精密與特種加工作業(yè)

1、1. 目前精密和超精密加工的精度范圍分別為多少？答：精密加工：加工精度為1卩m加工外表粗糙度為 Rau m超精密加工：加工精度為 >卩m加工外表粗糙度為Ra<u m2. 超精密切削對(duì)刀具有什么要求？ 答：為實(shí)現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)具有如下性能：1 極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，以保證刀具有很長(zhǎng)的壽 命和尺寸耐用度。2切削刃鈍圓半徑要極小才能實(shí)現(xiàn)超薄切削厚度。3切削刃無(wú)缺陷， 切削時(shí)刃形將復(fù)印在加工外表上， 能得到超光滑的鏡面。4工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦因數(shù)低，能得到極好的加 工外表完整性。3. 超精密磨削主要用于加工哪些材料？為什么超精密磨削一般多采用金剛

2、石砂 輪？答：超精密磨削主要用來(lái)加工各種高硬度、 高脆性金屬材料和非金屬材料， 如陶 瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料、寶石等。多采用金剛石砂輪的原因：1 可以加工各種高硬度高脆性的材料。2磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng) 化。3磨削力小，磨削溫度低，加工外表質(zhì)量好，無(wú)燒傷、裂紋和組織變化。4磨削效率高 , 由于金剛石有鋒利的刃口， 耐磨性高， 因此有較高的切除率 和磨削比。5加工本錢低，雖然金剛石砂輪比擬昂貴，但其壽命長(zhǎng)，加工效率高，工 時(shí)少，綜合本錢低。4. 固結(jié)磨料加工與游離磨料加工相比有什么特點(diǎn)？ 答：固結(jié)磨料加工與游離磨料加工相比其特點(diǎn)如下：1 可用來(lái)加工各種高硬度

3、、高脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、 半導(dǎo)體材料、寶石、石材、硬質(zhì)合金、銅鋁等有色金屬及合金等。2磨削能力強(qiáng)、耐磨性好、耐用度高，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng) 化。3磨削力小，磨削溫度低，加工外表質(zhì)量好，無(wú)燒傷、裂紋和組織變化。4磨削效率高，有鋒利的刃口，耐磨性高，因此有較高切除率和磨削比。5加工本錢低，加工效率高，工時(shí)少，綜合本錢低。5. 簡(jiǎn)述精密磨削獲得高精度和低粗糙度外表的機(jī)理。答：精密磨削主要是靠砂輪的精細(xì)修整，使磨粒具有微刃性和等高性。磨削后， 被加工外表留下大量極微細(xì)的磨削痕跡， 殘留高度極小， 加上無(wú)火花磨削階段的 作用，獲得高精度和低外表粗糙度的外表。6. 超精密加工

4、中為什么需要采用微量進(jìn)給裝置？常用的微量進(jìn)給裝置有哪些類 型？答：采用微量進(jìn)給裝置的原因：1使機(jī)床微位移的分辨力進(jìn)一步提高。2進(jìn)行機(jī)床和加工誤差的在線補(bǔ)償，以提高加工精度。3進(jìn)行某些特殊的非軸對(duì)稱外表的加工都需要使用微量進(jìn)給裝置。 常用的微量進(jìn)給裝置1機(jī)械傳動(dòng)或液壓傳動(dòng)式2彈性變形式3熱變形式4流體膜變形式5磁致伸縮式6電致伸縮式7. 簡(jiǎn)述對(duì)超精密切削刀具刀刃鋒銳度和粗糙度的理解，分析其對(duì)超精密切削過 程影響。1超精密切削刀具刀刃鋒銳度 當(dāng)其他條件不變時(shí)， 機(jī)床加工所能到達(dá)的幾何精度是由有效切削厚度精確性 來(lái)決定的， 即切削刃從工件外表上有效的切除工件材料的未變形厚度。 由于名義 切削厚度是由

5、機(jī)床上橫向進(jìn)給切削刃給定的， 所以有效切削厚度不總是等于名義 切削厚度。在非常小的切削厚度下， 有效切削厚度的精度可看作是最小切削厚度， 該處的臨界點(diǎn)發(fā)生在切屑形狀從 “穩(wěn)定到不穩(wěn)定 狀態(tài)，這個(gè)最小切削厚度被看 作是決定能夠到達(dá)切削精度的可能極限。金剛石刀具刀刃鋒銳度與超精密切削時(shí)能到達(dá)的極限最小切削厚度有密切關(guān)系。由圖1可以看出存在極限點(diǎn)A,在A點(diǎn)以上被加工材料將堆積起來(lái)形成切 屑，而在A點(diǎn)以下，加工材料經(jīng)彈塑變形形成加工外表。由實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出，圖1中正常切削時(shí)的最小切削厚度 hDm=1 nng所用的金剛石刀具刃口半徑為 34nng 這是極為鋒利的金剛石刀具。因此，切削刃的鋒銳度是影響切削深度

