第1章_精密切削加工

精密与特种加工第1章精密切削加工1.1概述1.2精密切削加工机理1.3精密切削加工机床及应用1.4超精密切削加工简介第1章精密切削加工1.1概述Introduction1.1.1概念精密加工精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。不同的发展时期，其技术指标有所不同。目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1μm，与之相对应，将加工精度为0.01~1μm，加工表面粗糙度Ra在0.02～0.1μm范围内的加工方法称为精密加工。•1983年,日本田口教授经大量考察精密与特种加工厂后,对当代多种加工方法所能达到的精度及其发展趋势有个预测•本(下页)图分两个层面来看:各种加工方法的极限;发展趋势.1.1.1概念多种加工方法所能达到的精度及具发展趋势预测见图。1.1.1概念英国Rolls-Royce公司的资料表明，将飞机发动机转子叶片的加工精度由60μm提高到12μm，加工表面粗糙度由Ra0.5μm减少到Ra0.2μm，则发动机的压缩效率将从89％提高到94％。1.1.1概念机械工业提高零件加工精度的主要原因提高零件的加工精度，可提高产品的性能和质量，提高产品的稳定性和可靠性。20世纪80年代初，前苏联从日本引进了四台精密数控铣床，用于加工螺旋桨曲面，使其潜艇的水下航行噪声大幅度下降，即使使用精密的声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。1.1.1概念传动齿轮的齿形及齿距误差直接影响了其传递扭矩的能力。若将该误差从目前的3~6μm降低到1μm，则齿轮箱单位重量所能传递的扭矩将提高近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。BM公司开发的磁盘，其记忆密度由1957年的300bit/cm2提高到1982年的254万bit/cm2，提高了近l万倍，这在很大程度上应归功于磁盘基片加工精度的提高和表面粗糙度的减小。1.1.1概念提高零件的加工精度可促进产品的小型化。自动化装配是提高装配生产率和装配质量的重要手段。自动化装配的前提是零件必须完全互换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而导致零件的加工精度要求极高，精密加工使之成为可能。1.1.1概念提高零件的加工精度可增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配应用，推进自动化生产。1.1.1概念精密加工技术是综合性的技术。实现精密加工的条件：①精密的机床工具设备和刀具；②超精密加工的机理与工艺方法；③精密测量及误差补偿技术；④超精密加工中的工件材料；⑤稳定的环境条件。1.1.1概念精密加工机床精密加工机床是实现精密加工的首要条件。主要研究方向是提高机床主轴的回转精度，工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。①采用超精密级的滚动轴承。②采用液体静压轴承和空气静压轴承。其静、动态性能更加优异。精密机床主轴要求具有很高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于主轴轴承。1.1.1概念工作台的直线运动精度是由导轨决定的。精密机床使用的导轨有：滚动导轨液体静压导轨气浮导轨空气静压导轨普通车床精度0.015-0.002mm弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构比较适用，尤其是电致伸缩微量进给装置，可以进行自动化控制，有较好的动态特性，在精密机床进给系统中得到广泛的应用。1.1.1概念为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置(1)金刚石晶体的晶面选择，这对刀具的使用性能有重要的影响；(2)金刚石刀具刃口的锋利性，即刀具刃口的圆弧半径，它直接影响到切削加工的最小切削深度，影响到微量切除能力和加工质量。1.1.1概念金刚石刀具金刚石刀具是精密切削加工的重要手段金刚石刀具有两个重要的问题要解决：先进国家刃磨金刚石刀具的刃口半径可以小到数纳米的水平。我国目前刃磨的金刚石刀具的刃口半径只能达到0.1～0.3μm。当刃口半径小于0.0lμm时，必须解决测量上的难题。1.1.1概念金刚石刀具精密切削是微量切削，微量切削过程中许多机理方面的问题都有其特殊性，如积屑瘤的形成，鳞刺的产生，切削参数及加工条件对切削过程的影响，以及它们对加工精度和表面质量的影响，都与常规切削有很大的不同。1.1.1概念精密切削机理精密切削加工必须能够均匀地切除极薄的金属层，微量切除是精密加工的重要特征之一。1.1.1概念稳定的加工环境精密加工必须在稳定的加工环境下进行，主要包括恒温恒湿、防振和空气净化三个方面的条件。(1)恒温恒湿.精密加工必须在严格的多层恒温条件下进行，即不仅工作间应保持恒温，还必须对机床本身采取特殊的恒温措施，使加工区的温度变化极小。(2)防振.为了提高精密加工系统的动态稳定性，除在机床结构设计和制造上采取各种减振措施外，还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。(3)空气净化.由于精密加工的加工精度和表面粗糙度要求极高，空气中的尘埃将直接影响加工零件的精度和表面粗糙度，因此必须对加工环境的空气进行净化，对大于某一尺寸的尘埃进行过滤。国外已研制成功了对0.1μm的尘埃有99％净化效率的高效过滤器。1.1.1概念当加工精度高于一定程度后，若仍然采用提高机床的制造精度，保证加工环境的稳定性等误差预防措施提高加工精度，这将会使所花费的成本大幅度增加。这时应采取另一种所谓的误差补偿措施，即是通过消除或抵消误差本身的影响，达到提高加工精度的目的。1.1.1概念误差补偿测量分:在线、在位和离线三种方式.精密加工技术离不开精密测量技术，精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。目前，精密加工中所使用的测量仪器多以非接触式:干涉法和高灵敏度电动测微技术为基础。如激光干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。