代制造技术精密与超精密加工技术.ppt
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1、 先进制造技术先进制造技术青岛科技大学青岛科技大学机电学院机电学院精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术1主要内容主要内容n精密与超精密加工概念精密与超精密加工概念n精密、超精密加工设备精密、超精密加工设备n加工工具和被加工材料加工工具和被加工材料n主要加工方法主要加工方法n精密、超精密加工环境精密、超精密加工环境n超精密加工发展趋势超精密加工发展趋势21.概念概念n按加工精度,可将机械加工分为按加工精度,可将机械加工分为一般加工、精密加工、一般加工、精密加工、超精密加工。超精密加工。n精密加工:精密加工:加工精度(包括尺寸精度和形位精度)在加工精度(包括尺寸精度和形位精度)在1m,表面粗糙
2、度,表面粗糙度Ra小于的加工技术;小于的加工技术;n超精密加工超精密加工:加工精度小于,表面粗糙度:加工精度小于,表面粗糙度Ra小于,以及小于,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于的加工技术,所用机床定位精度的分辨率和重复性高于的加工技术,亦称之为亦称之为亚微米级加工技术亚微米级加工技术,且正在向,且正在向纳米级加工技术纳米级加工技术发展。发展。3超精密加工是以高精度为目标的技术,必须综合应用各种新超精密加工是以高精度为目标的技术,必须综合应用各种新技术、且在各方面要求精益求精。实现超精加工的主要技术、且在各方面要求精益求精。实现超精加工的主要条件包括以下各方面高新技术:条件包括以下各方面
3、高新技术:n(1)超精密加工机床与装、夹具;)超精密加工机床与装、夹具;n(2)超精密切削刀具、刀具材料、刀具刃磨技术;)超精密切削刀具、刀具材料、刀具刃磨技术;n(3)超精密加工工艺;)超精密加工工艺;n(4)超精密加工环境控制(包括恒温、隔振、洁净控制)超精密加工环境控制(包括恒温、隔振、洁净控制等)等)n(5)超精密加工的测控技术。)超精密加工的测控技术。42.超精密加工的发展、应用超精密加工的发展、应用n超精密加工技术是在超精密加工技术是在20世纪世纪50年代初美国用单刃金刚石车刀镜年代初美国用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。面切削铝合金和无氧铜开始的。n1977年日本精机
4、学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的年日本精机学会精密机床研究委员会根据当时技术发展的要求,对机床的加工精度标准提出补充要求,对机床的加工精度标准提出补充IT1和和IT2两个等级两个等级(见下表),比原来最高精度等级(见下表),比原来最高精度等级IT0提高了很多。提高了很多。精度等级精度等级/mIT2IT1IT0IT-1IT-2零零件件尺寸精度尺寸精度2.51.250.750.30.25圆度圆度0.70.30.20.120.06圆柱度圆柱度1.250.630.380.250.13平面度平面度1.250.630.380.250.13表面粗糙度表面粗糙度0.20.070.050.030.01机
5、机床床主轴跳动主轴跳动0.70.30.20.120.06运动直线度运动直线度1.250.630.380.250.135n近年来,超精密加工精度从提高到。随着大规模集成电近年来,超精密加工精度从提高到。随着大规模集成电路的发展及微机械的要求,人们期望达到甚至突破的加路的发展及微机械的要求,人们期望达到甚至突破的加工精度,使超精密加工技术从亚微米级向纳米级发展。工精度,使超精密加工技术从亚微米级向纳米级发展。n1980年,美国国防部空军兵器研究所和年,美国国防部空军兵器研究所和LLNL实验室提实验室提出了出了POMA精度提高计划:将直径精度提高计划:将直径800mm的大型非球面的大型非球面反射镜的
6、形状精度由提高到数量级以上。反射镜的形状精度由提高到数量级以上。n当前已经有了纳米级加工记录,但还只是一种实验阶段当前已经有了纳米级加工记录,但还只是一种实验阶段的实验数据,用机械去除法加工还不能超越的界限。的实验数据,用机械去除法加工还不能超越的界限。6n近年来,超精密加工技术的应用呈每年翻一番的增长率,这标志着精近年来,超精密加工技术的应用呈每年翻一番的增长率,这标志着精密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体。图密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体。图1为精密为精密与超精密加工的应用。与超精密加工的应用。图173.超精密加工方法机理超精密加工方法机理n根据加工方法