6、的主要因素。 切削刃越鋒利， 亦即切 削刃半徑越小，切削深度也就越小，外表粗糙度值就越小。實(shí)際加工中心，金剛 石刀具的前角取為-25。，切削速度v=3000r/min，切削深度a p=5卩m此時(shí)的 加工外表粗糙度和平面度最好。 金剛石刀具的刃口半徑影響最小切削深度， 即最 小切削厚度。刀刃刃口半徑P越小，刀刃鋒銳度越好，天然金剛石刀具的刃口半 徑可達(dá)卩m超精密加工就是使最小切削厚度盡可能的小，對(duì)工件外表進(jìn)行極微 量的切除。另一方面， 刀具切削刃鈍圓半徑越大， 刀具強(qiáng)度越大； 刀具切削刃鈍圓半徑 越小，刀具越鋒利。 因此， 適宜地選擇金剛石刀具切削刃鈍圓半徑可以使加工時(shí) 的切削力更小，刀具壽命更

7、長(zhǎng)。圖1極限最小切削厚度 hDim和刃口半徑p的關(guān)系2超精密切削刀具刀刃粗糙度被加工外表輪廓是由刀具輪廓轉(zhuǎn)換到垂直切削方向平面上而形成的。 由于切 削刃和工件材料間的界面復(fù)雜， 難以區(qū)分， 因此這種輪廓轉(zhuǎn)換過程取決于分界面 的親和性。 實(shí)驗(yàn)說明， 金剛石對(duì)各種材料的親和性均較小， 因而能夠較好的把切 削刃的輪廓轉(zhuǎn)化到工件的外表上。 但是，由于微量修整或粘附顆粒的影響， 金剛 石切削刃上即使有很小的凹凸不平都會(huì)引起被加工外表上的損傷。 金剛石的轉(zhuǎn)換 精度估測(cè)小于 10nm。目前，金剛石外表的粗糙度可以被研磨到 1nm的數(shù)量級(jí)。因此，金剛石刀具 切削刃前面和排屑面交叉處的粗糙度就可以到達(dá) 10nm

8、以下。這樣，我們就可以 認(rèn)為，金剛石刀具能夠?qū)δ承┙饘倬庸さ?10 nm以下的粗糙度，超過其切削刃 的有效長(zhǎng)度。3超精密切削刀具刀刃鋒銳度和粗糙度對(duì)切削過程的影響由于刀刃鋒銳度和粗糙度對(duì)切削過程的影響是相反的過程， 因此只需分析其 中之一即可。下面分析刀刃鋒銳度對(duì)切削過程的影響在普通切削加工中， 由于切削厚度遠(yuǎn)大于刀具切削刃的鈍圓半徑， 因此可以 不考慮刀具切削刃鈍圓半徑對(duì)切削過程的影響。而超精密切削不同于普通切削， 其切削層極薄， 刀具切削刃的鈍圓半徑將明顯影響切削變形、 已加工外表粗糙度 和外表波紋度等，對(duì)切削過程有著很大的影響。 刀刃鋒銳度對(duì)加工外表粗糙度的影響金剛石刀具刃口鋒銳度對(duì)加

9、工外表粗糙度有一定影響。例如，用p=卩m的金剛石刀具在機(jī)床條件較好時(shí)切鋁合金，僅在進(jìn)給量和切深較小的情況下ap=12y m f m/r可切出Rnax卩m 而更鋒銳的刀具p =卩m 可在較寬 的切削條件下切出RnaxVy m的外表。故在進(jìn)行超精密加工時(shí)，使用刃口半徑小的 鋒銳刀具可有效提高加工外表的質(zhì)量，減小外表粗糙度值。在超精密切削過程中，刀刃的磨損使得刃口半徑p值逐漸增大， 加工外表粗 糙度也逐漸增大。 圖 2 為刀具磨損對(duì)加工外表粗糙度影響的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 從圖 中可以看出，新刀時(shí)刀刃鋒利加工外表粗糙度 FU=U m但當(dāng)切削路程超過300km時(shí)，加工外表粗糙度已超過 卩m超精密切削時(shí)，金剛

