磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效率低。2）磨料与从工件上磨下的碎屑混在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高加工效率要经常将磨料与这些碎屑一起洗掉，这既浪费了能源、又浪费了磨料。3)磨料在磨盘上是随机分布的，分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。4）在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨粒，加重了磨料和能源的浪费。5）在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀性要求较高。6）在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以愕然冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。7）在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘则要求三个磨盘相对研，既费事麻烦，又对人的操作技术水平要求高8）为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗9）污染环境10）工人劳动强度大，对工人技术水平要求高11）较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面肉内，影响工件的使用性能。5、简述影响超精密加工的因素。答：主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等，详细的说超精密的加工技术的影响因素很多，主要表现为以下几个方面(一)加工机理近年来，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、精密高速切削、精密砂带磨削等己占有重要地位;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，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声晰磨等，在加工机理上均有所创新，尤其以快速成型为代表的“堆积”加工，在加工技术领域具有里程碑意义。(二)被加工材料超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如，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，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、热导率和膨胀系数等应达到一定数量级;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。(三)加工设备及其基础元部件对超精密加工所用的加工设备有下列要求:1.高精度。包括高静精度和高动精度，主要的性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等，如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等;2.高刚度。包括高静刚度和高动刚度，除本身刚度外，还应注意接触刚度，以及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度;3.高稳定性。设备在经运输、存储以后，在规定的工作环境下使用，应能长时间保持高精度、抗干扰及稳定性。设备应具有良好的耐磨性、抗振性等;4.高自动化。为了保证加工质量，减少人为因素影响，加工设备多采用数控系统实现自动化。(四)加工工具加工工具主要是指刀具和磨具。用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2~4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。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，通常采用粒度为W20~W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。(五)检测与误差补偿超精密加工必须具备相应的检测方法，不仅要对工件表而质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度。其尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪等来测量;表而粗糙度可用电感式、压电晶体式表而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;表而应力、表而变质层深度、表而微裂纹等缺陷，可用X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。误差预防是通过提高机床制造精度、保证加工环境等来减少误差源对其影响;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，以消除误差本身的影响，其中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，在加工时进行实时补偿。(六)工作环境超精密加工的工作环境是保证加工质量的必要条件，环境因素主要指温度。环境温度可根据加工要求控制在±10C~±0.02C，甚至达到±0.00050C。达到恒温的办法是采用多层套间，可逐步得到大恒温间、小恒温间，温度控制的精度愈来愈高，再采用局部恒温的方法，如恒温罩，罩内还可用恒温液喷淋，达到更精确的控制温度。6、何谓慢刀伺服车削和快刀伺服车削？答：7～16题为选答题（40分），每人选答自己学号末位数字与下列题号末位数字一致的题，并列出相关参考文献5篇以上。1.论述化学抛光（CP）、化学机械抛光（CMP）和电化学机械抛光（ECMP）技术的原理、特点及其在超精密加工领域的应用。2.论述离子束抛光的加工原理和特点及其研究和应用新进展。3.硬脆材料非球面镜超精密加工技术有哪些？针对一种技术论述其研究应用新进展。4.超精密加工机床的主轴主要有哪些形式？针对一种主轴形式论述其关键技术及其研究新进展。5.超声加工和超声辅助加工有何不同？论述超声辅助磨削技术的原理和特点及其研究进展和应用现状。6.磁流变抛光技术的加工原理、特点及其研究进展和应用现状。7.超精密加工中微量进给装置有哪些类型？论述其中一种微量进给装置的原理、特点及其在超精密加工领域的应用。8.超精密加工表面粗糙度（纳米级）的测量方法有哪些？论述其中一种测量方法的原理、特点及研究进展和应用现状。9.超精密加工对机床主轴有哪些要求？针对超精密机床主轴的回转精度指标，提出主轴回转误差检测方案。10.论述电火花线切割、游离磨料线切割和金刚石线切割的原理、特点及其在精密超精密加工领域的应用。答题要求：1.试卷封面格式见下页。2.试卷统一用A4纸打印，并左侧装订。大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：精密与超精密加工技术学号：姓名：考试时间：10年1月7日题号标准分数实得分数1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.总分授课教师康仁科金洙吉