7、的机理和特点,超精密加工方法可分为去根据加工方法的机理和特点,超精密加工方法可分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。除加工、结合加工和变形加工三大类。图2 超精密加工方法、机理84精密、超精密加工设备精密、超精密加工设备n加工机床是实现精密、超精密加工的首要条件。加工机床是实现精密、超精密加工的首要条件。要实现超微量切削,必须配有微量移动工作台的要实现超微量切削,必须配有微量移动工作台的微进给驱动装置和满足刀具角度微调的微量进给微进给驱动装置和满足刀具角度微调的微量进给机构,并能实现数字控制。机构,并能实现数字控制。n(1)主轴及其驱动装置:主轴是超精密机床的)主轴及其驱动装置:主轴是超精密
8、机床的圆度基准,要求极高的回转精度,范围为圆度基准,要求极高的回转精度,范围为m;还要有相应的刚度以抵抗受力变形。主轴广泛采用空气还要有相应的刚度以抵抗受力变形。主轴广泛采用空气静压轴承,主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱静压轴承,主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动的系统。动的系统。9n(2)导轨及其驱动装置:导轨是超精密机床的直线性导轨及其驱动装置:导轨是超精密机床的直线性基准,精度要求达到。有滑动导轨、滚动导轨、液体基准,精度要求达到。有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨、空气静压导轨,用的最多的是液体静压导轨、静压导轨、空气静压导轨,用的最多的是液体静压导轨、空气静压导轨。利用静
9、压支撑的摩擦驱动。空气静压导轨。利用静压支撑的摩擦驱动。n(3)微量进给装置:用于刀具微量调整,保证零件尺寸)微量进给装置:用于刀具微量调整,保证零件尺寸精度。有机械式、弹性变形式、热变形式、电致伸缩式、精度。有机械式、弹性变形式、热变形式、电致伸缩式、微致伸缩、流体膜变形微量进给装置。微致伸缩、流体膜变形微量进给装置。105加工工具和被加工材料加工工具和被加工材料n加工工具主要是刀具、磨具及其刃磨、修整装置:加工工具主要是刀具、磨具及其刃磨、修整装置:n(1)切削加工:)切削加工:n刀具材料:金刚石、立方氮化硼、陶瓷等刀具材料:金刚石、立方氮化硼、陶瓷等n(2)磨削加工:)磨削加工:n主要磨
10、具:金刚石、立方氮化硼(主要磨具:金刚石、立方氮化硼(CBN)等粉末砂轮)等粉末砂轮n其修整比较困难其修整比较困难n(3)研磨和抛光:)研磨和抛光:n为获得高精度和低表面粗糙度,采用铸铁、聚酯、呢毡为获得高精度和低表面粗糙度,采用铸铁、聚酯、呢毡等材料作为研具或抛光器,采用金刚石、等材料作为研具或抛光器,采用金刚石、CBN、铬刚玉、铬刚玉、氧化铝等磨料。氧化铝等磨料。11n被加工材料被加工材料n工件材料的化学成分、物理性能、熔炼、塑性加工、工件材料的化学成分、物理性能、熔炼、塑性加工、热处理等工艺都有严格要求;热处理等工艺都有严格要求;n金属材料各金属元素必须混合均匀,通过正确的热处金属材料各
11、金属元素必须混合均匀,通过正确的热处理控制晶粒细化;理控制晶粒细化;n材料必须无气泡,加工后残余应力小,能长期保持尺材料必须无气泡,加工后残余应力小,能长期保持尺寸精度稳定性。寸精度稳定性。126.超精密加工的主要加工方法超精密加工的主要加工方法要求如下:要求如下:n(1)高精度)高精度:包括高的静精度和动精度,主要性能指标:包括高的静精度和动精度,主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。有几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率等。n(2)高刚度)高刚度:包括高的静刚度和动刚度,除本身刚度外,:包括高的静刚度和动刚度,除本身刚度外,还应注意接触刚度,同时应考虑工件、车床、刀
