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1、精密与特种加工,第1章 精密切削加工,第1章 精密切削加工,1.1 概 述Introduction,1.1.1 概 念,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1m，与之相对应，将加工精度为0.011m，加工表面粗糙度Ra在0.020.1m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
2、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60m提高到12m，加工表面粗糙度由Ra0.5m减少到Ra0.2m，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36m降
3、低到1m，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
4、，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：精密的机床工具设备和刀具；超精密加工的机理与工艺方法；精密测量及误差补偿技术；超精密加工中的工件材料；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。,采用超精密级的滚动轴承。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
5、有：,普通车床精度,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
6、具的刃口半径只能达到0.10.3m。当刃口半径小于0.0lm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
7、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0.1m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
8、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
9、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
10、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。,1.1.2 精密切削加工分类,
11、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
12、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
13、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,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.,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
14、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,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
15、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
16、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,切削过程应当是连续的、稳定的；应当保持有较高的加工精
17、度和表面质量；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将被切削材料压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。,1.2.1 切削变形和切削力,最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的切削力pyi 和pzi 的比值。,根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生在与切削
18、合力pi成45角的方向上。若pyi=pzi，则作用在材料质点i上的最大剪应力与切削运动方向一致，该质点i处材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点i处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形。,1.2.1 切削变形和切削力,故：当pzipyi 时，材料质点被推向切屑运动方向，形成切屑；当pzipyi时，材料质点被压向零件本体，被加工材料表面形成挤压过程，无切屑产生。pyi=pzi时所对应的切入深度 便是最小切入深度。,1.2.1 切削变形和切削力,结论：最小切入深度与刀具的刃口半径和刀具与工件材料之间的摩擦系数有关。,1.2.1 切削变形和切削力,这时质点i对应的角度,对应的最小切入深度可
