先进制造工艺技术.ppt

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1、先进制造工艺技术先进制造工艺技术机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 机械制造工艺机械制造工艺是将各种原材料通过改变是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程成为成品或半成品的方法和过程机械制造工艺流程机械制造工艺流程是由原材料和能源的是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、机械加工、材提供、毛坯和零件成形、机械加工、材料改性与处理、装配与包装、质量检测料改性与处理、装配与包装、质量检测与控制等多个工艺环节组成与控制等多个工艺环节组成机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 按其功能的不同，可将机械制造工艺

2、分为按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：如下三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等焊接、铸造、锻压加工成形等机械切削加工阶段机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等刨削、镗削、磨削加工等表面改性处理阶段表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等学镀、热喷涂、涂装等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 制造加工精度不断提高制造加工精度不断提高1818世纪，加工第一台蒸汽机所用的汽缸镗床，世纪，加工第一台蒸汽机所

3、用的汽缸镗床，其加工精度为其加工精度为1 mm1 mm1919世纪末，机械制造精度也仅为世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm0.05mm到了到了2020世纪世纪5050年代末，实现了年代末，实现了 m m 级的加工精级的加工精度度在最近的一二十年时间内，机械制造加工精在最近的一二十年时间内，机械制造加工精度提高了度提高了1 12 2个数量级，达到个数量级，达到lOnmlOnm的精度水的精度水平平先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 切削加工速度迅速提高切削加工速度迅速提高在在2020世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于

4、由于其耐热温度低于200200，所允许的切削速度不，所允许的切削速度不超过超过lOmlOmminmin2020世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500500600600，可允许的切削速度为，可允许的切削速度为303040m40mminmin到了到了2020世纪世纪3030年代，硬质合金开始得到使用，刀具年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到的耐热温度达到80080010001000，切削速度很快提高，切削速度很快提高到每分钟数百米到每分钟数百米随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其耐热温度均

5、在化硼刀具，其耐热温度均在10001000以上，切削速度以上，切削速度可达每分钟一千至数千米可达每分钟一千至数千米 先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 新型工程材料的应用推动了制造工艺的新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战了新的挑战 近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，如：电火花加工、

6、电解加工、超声波加工、如：电火花加工、电解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和激光加工等电子束加工、离子束加工和激光加工等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手

7、段发生了质的变化，程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量优化，大大提高了加工制造的效率和质量先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 零件毛坯成形在向少无余量发展零件毛坯成形在向少无余量发展零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺随着人们对人类生存资源的节省和保护意识随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成形精度向少、无余的提高，要求零件毛坯成

8、形精度向少、无余量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 优质清洁表面工程技术的形成和发展优质清洁表面工程技术的形成和发展表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和

9、组织结构，以获表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技取与基体材料不同性能要求的一项应用技术术近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等化学热处理、激光表面处理、离子注入等一系列先进表面处理技术一系列先进表面处理技术先进制造工艺的特点先进制造工艺的特点 优质优质以先进制造工以先进制造工艺加工制造出的产品艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、寸精确、表面光洁、组织致密、无缺陷杂组织致密、无缺陷杂

10、质、使用性能好、使质、使用性能好、使用寿命和可靠性高用寿命和可靠性高高效高效与传统制造工与传统制造工艺相比，先进制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了生产率，大大降低了操作者的劳动强度和操作者的劳动强度和生产成本生产成本低耗低耗先进制造工艺先进制造工艺可大大节省原材料消可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的提高了对日益枯竭的自然资源的利用率自然资源的利用率洁净洁净应用先进制造应用先进制造工艺可做到零排放或工艺可做到零排放或少排放，生产过程不少排放，生产过程不污染环境，符合日益污染环境，符合日益增长的环境保护要求增长的

11、环境保护要求超高速加工技术超高速加工技术 超高速加工技术的研究背景超高速加工技术的研究背景19311931年年4 4月德国切削物理学家萨洛蒙月德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Carl SalomonSalomon)曾根据一些实验曲线，即人们曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的常提及的著名的“萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线”，提出，提出了超高速切削的理论了超高速切削的理论Salomon提出的切削速度与切削温度曲线提出的切削速度与切削温度曲线 超高速切削概念示意图超高速切削概念示意图 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高速加工技术是指采用超硬材料刀具是指采用超硬材料刀