12、具、夹具还应注意接触刚度,同时应考虑工件、车床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。所组成的工艺系统刚度。n(3)高稳定性)高稳定性:机床在使用过程中应能长时间保持精度、:机床在使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定工作,应具有良好的耐磨性、抗振性等。抗干扰、稳定工作,应具有良好的耐磨性、抗振性等。n(4)高自动化)高自动化:为保证加工质量,减小人为因素影响,:为保证加工质量,减小人为因素影响,加工设备多用数控系统实现自动化。加工设备多用数控系统实现自动化。13超精密切削超精密切削n主要借助于锋利的金刚石刀具对工件进行车削和主要借助于锋利的金刚石刀具对工件进行车削和铣削,用于加工要求高表面质量
13、和高形状精度的铣削,用于加工要求高表面质量和高形状精度的有色金属和非金属零件。有色金属和非金属零件。n超精密车削可达超精密车削可达m粗糙度和非球面形状精度。粗糙度和非球面形状精度。14n镜面加工大直径镜面加工大直径光学镜头;光学镜头;n双立柱立式车床双立柱立式车床结构;结构;n六角刀盘驱动;六角刀盘驱动;n分辨力:;分辨力:;n定位误差:定位误差:0.0025m;n低热膨胀材料组低热膨胀材料组合技术,恒温液合技术,恒温液体冷却,液体温体冷却,液体温度控制在度控制在200.0005美国美国LawrenceLivemore实验室和美国空实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石超精密车床军合作研制
14、出的大型光学金刚石超精密车床15n美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究,美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究,下图为日本一台比较理想的盒式超精密立式车床。下图为日本一台比较理想的盒式超精密立式车床。图316超精密磨削超精密磨削n在一般精密磨削基础发展而来;在一般精密磨削基础发展而来;n提供镜面级的表面粗糙度,保证精确的几何形状提供镜面级的表面粗糙度,保证精确的几何形状和尺寸。和尺寸。n加工对象:玻璃、陶瓷等脆硬材料。加工对象:玻璃、陶瓷等脆硬材料。n砂轮修整技术非常关键,砂轮表面容易被切屑堵砂轮修整技术非常关键,砂轮表面容易被切屑堵塞。塞。n加工精度:加工精度:
15、m圆度、尺寸精度、表面粗糙度的圆柱形圆度、尺寸精度、表面粗糙度的圆柱形零件。零件。n图例:英国四面体超精密磨床图例:英国四面体超精密磨床1718超精密研磨、抛光超精密研磨、抛光n研磨、抛光均是利用研磨剂使工件和研具之间通过研磨、抛光均是利用研磨剂使工件和研具之间通过复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。n超精密研磨加工方法包括:机械研磨、化学机械研超精密研磨加工方法包括:机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工、磁力研磨。磨、浮动研磨、弹性发射加工、磁力研磨。n球面度:;,弹性发射加工可达。球面度:;,弹性发射加工可达。1920n机械零件外圆
16、超精研机机械零件外圆超精研机n3MZ系列超精研机以无心贯穿方系列超精研机以无心贯穿方式对轴承套圈、圆柱滚子、圆锥式对轴承套圈、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针、油针、柱塞、阀芯滚子、滚针、油针、柱塞、阀芯等外表面进行超精加工。等外表面进行超精加工。n本设备可在磨削的基础上显著改本设备可在磨削的基础上显著改善表面质量,提高几何精度,具善表面质量,提高几何精度,具有高效率、高精度、高可靠性等有高效率、高精度、高可靠性等特点,广泛应用于轴承、汽车、特点,广泛应用于轴承、汽车、摩托车、油泵油嘴、液压件等行摩托车、油泵油嘴、液压件等行业,尤其适用于圆柱和圆锥滚子业,尤其适用于圆柱和圆锥滚子的凸度超精,通过导辊的
17、特别设的凸度超精,通过导辊的特别设计与加工,可获得对数型、圆弧计与加工,可获得对数型、圆弧全凸型等多种滚子凸度形式。全凸型等多种滚子凸度形式。21型号型号3MZ62303MZ62053MZ61303MZ6312加工对象加工对象圆柱凸度滚子圆柱凸度滚子滚针凸度滚针凸度圆锥滚子凸度圆锥滚子凸度外圆外圆加工范围(加工范围(mm)6352.55630 6120圆度改善率(圆度改善率(%)30%粗糙度(粗糙度(Ra/m)0.080.04,超前为超前为0.20.1凸度量(凸度量(m)20315直素线振荡频率振荡频率(r/min)2000(无极(无极调调速)速)振荡幅度(振荡幅度(mm)04(无极调速)(无
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