精密与超精密加工技术ppt课件.ppt
2.1 概述2.1.1 精密与超精密加工的定义2.1.2 精密与超精密加工的地位2.1.3 精密与超精密加工的分类2.1.4 精密与超精密加工的特点2.2 精密与超精密加工的主要方法2.2.1 金刚石刀具镜面切削2.2.2 精密与超精密磨削2.2.3 超精密研磨与抛光2.3 超精密加工的设备与环镜2.3.1 超精密加工的设备2.3.2 超精密加工的环境,第二章 精密与超精密加工技术,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。,瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）,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,2.1 概 述,2.1.1精密与超精密加工的定义,几种典型精密零件的加工精度（表2-1）,精密加工与超精密加工的发展（图2-1）,2.1 概 述,2.1 概 述,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0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,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：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,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,2.1.2精密与超精密加工的地位,2.1 概 述,表2-2 精密与超精密加工分类,2.1.3精密与超精密加工分类,2.1 概 述,2.1.4精密与超精密加工特点,2.1 概 述,2.1 概 述,切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,2.2.1金刚石刀具镜面切削,机理、特点,2.2精密与超精密加工的主要方法,加工设备,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。,关键技术,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0.1m；液体静压导轨，直线度达 0.05/100mm；数控系统分辨率0.01 。,2.2精密与超精密加工的主要方法,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。,图2-3 T形布局的金刚石车床,T形布局（图2-3）,2.2精密与超精密加工的主要方法,金刚石车床主要性能指标（表2-3）,2.2精密与超精密加工的主要方法,金刚石刀具,超精切削刀具材料：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，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图2-4）。,2.2精密与超精密加工的主要方法,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2-5）,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”。,2.2精密与超精密加工的主要方法,金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 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）,金刚石刀具角度（图2-6）,2.2精密与超精密加工的主要方法,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,图2-7 金刚石车床及其加工照片,2.2精密与超精密加工的主要方法,2.2.2精密与超精密磨削 在工具和模具制造中，磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序，在磨削脆性材料时，由于材料本身的物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后的表面比较粗糙。在某些应用场合如光学元件，这样的粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件的表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。为了解决这一矛盾，在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构相继推回了两种新的磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）和镜面磨削（Mirror Grinding）。,2.2精密与超精密加工的主要方法,镜面磨削 顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。,2.2精密与超精密加工的主要方法,ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮，应用范围几乎可以覆盖所有的工件材料。它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达Rq1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工各种泵的陶瓷密封圈，传统的工艺是先磨再抛光，采用ELID磨削，只需一道工序，既节约时间又节省投资。 ELID磨削虽有上述优点，但在某些应用场合也有一些缺点。比如在摩削玻璃时，如果采用较大的粒度（2m），由于砂轮的磨粒连续更替，部分磨粒不断脱离结合剂而成为自由磨粒，这些磨粒在工件与砂轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在工件表面上造成局部的无规则的刻痕，其深度有时能超过磨料的半径。,2.2精密与超精密加工的主要方法,2、塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。 为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。,2.2精密与超精密加工的主要方法, 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好, 特点：,分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法: 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整, 砂轮修整：,3、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削,2.2精密与超精密加工的主要方法,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图2-9）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图2-11）。