12、具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度以提高切削速度来达到提高材料切除率、来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术加工精度和加工质量的先进加工技术不同加工工艺的切削不同加工工艺的切削速度范围速度范围 各种材料的切削速度范围各种材料的切削速度范围 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高速加工技术经济效益指标是：在经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，保证加工精度和加工质量

13、的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少将通常切削速度加工的加工时间减少9090，同时将加工费用减少，同时将加工费用减少5050，以，以此衡量高切削速度的合理性此衡量高切削速度的合理性超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术主要包括超高速加工技术主要包括超高速切削与磨削机理研究超高速切削与磨削机理研究超高速主轴单元制造技术超高速主轴单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工在线自动检测与控制技术等超高速加工在线自动检测与控制技术等 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征

14、超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征切削力低切削力低 热变形小热变形小 材料切除率高材料切除率高 高精度高精度 减少工序减少工序 超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展超高速加工技术的发展自从德国自从德国SalomonSalomon博士提出高速切削概念以来，高速博士提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段特别是特别是2020世纪世纪8080年代以来，各工业国家相继投人大量年代以来，各工业国家相继投

15、人大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安全装置以及高性能全装置以及高性能CNCCNC控制系统和测试技术等方面均控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件用提供了基本条件超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用高速切

16、削加工目前主要用于高速切削加工目前主要用于汽车工业汽车工业大批生产、大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域不同的领域航空工业航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机制造是高速加工的主要应用行业，飞机制造通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量艺，从而降低飞机重量模具制造模具制造是高速加工技术的主要收益者。当采用是高速加工技术的主要收益者。当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对

17、高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等工序省去后续的电加工和手工研磨等工序超高速切削加工的特点超高速切削加工的特点通通常常把把切切削削速速度度比比常常规规高高5 51010倍倍以以上上的的切削叫做切削叫做超高速切削超高速切削 超高速切削加工的优越性有以下几点：超高速切削加工的优越性有以下几点：加加工工效效率率高高。高高速速切切削削加加工工比比常常规规切切削削加加工工的的切切削削速度高速度高5 51010倍倍 切削力小。切削力小。高速切削加工切削力至少可降低高速切削加工切削力至少可

18、降低3030 热变形小热变形小加工精度高、加工质量好加工精度高、加工质量好加工过程稳定加工过程稳定减少后续加工工序减少后续加工工序良好的技术经济效益良好的技术经济效益超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床是实现高速、超高速切削超高速切削机床是实现高速、超高速切削的必不可少的设备。超高速机床有以下五的必不可少的设备。超高速机床有以下五项基本要求：项基本要求：超高速的主轴部件超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速响应的数控系统快速的进给部件快速的进给部件动、静、热刚度好的机床支承部件动、静、热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系统和安全装置高压大流

19、量喷射的冷却系统和安全装置超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件在在超超高高速速数数控控机机床床中中，几几乎乎无无一一例例外外地地采采用用了了主主轴轴电电机机与与机机床床主主轴轴合合二二为为一一的的结结构构形形式式。即即采采用用无无外外壳壳电电机机，将将其其空空心心转转子子直直接接套套装装在在机机床床主主轴轴上上，带带有有冷冷却却套套的的定定子子则则安安装装在在主主轴轴单单元元的的壳壳体体内内，形形成成内内装装式式电电机机主主轴轴，简称电主轴简称电主轴超超高高速速主主轴轴单单元元包包括括主主轴轴动动力力源源、主主轴轴、轴轴承承和和机机架架四四个个主主要要部部分

20、分，这这四四个个部部分分构构成成一一个个动动力力学学性性能能和和稳稳定定性性良好的系统良好的系统超高速电主轴结构超高速电主轴结构 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件这这种种电电主主轴轴和和以以前前用用于于内内圆圆磨磨床床的的内内装装式式电电机机主主轴轴有有很很大大的的区区别别，主主要要表表现现在在：有有很很大大的的驱驱动动功功率率和和扭扭矩矩 ；有有较较宽宽的的调调速速范范围围 ；有有一一系系列列监监控控主主轴轴振振动动、轴轴承承和和电电机机温温升升等等运运行行参参数数的的传传感感器器、测测试试控控制制和和报报警警系系统统，以以确保主轴超高速运转的可靠性与