19、表示为,微量切削过程中，在刀具刃口圆弧附近的材料，一部分形成切屑被切除，另一部分材料被挤压而产生弹、塑性变形，并沿着切削刃两侧方向塑性流动，形成两侧方向毛剌，如图所示。实验表明，这种毛刺所造成的加工表面不平可占表面粗糙度的30。,1.2.1 切削变形和切削力,毛刺与亏缺,在刀具接近工件终端面时，由于终端部支承刚度较小，在刀尖的斜下方将产生负剪切区域，称之为第变形区，如图所示。当第I变形区占主导地位时，被切削层金属将沿OA方向滑移，形成切削方向毛刺；当第变形区占主导地位时，被切削层金属将沿OE方向滑移，这将致使工件端部形成切削方向亏缺，如图所示。,1.2.1 切削变形和切削力,在刃口圆弧处，不同
20、的切削深度，刀具的实际前角是变化的。如果，则实际前角变为负前角。当切削深度很小时，实际前角为较大的负前角，在刀具刃口圆弧处将产生很大的挤压摩擦作用，称之为碾压效应。这时，被加工表面通常将产生残余压应力。,1.2.1 切削变形和切削力,微量切削的碾压过程,图1.7 刃口圆弧处的碾压,在精密车削加工中，加工余量很小，刀刃的直线部分通常不参加切削，而只是部分圆弧刃参加切削。这时，刀尖圆弧上各点上的主偏角kr是变化的，且小于名义值。刀尖圆弧上各点切削厚度也是变化的，最小厚度为零。,1.2.1 切削变形和切削力,当切削厚度逐渐变小，切削深度达到最小切削深度时，将不会产生切削作用，仅有弹性变形和塑性变形，
21、这时该处仅有碾压作用。由于图中有剖面线的部分作为切屑被除去之后，由刀尖圆弧在被加工零件上留下的圆弧形表面并非全部留下形成加工表面，其中大部分将在后续的加工中被切除，仅在刀尖附近留下的圆弧形轮廓才成为最终的加工表面。,1.2.1 切削变形和切削力,因此，在形成加工表面的刀尖处所对应的切屑有极小的厚度，甚至接近零。,结论：在被加上表面形成过程中伴随的碾压作用占很大的比重，可以认为，被加工表面的质量在很大程度上受碾压效果的影响。,1.2.1 切削变形和切削力,切削力的来源有两个方面：是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；是刀具与切屑以及刀具与工件表面间的摩擦阻力。,切削
22、力,1.2.1 切削变形和切削力,切削力的来源,作用在车刀前刀面上的正压力N1和摩擦力F1可以合成为Q1；作用在车刀后刀面上的正压力N2和摩擦力F2可以合成为Q2。Q1和Q2再合成为作用在车刀上的总切削力F。,1.2.1 切削变形和切削力,主切削力FZ-它垂直于水平面，通常与切削速度的方向一致，在一般切削情况下，该分力最大。径向切削力FY-它在基面内，并与进给方向相垂直。FY是沿切削深度力向上的分力，它不做功，但能使工件变形或造成振动，对工件加工精度和表面粗糙度影响较大。轴向切削力FX-它在基面内，并与进给方向相平行。,1.2.1 切削变形和切削力,切削力F可分解为以下三个分力：,采用硬质合金
23、车刀时，切削速度对切削力的影响不明显。这是因为在微量切削时，前刀面前的切削区的变形及摩擦在整个切削中所占比例较小，见图(a)。,1.2.1 切削变形和切削力,影响切削力的因素,切削速度,不考虑积屑瘤的存在,因此当v增加时，这部分变形及摩擦减小很不明显；同时由于硬质合金车刀切削刀刃口半径较大，刃口圆弧部分对加工面所产生的挤压所占的比例较大，切削速度的增加，对其影响很小。,采用天然金刚石车刀时，它的刃口圆弧半径比硬质合金小得多，虽然切削用量相同，切下的切屑要从前刀面流出，见图(b)，但因前刀面的切削区的变形及摩擦所占的比例加大，当切削速度增加时，这部分变形及摩擦要减少，所以用天然金刚石车刀精密切削
24、时，切削力随切削速度的增加而下降。,1.2.1 切削变形和切削力,低速时切削力随切削速度增加而急剧下降，到200300m/min后，切削力基本保持不变，这规律和积屑瘤高度随切削速度的变化规律一致(精密切削时,切削速度增加而积屑瘤高度变低)，即积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小，这和普通切削时规律正好相反。,1.2.1 切削变形和切削力,考虑积屑瘤的影响,原因:积屑瘤的存在，使刀具的刃口半径增大；积屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，这导致实际切削厚度超过名义值许多；积屑瘤代替刀具进行切削，积屑瘤和切屑及已加工表面之间的摩擦比刀具和它们之间的摩擦要严重许多。这些因素都将使切削力增加。,1.2.1 切
25、削变形和切削力,硬质合金车刀车削时进给量对切削力的影响的试验结果如下表。,结论：进给量对切削力有明显的影响，进给量对FZ的影响比对FY及FX的影响大。当进给量小于一定值时，FY FZ，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。,1.2.1 切削变形和切削力,进给量,用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见下表。,结论：用天然金刚石车刀进行精密切削时，FZFY。,1.2.1 切削变形和切削力,切削深度对切削力影响的试验结果见下表。,结论：使用硬质合金车刀时，切削深度对切削力有明显的影响，且对FZ的影响大于对FY的影响。切削深度小于一定值时，则FY FZ。,1.2.1 切削变形和切削力,切削深度,
