第八章现代制造技术.doc

第八章 现代制造技术 第一节 精密超精密加工技术 精密及超精密加工对尖端技术的发展起着十分重要的作用。当今各主要工业化国家都投入了巨大的人力物力,来发展精密及超精密加工技术,它已经成为现代制造技术的重要发展方向之一。 本节将对精密、超精密加工和细微加工的概念、基本方法、特点和应用作一般性介绍。 一、精密加工和超精密加工的界定 精密和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。这种划分是相对的，随着生产技术的不断发展，其划分界限也将逐渐向前推移。 1．一般加工 一般加工是指加工精度在10μm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为Ra0.2μm~0.8μm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。 2．精密加工 精密加工是指精度在10μm~0.1μm（IT5或IT5以上）、表面粗糙度值小于Ra0.1μm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件，如精密丝杠、精密齿轮、精密导轨、微型精密轴承、宝石等的加工。 3．超精密加工 超精密加工一般指工件尺寸公差为0.1μm~0.01μm数量级、表面粗糙度Ra为0.001μm数量级的加工方法。如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等，用于精密组件、大规模和超大规模集成电路及计量标准组件制造等方面。 二、实现精密和超精密加工的条件 精密和超精密加工技术是一项内容极为广泛的制造技术系统工程，它涉及到超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、设备系统、工具条件、工件状况、计量技术、工况检测及质量控制等。其中的任一因素对精密和超精密加工的加工精度和表面质量，都将产生直接或间接的不同程度的影响。 1．加工环境 精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。因为加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。超稳定加工环境主要是指在恒温、防振、超净三个方面的要求。 ⑴ 恒温 温度增加l℃时，100mm长的钢件就可能会产生1μm的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都是微米级、亚微米级或更高。因此，为了保证加工区极高的热稳定性，精密加工和超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行，即不仅放置机床的房间应保持恒温，还要对机床采取特殊的恒温措施。例如美国LLL实验室的一台双轴超精密车床安装在恒温车间内，机床外部罩有透明塑料罩，罩内设有油管，对整个机床喷射恒温油流，加工区温度可保持在20±0.06℃的范围内。 ⑵ 防振 机床振动对精密加工和超精密加工有很大的危害，为了提高加工系统的动态稳定性，除了在机床设计和制造上采取各种措施，还必须用隔振系统来保证机床不受或少受外界振动的影响。例如，某精密刻线机安装在工字钢和混凝土防振床上，再用四个气垫支承约7.5t的机床和防振床，气垫由气泵供给恒定压力的氮气。这种隔振方法能有效地隔离频率为6Hz~9Hz、振幅为0.1μm~0.2μm的外来振动。 ⑶ 超净 在未经净化的一般环境下，尘埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小于1μm，也有不少直径在1μm以上甚至超过10μm的尘埃。这些尘埃如果落在加工表面上，可能将表面拉伤；如果落在量具测量表面上，就会造成操作者或质检员的错误判断。因此，精密加工和超精密加工必须有与加工相对应的超净工作环境。 2．工具切（磨）削性能 精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄的金属层。当精密切削（或磨削）的背吃刀量ap在1μm以下时，背吃刀量可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，因此作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的剪切应力和由此而产生的很大的热量。一般的刀具或磨粒材料是无法承受的，因为普通材料的刀具其切削刃的刃口不可能刃磨得非常锋利，平刃性也不可能足够好，这样会在高应力高温下快速磨损。一般磨粒经受高应力高温时，也会快速磨损。这就需要对精密切削刀具的微切削性能进行认真的研究，找到满足加工精度要求的刀具材料及结构。此外，刀具、磨具等工具必需具有很高的硬度和耐磨性，以保持加工的一致性，一般采用金刚石、CBN超硬材料。 3．机床设备 精密加工和超精密加工必须依靠高精密加工设备。高精密加工机床应具备以下条件： ⑴ 机床主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性； ⑵ 机床进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行； ⑶ 为了在超精密加工时实现微量进给，机床必须配备位移精度极高的微量进给机构； ⑷ 采用微机控制系统，自适应控制系统，避免手工操作引起的随机误差。 4．工件材料 精密加工和超精密加工对工件的材质有很高的要求。选择材料不仅要从强度、刚度方面考虑，而且