10、石刀具磨損不能繼 續(xù)使用的標(biāo)志是加工外表質(zhì)量超差，如果新刀磨得鋒利，那么刀具的耐用度亦會(huì)相 應(yīng)提高，可切削較長(zhǎng)時(shí)間。圖2刀刃磨損對(duì)加工外表粗糙度的影響刀刃鋒銳度對(duì)切削變形的影響在進(jìn)行超精密切削時(shí)，由于切削深度和進(jìn)給量都很小，直接測(cè)量切削變形很 困難。一般是通過測(cè)量主切削力來(lái)間接說明刀具刀刃鋒銳度對(duì)切削變形的影響。 刀刃鋒銳度對(duì)切削力的影響如圖3所示。從圖3中我們可以看到，由于刀刃的鋒銳度不同，切削力有明顯的差異。在 ap較小時(shí)，差異更明顯。在切削深度很小時(shí)，單位切削力急劇增大，這是因?yàn)樵?切削深度和進(jìn)給量都很小的情況下，刃口半徑不同將明顯影響切削變形。 刃口半 徑的微小變化將使切削變形產(chǎn)生很大

11、的變化，因此在超精密切削時(shí)要特別注意這 一點(diǎn)。圖3刀刃鋒銳度對(duì)切削力的影響v=314m/min,f=5 卩 m/r刀刃鋒銳度對(duì)加工外表冷作硬化的影響使用鋒銳度不同的金剛石刀具對(duì)金屬進(jìn)行切削時(shí)， 其對(duì)外表冷作硬化會(huì)產(chǎn)生 明顯不同的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：加工外表變質(zhì)層的冷硬和顯微硬度會(huì)因刀具鋒 銳度的不同而又明顯的差異；在金剛石刀具較鋒銳的情況下p=卩R,超精密切削外表仍有較大的冷硬存在。假設(shè)要求加工外表的變質(zhì)層很小，那相應(yīng)的金剛石 刀具應(yīng)該研磨的更加鋒銳。刀刃鋒銳度對(duì)加工外表層位錯(cuò)的影響加工外表層組織的位錯(cuò)密度是取決于加工時(shí)的切削變形和后刀面的摩擦，是加工外表的質(zhì)量和工作性能的重要標(biāo)志。由于金剛石

12、和有色金屬之間的摩擦系數(shù) 較小一般為，后刀面的摩擦不大，因此影響加工外表層的位錯(cuò)密度的主要因 素是切削變形。切削變形大時(shí)，外表層的位錯(cuò)密度大；切削變形小時(shí)，位錯(cuò)密度 也小。刀刃鋒銳度對(duì)加工外表層剩余應(yīng)力的影響超精密加工的加工外表層的剩余應(yīng)力不僅影響材料的疲勞強(qiáng)度和耐磨性， 而 且還影響加工零件的前期尺寸的穩(wěn)定性，是外表質(zhì)量的重要標(biāo)志。采用p=卩m和卩m的金剛石車削LY12鋁合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：表1不同鋒銳度刀具切鋁合金的加工外表剩余應(yīng)力切削條件外表殘留應(yīng)力MPa切削速度v進(jìn)給量f切削深度cp刀具刃口半徑刀具刃口半徑m/min卩 m/r卩mp = 口 mp = 口 m31451031456

13、31452314513145由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在超精密切削條件下：1 用p =卩m的金剛石加工時(shí)，其加工外表的剩余應(yīng)力要比用p =卩m的刀 具切削時(shí)低得多。2切削深度的減小可以使剩余應(yīng)力減小。但當(dāng)切削深度減小到某臨界值 時(shí)，假設(shè)再繼續(xù)減小切削深度，那么會(huì)使加工外表剩余應(yīng)力增大。4總結(jié)金剛石刀具是超精密切削的理想刀具，在其它加工條件具備時(shí)，金剛石刀具的切削刃鋒利度對(duì)超精密加工過程有很大影響，正確地選擇切削刃鈍圓半徑是獲得高質(zhì)量加工外表的有力保證。參考文獻(xiàn)1 王國(guó)棟，張宇，關(guān)強(qiáng)超精密加工中刀具參數(shù)對(duì)脆性材料非球面加工質(zhì)量的影響J.中國(guó)制 造業(yè)信息化，2021,15:66-69.2 孫俊蘭，姜大志.精密切削中影響零件加工外表完整性的因素分析J.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2002,04:21-23.3 郭諄欽，王承文.超精密加工中刀具形狀對(duì)加工質(zhì)量的影響J. 機(jī) 械,2001,06:52-53+56.4 王西彬.金剛石刀具高速精密切削加工的研究J.工具技術(shù),2002,02:15-18.許平海.超精密金屬切削的金剛石刀具技術(shù)J.工具技術(shù),1993,12:31-34.袁哲俊，周明，王娜君，韓榮久，馬文生.金剛