26、结论：使用天然金刚石车刀时，FZ仍然大于FY。,1.2.1 切削变形和切削力,1.2.1 切削变形和切削力,原因：切削用量直接影响主切削力FZ的大小。当切削用量减小时，FZ随之减小。切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着径向切削力（垂直轴向）FY的大小。由于切削刃口半径是一固定值，所以当切削用量减小到一定值之后，FY才能大于FZ。但是由于天然金刚石车刀可以磨得很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由刃口圆弧部分产生的挤压小，后刀面上的正压力小，从而FY小，虽然是微量切削，FZ仍然大于FY。,对比：,1.2.1 切削变形和切削力,1.2.1 切削变形和切削力,刀具材料,
27、天然金刚石对金属的摩擦系数比其它刀具材料要小得多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的切削力要比其它材料刀具小。,其它,刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般切削相似。,1.2.1 切削变形和切削力,变形所消耗的功转变为热 包括两部分：弹性变形所消耗的功和塑性变形所消耗的功。,1.2.2 切削热和切削液,切削热,切削热的来源,切削热来自三个切削变形区的金属弹性变形、塑性变形和摩擦。,摩擦所消耗的功转变为热 包括两部分：前刀面与切屑摩擦所产生的热和后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。,切削温度:一般是指切屑、工件和刀具接触表面 上的平均温度。,
28、1.2.2 切削热和切削液,切削温度,刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响最大。切削温度的高低决定于切削时切削热产生的多少和散热条件。,切削时大量的切削热是由切屑、工件、刀具和周围介质传导的。一般地，切屑传出的热量最多，其余依次为刀具、工件及周围介质。精密切削时，当切削单位从数微米缩小到小于1m时，刀具的刀尖部分会受到很大的应力作用，在单位面积上会产生很大的热量，使刀尖局部区域产生极高的温度。,1.2.2 切削热和切削液,1.2.2 切削热和切削液,金属材料是由数微米到数百微米的微细晶粒组成，在晶粒内部，一般情况下大约1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。当切削单位较大时，在切削力作用下，工件
29、材料不是整个晶体的滑移面上的原子一起产生位移，而是通过位错运动形成滑移（塑性变形），所以实际剪切强度远远小于理论剪切强度，刀具刀尖部分受到的平均应力并不很大。,原因：,1.2.2 切削热和切削液,当切削单位小于位错缺陷平均间隔1m时，在这狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生的材料滑移变形的，因此也就使其剪切强度接近理论剪切强度，这时，刀具刀尖部分受到的平均应力将很大，使刀尖局部区域产生极高的温度。,措施：采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。,在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总误差的4070。因此，在精密加工中必须严格控制工件的温升和环境温度的变化，否则无法
30、达到精密加工所要求的高精度。切削热对精密加工影响很大.例如精密加工l00mm长的铝合金零件，温度每变化1，将产生2.25m的误差。若要求确保0.1m的加工精度，则工件及环境温度变化就必须控制在0.05的范围内。,1.2.2 切削热和切削液,切削热的影响及控制,切削液的浇注方式：采用浇注加淋浴式，若将大量的200.5的切削液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工件温度便可控制在200.5的范围内。,1.2.2 切削热和切削液,减小切削热对精密加工影响的主要措施：,采用切削液浇注工件的方法。,1.2.2 切削热和切削液,切削液的冷却方式：通过在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通以自来水，使切削
31、液冷却，通过控制水的流量来达到控制切削液温度的目的。必要时还可以在冷却水箱中放入冰块，通过冰水混合液能可靠地把切削温度控制在所要求的范围内。,优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热。,右图的曲线是在SI-125精密车床上用金刚石刀具切削铝合金时，干切削与使用切削液的切削对比。从图中可知，干切削后的粗糙度比用切削液时的差11.5个小级，甚至一个大级。,1.2.2 切削热和切削液,切削液,切削液对精密加工的影响,试验结论：我国,30的豆油加70混合油效果最好。20的氯化石蜡加1的二烷基二硫化磷酸锌和79的混合油的效果同它接近。20氯化石蜡加80的混合油效果次之。而混合油的效果最差。,1.2.2 切