,4、 精密与超精密砂带磨削,2.2精密与超精密加工的主要方法,图2-10 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,2.2精密与超精密加工的主要方法,几种常见砂带磨削方式（图2-11）,2.2精密与超精密加工的主要方法,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图2-12），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,2.2精密与超精密加工的主要方法,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用, 弹性发射加工,、游离磨料加工,抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,2.2精密与超精密加工的主要方法,2.2.3超精密研磨与抛光 研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具之间通过相对复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。 1、研磨抛光加工的机制和特点 研磨加工，通常是使用在1m到十几m大小的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具之间并借助机床提供的复杂运动，实现零件表面加工轨迹高度不重合。 研磨时磨粒的工作状态有以下三种： 1）磨粒在工件与研具之间进行转动。 2）由研具支承磨粒研磨加工面。 3）由工件支承磨粒研磨加工面。,2.2精密与超精密加工的主要方法,但是，由于工件、磨位、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法的研磨表面状态也不同。工件材为质量不同，研磨面状态也各不相同。总之，研磨表面的形成，是在产生切屑、研具的磨损和磨粒破碎等综合因素作用下进行的，图2-14示出研磨加工模型。,2.2精密与超精密加工的主要方法,图2-14 研磨加工的模型,2）抛光加工的机制和特点 抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是，抛光使用是磨粒是1m以下的微细磨粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂、人造革、等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。抛光时磨料的变化如图2-15所示。,2.2精密与超精密加工的主要方法,图2-15 抛光加工的模型,抛光的加工机制：1）由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切屑，但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。2）借助磨粒和抛光器与工件流动磨擦使工件表面的凸凹变平。）在加工液中进行化学性溶析。）工件和磨粒之间直接的化学反应有助于上述现象发生，也不可忽视。、实现超精密研磨、抛光的各主要因素现将有关保证超精密研磨、抛光的有关因素汇总于表4所示，这些因素对实施超精密研磨、抛光加工至关重要。,2.2精密与超精密加工的主要方法,2.2精密与超精密加工的主要方法,表2-4超精密研磨抛光的主要因素,3、超精密研磨和抛光的主要新技术（1）超精密研磨研磨普通的硬脆材料时，由于有微细的破碎，生成的切屑参于研磨。但是，如果研磨金属材料时，则没有破碎，而由磨粒取代进行研磨。由于塑性变形生成切屑，利用微细的磨粒研磨经热处理研化的金属材料和经烧结的超硬材料时，加工单位变小，可用于抛光那样表面零件的加工。由于研具是硬质材料，对工件来说，塌边越小，加工精度越高。（2）超精密抛光（3）液中研磨液中研磨法是将经过超精密抛光或研磨的零件浸入在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利,2.2精密与超精密加工的主要方法,用浮游的细小磨粒进行加工，并对磨粒作用部分所产生的热有极好的冷却效果，对研磨时产生的微小冲击也有缓冲效果。利用微细的磨刃、磨粒和聚氨酯研具研磨硅片时，可以得到无损伤高质量的镜面。（）机械化学研磨机械化学研磨加工机制是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种研磨方法。（）化学机械抛光化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。不使用磨粒而只利用具有腐蚀效果的加工液进行摩擦抛光的研磨，更适合化合物半导体晶片的加工。,2.2精密与超精密加工的主要方法,工作原理（图-16）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,2.2精密与超精密加工的主要方法,、新原理的超精密研磨技术,（）水合抛光水合抛光是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在水蒸气环境中进行加工。因此，要极力避免使用能与工件产生固相反应的材料作研具。,（）悬浮抛光悬浮抛光技术旨在进行电子材料无畸变的超精密加工而开发的，是应用于高密度磁性薄腊及磁性材料加工的惟一途径。悬浮抛光加工具有以下特点：研具平面可采用超精密金刚石切削；有极高的平面度、最光滑的表面和无加工变质层的表面；加工面无污染；生产效率高；操作简单，生产管理容易悬浮抛光装置的原理如图2-17所示.,2.2精密与超精密加工的主要方法,图2-17 悬浮抛光装置的示意图,2.3.1超精密加工设备超精密加工设备是实现超精密加工的重要组成部分，世界各国都投入大量的人力和财力开发新型超精密加工设备。美国已成为国际超精密加工设备的重要生产基地，目前已开发出非球面超精密车床，如图2-18所示，另外还相继研制出多面体棱镜超精密车床、全大理石超精密平面磨床等。上述超精密设备的结构表明，超精密设备应由精密结构化、温度控制、振动控制和先进驱动装置组成。,2.超精密加工的设备与环镜,图2-18 CNC超精密车床,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）,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：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧 隔振器,.3.2 精密与超精密加工环境,2.3超精密加工的设备与环境,