21、安全性确保主轴超高速运转的可靠性与安全性 超超高高速速主主轴轴采采用用的的轴轴承承有有滚滚动动轴轴承承、气气浮浮轴轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的数控系统超高速机床的数控系统超超高高速速切切削削对对数数控控系系统统的的要要求求不不断断提提高高，最最基本的要求是保证高精度、高速度基本的要求是保证高精度、高速度 为了适应高速，要求为了适应高速，要求单个程序段处理时间短单个程序段处理时间短为为了了在在高高速速下下保保证证加加工工精精度度，要要有有前前馈馈和和大大量的超前程序段处理功能量的超前程序段处理功能要要求

22、求快快速速形形成成刀刀具具路路径径，此此路路径径应应尽尽可可能能圆圆滑滑，走走样样条条曲曲线线而而不不是是逐逐点点跟跟踪踪，少少转转折折点点、无尖转点无尖转点程程序序算算法法应应保保证证高高精精度度；碰碰到到干干扰扰能能迅迅速速调调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统超超高高速速切切削削在在提提高高主主轴轴速速度度的的同同时时必必须须提提高高进进给给速速度度，并并且且要要求求进进给给运运动动能能在在瞬瞬时时达达到到高速和瞬时准停等高速和瞬时准停等 超超高高速速切切削削机机床床

23、的的进进给给系系统统不不仅仅要要能能达达到到很很高高的的进进给给速速度度，还还要要求求进进给给系系统统具具有有大大的的加加速度以及高的定位精度速度以及高的定位精度 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统更更先先进进、更更高高速速的的直直线线电电动动机机已已经经发发展展起起来来，它它可可以以取取代代滚滚珠珠丝丝杠杠传传动动，提提供供更更高高的的进进给给速速度度和和更更好好的的加加、减减速特性速特性直直线线电电机机直直接接驱驱动动的的优优点点是是：控控制制特特性性好好、增增益益大大、滞滞动动小小，在在高高速速运运动动中中保保持持较较高高位位移移精精度度；高

24、高运运动动速速度度，因因为为是是直直接接驱驱动动，最最大大进进给给速速度度可可高高达达100100180 180 m/minm/min；高高加加速速度度，由由于于结结构构简简单单、质质量量轻轻，可可实实现现的的最最大大加加速速度度高高达达2 210g10g；无无限限运运动动长长度度；定定位位精精度度和和跟跟踪踪精精度度高高，以以光光栅栅尺尺为为定定位位测测量量元元件件，采采用用闭闭环环反反馈馈控控制制系系统统，工工作作台台的的定定位位精精度度高高达达0.10.10.010.01；起起动动推推力力大大(可可达达12000N12000N)；由由于于无无传传动动环环节节，因因而而无无摩摩擦、无往返程

25、空隙，且运动平稳擦、无往返程空隙，且运动平稳超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的支承部件超高速机床的支承部件超超高高速速加加工工机机床床的的支支承承制制造造技技术术是是指指超超高高速速加加工工机机床床的的支支承承构构件件如如床床身身、立立柱柱、箱箱体体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术工作台、底座、托板、刀架等的制造技术由由于于超超高高速速加加工工机机床床同同时时需需要要高高主主轴轴转转速速、高高进进给给速速度度、高高加加速速度度，又又要要求求用用于于高高精精度度的的零零部部件件加加工工，因因而而集集“三三高高”(高高速速度度、高高精精度度、高高刚刚度度)于于一一身身就就成

26、成为为超超高高速速加加工工机床的最主要特征机床的最主要特征超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的冷却系统超高速机床的冷却系统超高速加工时，必然产生大量的高温热切超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行妨碍切削加工的继续进行超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具系统超高速切削的刀具系统超高速切削加工刀具系统超高速切削加工刀具系统由刀具材料、刀具几何角度由刀具材料、刀具几何角度与形状、刀体结构与刀片夹紧结构

27、、刀具与机床的联与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成刀具系统具有如下特点刀具系统具有如下特点 刀刀片片在在刀刀体体上上的的定定位位夹夹紧紧牢牢固固、安安全全，刀刀具具与与机机床床的的联联结结可可靠靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约3030切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 刀刀具具磨磨损损主主要要由由切切削削温温度度、刀刀具具切切屑屑之之间间和和刀刀具具工工件件之之间的相对速度决定的间的相对