32、削热和切削液,切削液通过渗透到接触面上，湿润刀具表面，并牢固地附着在刀具表面上形成一层润滑膜，达到减少刀具与工件材料之间摩擦的效果。表面吸附可分为物理吸附和化学吸附。试验结果表明，由混合油分子形成一层物理吸附薄膜的效果最差。由氯化物形成的化学膜效果较好。由氯化物、硫化物形成的化学膜效果更好。加入少量豆油而形成的物理厚膜效果最好，能获得最小的表面粗糙度。,1.2.2 切削热和切削液,切削液的作用机理,一般情况下，化学膜比物理吸附膜能耐更高的温度及应力。按理说，润滑效果更好，能获得更小的表面粗糙度，但是形成的化学膜是硫及氯同刀具表面的化学成分形成硫化物或氯化物，这些化合物在切削过程中会脱落，影响刀
33、具表面的粗糙度，从而影响到工件表面的粗糙度。物理吸附厚膜即使脱落也不会影响刀具表面的粗糙度。,1.2.2 切削热和切削液,结论：物理吸附厚膜比化学吸附膜效果好，能获得更小的表面粗糙度。,1.2.2 切削热和切削液,(1)抑制积屑瘤的生成。精密切削中，积屑瘤会严重影响加工表面粗糙度，因此使用切削液减小乃至消除积屑瘤对提高精密切削的加工表面质量具有很好的效果。(2)降低加工区域温度，稳定加工精度。(3)减少切削力。切削液可使刀具与切屑及工件加工表面之间的摩擦减少，从而使切削力减少。(4)减小刀具磨损，提高刀具耐用度。,1.2.2 切削热和切削液,其它切削液,缝纫机用的矿物油、煤油和橄榄油、酒精等。
34、,精密切削中，使用切削液有如下作用：,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,在精密切削中广泛应用金刚石作为刀具材料。,金刚石刀具的磨损形式,刀具磨损形式有：,金刚石刀具的磨损为：,刀具开始切削的初磨阶段，刀具和工件、切屑的接触表面高低不平，形成犬牙交错现象，在相对运动中，双方的高峰都逐渐被磨平。更多的机械磨损是由于切屑或工件表面有一些微小的硬质点，如碳化物等，在刀具前刀面上划出沟纹而造成的磨料磨损。金刚石刀具使用一段时间后，在前后刀面上出现细长而光滑的磨损带，刀棱逐渐变成圆滑过渡的圆弧，随着加工的继续会形成较大的圆弧或者发展成前面和后面之间的斜面。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,机械磨损,
35、金刚石刀具磨损分为：机械磨损、破损和碳化磨损,随着切削距离的增长，副后刀面上磨损增大，并出现两段不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。直线刃刀具的磨损情况如图所示，右边的磨损部分磨损量很大，称为第I磨损区，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,左边磨损部分的磨损量较小，称为第磨损区，这是因为右边部分的切削刃出现了磨损，使左边部分切削刃参加切削，切去I区残留的余量，因此区的切削刃也产生了一定的磨损。但由于I区切削刃切削的深度远远大于区切削刃切削深度，两个磨损区的磨损量大不相同，即形成了阶梯形磨损。,前刀面上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩擦下
36、，通常形成一条凹槽形的磨损带。磨损凹槽的形状和刀具形状有关。,刀尖半径为2m、刀具材料为天然金刚石、工件材料为铝镁合金。当切削距离为100km时凹槽的深度达到0.1m。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,金刚石刀具的这种机械磨损量非常微小，刀具后刀面的磨损区及前刀面的磨损凹槽表面非常平滑，使用这种磨损的刀具进行加工不会显著地影响加工表面质量。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,小结：,粘结磨损 工件或切削表面与刀具表面的粘结点，由于切削运动将刀面上的微粒带走，从而造成刀具磨损。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,相变磨损 当切削温度大于等于刀具材料的相变温度时，使金相组织发生变化，刀具表
37、面的马氏体组织将转化为托氏体或索氏体组织，这种使硬度降低而造成的磨损,扩散磨损 工件在加工过程中，工模具与工件表面在高温或高压下，相互紧密贴合，并发生相互吸引和粘着，致使工模具与工件表面的材料发生相互扩散，造成表面合金元素的贫化或富化，导致工模具表面与基体的成分发生差异，弱化了工模具表面的抗磨损性能，加快了磨损速度，从而降低了工模具寿命。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,结构缺陷可产生裂纹；当切屑经过刀具表面时，金刚石受到循环应力的作用可产生裂纹；刀具表面研磨应力会产生裂纹。这些裂纹在切削过程中会加剧，进而造成刀具的严重破损。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,刀具的破损,金刚石刀具破损