1.1.1概念精密测量技术国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。Johaness公司生产的多次光波干涉显微镜的分辨率为0.5nm，最近出现的隧道扫描显微镜的分辨率为0.0lnm，是目前世界上精度最高的测量仪之一。最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标--原子级精密加工。1.1.1概念1.1.1概念隧道扫描显微镜：扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。1.1.1概念根据加工表面及加工刀具的特点，精密切削加工可分为四类，见下表。1.1.2精密切削加工分类1.1.2精密切削加工分类金刚石车削应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和其它软金属及其合金进行切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚石精密车削加工方法。它们分别用于加工平面、型面和内孔，也可以得到极高的加工精度和表面质量。金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料最主要的精密加工方法。除金刚石刀具材料外，还发展了立方氮化硼、复方氮化硅和复合陶瓷等新型超硬刀具材料，它们主要用于黑色金属的精密加工。金刚石精密铣削和镗削1.1.2精密切削加工分类由于精密加工机床价格昂贵，加工环境条件要求极高，因此精密加工总是与高加工成本联系在—起。在过去相当长的一段时期，这种观点限制了精密加工的应用范围，它主要应用于军事、航宇航天等部门。1.1.3精密加工与经济性•近十几年来，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，精密加工的产品已进入了国民经济和人民生活的各个领域，其生产方式也从过去的单件小批量生产走向大批量生产。在机械制造行业，精密加工机床不再是仅用于后方车间加工工具、卡具和量具，工业发达国家已将精密加工机床直接用于产品零件的精密加工，产生了显著的经济效益。1.1.3精密加工与经济性加工一块直径为l00mm的离轴抛物面反射镜，用金刚石精密车削工艺成本只有用研磨--抛光--手工修琢的传统工艺的成本的十几分之一，而且精度更高，加工周期由12个月缩短为3周。我国精密加上技术较落后，当前某些精密产品尚靠进口，还有些精密产品靠老工人手艺制造，因而废品率极高。我国现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1.1.3精密加工与经济性第1章精密切削加工1.2精密切削加工机理金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和晶格滑移变形的过程。在精密切削中，采用的是微量切削方法,影响因素就不同。以回转刀具的切削情况为例，分析在过渡切削过程中刀具切削刃与工件表面的接触情况及工件材料的变形情况。1.2.1切削变形和切削力切削变形过渡切削1.2.1切削变形和切削力①如图所示为单刃回转刀具铣削平面的切削过程。为了反映整个工艺系统的弹性特性，假设刀具支持在具有一定弹性模数的支承上。图(b)为切削剖面的情况，从刀具切削刃和工件接触开始，刀具在工件上滑动一定的距离，工件表面仅产生弹性变形，在切削刃移开之后，工件表面仍能恢复到原来的状态。切削刃在工件表面上的这种滑动称为弹性滑动。1.2.1切削变形和切削力经历了了弹性、塑性和切削三个过程.②随着刀具的继续回转，刀刃上的切削深度不断增大，在工件表面上开始产生塑性变形，在此塑性变形区内，切削刃在工件表面滑过之后，工件表面被刻划出沟痕，但此时并没有真正切除材料。切削刃在工件表面上的这种滑动称为塑性滑动。1.2.1切削变形和切削力③在塑性滑动之后，随着刀具切入深度的增加，前刀面上产生了切屑，开始了切削过程。由于工件表面上产生了弹塑性变形，所以切削刃的运动轨迹与被加工表面上形成的轮廓线不重合。1.2.1切削变形和切削力改变刀具的切入角g可以依次改变刀具与工件的最大干涉深度，得到如图1.2(a)的曲线。当切削刃的最大干涉深度很小时，即切入角g很小时便是图1.2(a)中的（1）状态。此时，刀具仅在工件表面滑过，工件表面没有刀具切入的痕迹，在刀具和被加工表面的全部接触长度上处于弹性变形区域。1.2.1切削变形和切削力•当刀具与工件的最大干涉深度达到一定的数值时，形成如图1.2(a)中的(2)的切削状态。在切削开始的一段长度内为弹性滑动区域，然后进入塑性变形区，在刀刃滑动过去后，在塑性变形区域内将留下沟痕，但并不产生切屑。1.2.1切削变形和切削力继续增大刀具与工件的最大干涉深度，便形成图（a）中的(3)的切削状态。在切削刃和工件表面的接触初期为弹性滑动区域，随着切削深度的增大，之后为塑性滑动区域，再之后为切削区域，在工件表面上有塑性变形和除去切屑所形成的沟槽。随着切入深度的减小，之后又过渡到塑性变形区和弹性变形区。必须指出，在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，而在切削区域内则既存在切屑去除区，也存在塑性变形区和弹性变形区。1.2.1切削变形和切削力零件的最终工序的最小切入深度应等于或小于零件的加工精度(允许的加工误差)。因此，一种加工方法的最小切入深度反映了它的精加工能力。根据过渡切削过程的分析可知，当切入深度太小时，切削刃对工作表面的作用只是弹性滑动或塑性滑动，并没有产生切屑，因此最小切入深度要受到一些因素的限制。1.2.1切削变形和切削力最小切入深度以车削过程为例进行切入深度的分析。车削过程能够成立，主要应满足下列条件：1.2.1切削变形和切削力①切削过程应当是连续的、稳定的；②应当保持有较高的加工精度和表面质量；③刀具应有较长的使用寿命。在精密切削中，采用的是微量切削方法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圆弧承担。1.2.1切削变形和切削力1.2.1切削变形和切削力如图所示，分析正交切削条件下，切削刃口圆弧处任一质点i的受力。质点i仅有两个方向的切削力，即垂直力pyi和水平力pzi。水平力pzi使被切削材料质点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力pyi将被