28、速度决定的 超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料 超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性冲击性和耐磨性涂涂层层刀刀具具材材料料。涂涂层层刀刀具具通通过过在在刀刀具具基基体体上上涂涂覆覆金金属属化化合合物物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能金金属属陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料。金金属属陶陶瓷瓷具具有

29、有较较高高的的室室温温硬硬度度、高高温温硬硬度及良好的耐磨性度及良好的耐磨性陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料。陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料主主要要有有氧氧化化铝铝基基和和氮氮化化硅硅基基两两大类大类PCDPCD刀刀具具材材料料。PCDPCD是是在在高高温温高高压压条条件件下下通通过过金金属属结结合合剂剂(如如CoCo等等)将金刚石微粉聚合而成的多晶材料将金刚石微粉聚合而成的多晶材料CBNCBN刀刀具具材材料料。CBNCBN刀刀具具具具有有极极高高的的硬硬度度及及红红硬硬性性，可可承承受受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件 超高速磨削的机理超高速磨削的机理超高速切削

30、机床超高速切削机床磨削加工按砂轮线速度磨削加工按砂轮线速度VsVs的高低可分为普通的高低可分为普通磨削磨削(VsVs303040 40 m/sm/s)和高速磨削和高速磨削(Vs45 Vs45 m/sm/s)两类两类为了与为了与20 20 世纪世纪80 80 年代以前速度不超过年代以前速度不超过8080120 120 m/sm/s 的一般高速磨削相区别的一般高速磨削相区别,通常将速通常将速度为普通磨削速度度为普通磨削速度5 5 倍以上倍以上(即即Vs150 Vs150 m/sm/s)的高速磨削称为的高速磨削称为超高速磨削超高速磨削（Super-High Super-High Speed Grin

31、ding Speed Grinding 或或Ultra-High Speed GrindingUltra-High Speed Grinding）超高速磨削的特点超高速磨削的特点大幅度提高磨削效率大幅度提高磨削效率磨削力小磨削力小 降低加工工件表面粗糙度降低加工工件表面粗糙度 砂轮寿命延长砂轮寿命延长 改善加工表面完整性改善加工表面完整性 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速主轴超高速主轴高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程度度机电动平衡系统机电动平衡系统 超高速磨削的

32、关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点等优点高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化离心力的作用，并根据应用场合进行优化高速砂轮的结构和形状优化高速砂轮的结构和形状优化 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮超高速砂轮的修整超高速砂轮的修整在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正确在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正

33、确的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削的磨削液及其注入系统超高速磨削的磨削液及其注入系

34、统 磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好 常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使用用 超精密加工技术超精密加工技术超精密加工技术的技术范围超精密加工技

35、术的技术范围超精密加工机理超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等数对表面质量的影响等超精密加工的刀具、磨具及其制备技术超精密加工的刀具、磨具及其制备技术包括金刚石包括金刚石刀具

36、的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键技术技术超精密加工机床设备超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构求，具有微量进给机构超精密加工技术的技术范围超精密加工技术的技术范围精密测量及补偿技术精密测量及补偿技术超精密加工必须有相应级别的测超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方量技

37、术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪来测量。表面粗糙电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量。度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量。表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用X X光光衍射法、激光干涉法、超声波法来测量衍射法、激光干涉法、超声波法来测量严

38、格的工作环境严格的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，工作精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等；有时尚有求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等；有时尚有噪声、光、静电、电磁、放射线等

39、方面的特殊要求噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求超精密加工的应用与发展超精密加工的应用与发展在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在5050年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用加工激光核聚变反射镜、战术导弹及

40、载人飞船用球面非球面大型零件球面非球面大型零件日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国超精密加工的应用与发展超精密加工的应用与发展我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进年代末期有了长足进步，步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术

41、研究的主要单位之一，研制出了多种不同工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等器等 超精密加工技术超精密加工技术发展趋势发展趋势是：向更高精度、更高是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料新方法、新材料 超精密切削加工超精密切削加工 超超精精密密切切削削主主要要