38、的原因为如下几种：,裂纹,是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为解理面。解理是晶体异向性的表现之一，矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。解理总是在原子或离子连接薄弱的面网之间产生，解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，化学键力最强的方向，联结力最强的面，因为垂直这种面的联结力较弱，晶粒易于平行此面破裂。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,解理,a、在切削过程中受到冲击 b、在切削过程中受到振动 刀具的碎裂会降低切削刃的表面质量，影响加工质量。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,碎裂,断口 则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面。,初期磨损
39、正常磨损阶段急剧磨损阶段,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,刀具的磨损过程划分为三个阶段：,工艺磨损限度工。工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的。当刀具磨损到一定数值时，工件表面粗糙度增大尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范围，因此必须予以限制。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,刀具磨钝标准有两种：,合理磨损限度合 这是由合理使用刀具材料的观点出发而制定的磨损限度。因为刀具磨损限度定得太大或太小都会浪费刀具材料。只有取正常磨损阶段终了之前的磨损量合作为磨损限度才能最经济地使用刀具。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,刀具磨钝标准有两种：,定义 刀具由
40、开始切削到磨钝为止的切削总时间称为刀具耐用度，它代表刀具磨损的快慢程度。刀具耐用度愈大，则表示刀具的磨损愈慢，因此影响刀具磨损的因素，都会影响刀具耐用度。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,刀具耐用度：,天然单晶金刚石是精密切削中最重要的刀具材料，它是目前已知的最硬的材料。天然单晶金刚石刀具用于精密切削，其破损或磨损而不能继续使用的标志是加工表面粗糙度超过规定值。金刚石刀具的耐用度平时以其切削路程的长度表示。如切削条件正常，金刚石刀具的耐用度可达数百公里。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,天然单晶金刚石刀具只能在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用，否则由于振动会使金刚石刀具很快产生刀
41、刃微观崩刃，不能继续使用。在金刚石刀具设计时，应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃具有较高的微观强度，减少解理破损的产生概率。,1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度,提高金刚石刀具的耐用度的措施：,第1章 精密切削加工,1.3 精密切削加工机床及应用,二战后，美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术，并为此发展了空气轴承的高性能精密车床。50年来，研究开发了超精密切削机床。超精密切削机床是综合性新技术的结晶，它综合应用多项近代新技术于精密机床，使精密机床产生质的飞跃。近年来，精密和超精密切削技术在民用产品中亦得到广泛的应用，如加工计算机磁盘，复印机的硒鼓，录像机磁鼓，激光打印机的多棱镜等。,1.3.
42、1 精密机床发展概况,国外,一些高生产率的中小型超精密机床陆续开发成功。美国、日本、英国、荷兰，德国等工业发达国家都有工厂、研究所生产和研究开发超精密机床，并达到了较高的水平。四方面：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化。,1.3.1 精密机床发展概况,国外,我国在20世纪60年代起开始发展精密机床。昆明机床厂、汉川机床厂生产多种坐标镗床，最新的坐标镗床已有精密数控系统。重庆机床厂、武汉机床厂能生产高精度的滚齿机。重庆机床厂、上海机床厂等均能生产高精度的蜗轮母机，使加工的蜗轮精度明显提高。北京机床研究所、航空精密机械矶究所等都已批量生产多种规格的三坐标测量机。,1.3.1 精密机床发展概况,国内
43、,1987年北京密云机床研究所研究成功加工球面的JSC-027型超精密车床。北京航空精密机械研究所研制成功的空气轴承的超精密车床和金刚石镗床，性能良好。哈尔滨工业大学研制成功的带激光在线测量的空气轴承主轴数控超精密车床，具有良好的性能。,1.3.1 精密机床发展概况,国内,普通车床径向跳动通常为0.01mm，导轨平直度为0.02mm/1000mm；精密车床的主轴径向跳动通常为0.0030.005mm，导轨平直度为0.01mm/1000mm。超精密加工机床的技术要求则更高，其各项精度指标如表所示。,1.3.2 精密机床的精度指标,精密和超精密加工机床的精度指标,通常，加工设备的精度必须高于零件精
44、度，有时要求高于零件精度一个数量级，即超精加工机床的高精度指标取决于加工零件的高精度。日本精机学会机床研究专业组曾提出超精密加工机床精度指标的提案，见表1.7。,1.3.2 精密机床的精度指标,主轴的回转精度要求极高，并且要求主轴转动平稳、无振动，其关键在于所用的精密轴承。早期采用的是超精密的滚动轴承。（制造难度大）目前多使用液体静压轴承和空气静压轴承。,1.3.3 精密主轴部件,液体静压轴承主轴,液体静压轴承回转精度可达0.1m，且转动平稳，无振动，因此有些超精密机床主轴使用这种轴承。,压力油通过节流孔进入轴承耦合面间的油腔，使轴在轴套内悬浮，不产生固体摩擦。当轴受力偏歪时，耦合面间泄油的间
45、隙改变，相对油腔产生油的压力差，这种油的压力差将振动主轴回到原来的中心位置。,1.3.3 精密主轴部件,液体静压轴承主轴结构,油压0.6-1Mpa,液体静压轴承的油温升高。在不同转速时温度升高值不相同，因此要控制恒温。温升造成的热变形会影响主轴精度。静压油回油时将空气带入油源中，形成微小气泡不易排出，这将降低液体静压轴承的刚度和动特性。,1.3.3 精密主轴部件,液体静压轴承的缺点：,具有回转精度高、刚性较高、转动平稳、无振动的特点，广泛用于超精密机床。,液体静压轴承的优点：,1.3.3 精密主轴部件,提高静压油的压力，使油中微小气泡的影响减小。静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温；同时轴承采
46、用恒温水冷却，减小轴承的温升。,采取的相应措施：,由于空气的粘度小，磨檫小产热小，主轴在高速转动时空气温升很小，因此造成的热变形误差很小.空气轴承的刚度较低，只能承受较小的载荷。而超精密切削时切削力很小，空气轴承能满足要求.故广泛使用.(它的应用促进了超精密机床的发展.)大型精密/超精密机床广泛采用液压静压轴承主轴.,1.3.3 精密主轴部件,空气静压轴承主轴,使用的是干燥过滤空气,采用这种驱动方式，电动机采用直流电动机或交流变频电动机，可以无级调速，不用齿轮变速以减少振动。电动机要求经过精密的动平衡并用单独地基以免振动影响机床精度，传动带用柔软的无接缝的丝质材料制成。为了进一步隔离传动造成的
47、主轴振动，带轮有自己的轴承支撑，经过精密动平衡，通过柔性联轴器与机床主轴相连。,1.3.3 精密主轴部件,主轴的驱动方式主要介绍三种驱动方式,1.电动机通过带传动驱动(早期多采用),这种方案是将调速电机通过柔性联轴器与机床主轴联结在同一轴线上，结构紧凑，目前在超精密机床中使用较普遍。采用这种主轴驱动方案时，为了提高主轴回转精度，电动机应经过精密动平衡，电动机安装时尽量保证电动机轴和主轴同心，并用柔性联轴器消除安装误差引起的振动和回转误差。但主轴部件轴向长度较长,使机床尺寸变大.,1.3.3 精密主轴部件,2.电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴,这种方案是将电动机的转子直接装在机床主轴上，电动机的
48、定子装在主轴箱内，依靠机床的高精度空气轴承支承转子的转动。电动机采用无刷直流电动机。内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个问题：电动机工作时定子将发热产生温升，使主轴部件产生热变形。采取使电动机定子强制通气冷却或定子外壳做成夹层，通恒温油(或水)冷却等措施，可基本解决这个问题。,1.3.3 精密主轴部件,3.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴,此方式电动机与机床主轴同轴,提高回转精度,主轴箱轴向长度缩短,主轴箱成为一个独立的、很方便移动的部件.,1.3.3 精密主轴部件,床身和导轨是精密机床的基础件，其材料性能对精密机床的整体性能有较大的影响。床身和导轨材料应具有尺寸稳定性好，热膨胀系数小，振动衰
49、减能力强，耐磨性好，加工工艺性好等特性。,1.3.4 床身和精密导轨部件,床身和导轨的材料,过去滚动导轨都是使用滚柱直线滚动轴承，滚柱带保持架在导轨的偶合面作直线滚动，轴承长度根据工作行程决定。通过使用高精度滚柱和施加一定的预载应力，可以得到较高的直线运动精度。,1.3.4 床身和精密导轨部件,导轨类型,滚动导轨,滚动导轨在一般机床和精密机床中应用多年，滚动导轨技术不断提高。直线运动的精度可以达到微米级精度，摩擦系数可以达到0.003以下。,直线滚动轴承导轨,再循环滚动组件由于滚动体的再循环，它的工作行程长度不受限制。根据滚动体的类型不同，有再循环滚柱滚动组件和再循环滚珠滚动组件两种类型。,1
50、.3.4 床身和精密导轨部件,再循环滚动组件,由于导轨运动速度不高(精密加工一般进刀量很小），液体静压导轨的温度升高不严重，而液体静压导轨刚度高，承载能力强，直线运动精度高并且平稳现象。,1.3.4 床身和精密导轨部件,液体静压导轨,气浮导轨和空气静压导轨可以得到很高的直线运动精度，运动平稳，无爬行，摩擦系数几乎为零，不发热。,1.3.4 床身和精密导轨部件,气浮导轨和空气静压导轨,1.3.5 进给驱动系统,工件的加工精度是由成形运动的精度决定的。成形运动包括主运动和进给运动。进给运动的精度是由进给系统精度决定的.,有刀具相对工件作纵向(z向)和横向(x向)运动的精密数控系统驱动，以便完成各种