42、是是指指超超精精密密金金刚刚石石刀刀具具切切削削，例例如如加加工工各各种种镜镜面面等等。超超精精密密切切削削是是一一项项内内容容广广泛泛的的新新技技术术，它它的的加加工工精精度度和和表表面面质质量量是是由由所所使使用用的的机机床床设设备备、金金刚刚石石刀刀具具、加加工工工工艺艺、测测量量和和误误差差补补偿偿技技术术、操操作作者者的的水水平平以以及及环环境境条条件件来来决决定定的的。金金刚刚石石刀刀具具是是其其中中非非常常重重要要的的一一项项，它它是是精精密超精密切削的关键密超精密切削的关键金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密加加工工技技术术，主主要要应应用用于于两两个个方方面面：单单件件的的大大型

43、型超超精精密密零零件件的的切切削削加加工工和和大大量量生生产的中小型零件的超精密加工技术产的中小型零件的超精密加工技术 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求极高的硬度、耐用度和弹性模量极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度刃口能磨得极其锋锐，刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小刃口半径值极小，能，能实现超薄的切削厚度实现超薄的切削厚度刀刃无缺陷刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面面上，而不能得到超光滑的镜面与工件材料的抗粘结性好

44、、化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性，能得到极好的加工表面完整性超精密切削加工超精密切削加工 金刚石刀具的性能特征金刚石刀具的性能特征具有极高的硬度具有极高的硬度能磨出及其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、能磨出及其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象崩刃等现象 热化学性能优越，具有导热性能好，与有色热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征 耐磨性好，刀刃强度高耐磨性好，刀刃强度高 超精密切削加工超精密切削加工 刀刃半径对加工质量的影响刀刃半径对加工质量的影响刀刃

45、刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际刀刃刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影响，经实验和生产证明，它主要表现在以下响，经实验和生产证明，它主要表现在以下几个方面：几个方面：刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，加工表面粗糙度值越小加工表面粗糙度值越小刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小切削变形和切削力越小刀刃锋锐度越好，切削表面层的刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织冷硬现象和组织位错现象越小位错现象越小刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小加工表面残留应力越小超精密磨削加工超精密磨削加工 超

46、超精精密密磨磨削削，是是指指加加工工精精度度达达到到或或高高于于 、表表面面粗粗糙糙度度低低于于 的的一一种种亚亚微微米米级级加工方法，并正向纳米级发展加工方法，并正向纳米级发展超超精精密密磨磨削削的的关关键键在在于于砂砂轮轮的的选选择择、砂砂轮轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床的修整、磨削用量和高精度的磨削机床 磨磨削削加加工工可可分分为为砂砂轮轮磨磨削削、砂砂带带磨磨削削，以以及研磨、珩磨和抛光等加工方法及研磨、珩磨和抛光等加工方法超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 在超精密磨削中所使用的砂轮，其材在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因料

47、多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂超硬磨料砂轮轮 超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 超精密磨削砂轮的修整超精密磨削砂轮的修整在线电解修整法在线电解修整法（Electrolytic in-Process Electrolytic in-Process DressingDressing，ELIDELID）。）。砂轮通过电刷接电源正极砂轮通过电刷接电源正极,根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极接电源的负极接电源的负极,电极与砂轮表面之间有一定的间电极与砂轮表面之间有一定的间隙隙,从

48、喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入该间隙后该间隙后,在电流的作用下在电流的作用下,砂轮的金属基体作砂轮的金属基体作为阳极被电解为阳极被电解,使砂轮中的磨粒露出表面使砂轮中的磨粒露出表面,形成形成一定的出刃高度和容屑空间一定的出刃高度和容屑空间,随着电解过程的进随着电解过程的进行行,在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜,阻止电解阻止电解过程的继续进行过程的继续进行,使砂轮损耗不致太快。当砂轮使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨损后表面的磨粒磨损后,钝化膜被工件材料刮擦去除钝化膜被工件材料刮擦去除继续进行继续进行,以对砂轮表面进一步修整

49、以对砂轮表面进一步修整超精密磨削加工超精密磨削加工 电火花修整法电火花修整法（Electric Spark DressingElectric Spark Dressing）。将）。将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器和修整器(石墨电极石墨电极)，其原理是电火花放电加，其原理是电火花放电加工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮

50、修整到所需形状互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状超精密磨削加工超精密磨削加工 激光修锐技术激光修锐技术（Laser Assisted DressingLaser Assisted Dressing）利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获剂，通过