精密与特种加工考试试题13级答案

大连理工大学研究生试卷
课程名称：精密与特种加工
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姓名：
考试时间：13年11月15日
《精密与加工技术》试题
一.必答题 1. 目前精密和超精密加工的精度范围分别为多少？
答：（1）目前超精密加工技术是指加工尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面粗糙度达到纳米级的加工技术。

在某些领域已经延伸到纳米尺度范围，其加工精度已接近纳米级，表面粗糙度已经达到0.1nm 级，并且正向原子级加工精度逼近。

其中，超精密切削的加工精度高于0.01μm ，表面粗糙度在0.02~0.005μm 之间；超精密磨削的加工精度达到或高于0.1μm ，表面粗糙度在0.025~0.003μm 之间；超精密抛光的加工精度可达数纳米，加工表面粗糙度可达0.1nm 级。

（2）精密加工的加工精度为0.1~1μm ，加工表面粗糙度为0.3~0.03μm ；其中精密磨削的加工精度约为1μm ，表面粗糙度为0.025μm 。

2. 超精密切削对刀具有什么要求？
答：(1)刀具刃口锋锐度ρ小，以实现超薄切削，减小切削刃表面的弹性恢复和表面变质层；
（2）极低的切削刃粗糙度，0.1~0.2y R m μ=，以减少刀具刃口误差复映的影响，获得超光滑表面；
（3）极高的硬度与耐磨性，极高的弹性模量，以保证刀具具有极高的寿命及很高的尺寸耐用度；
（4）足够的强度，刃口无缺陷，耐崩刃，以抵抗切削时晶粒内部强大的分子、原子间结合力；
（5）化学亲和力小，和工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。

3. 超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用金刚石砂轮？
答：（1）超精密磨削的加工对象有：黑色金属以及陶瓷、玻璃等硬脆材料。

（2）一方面，由于超精密磨削是一种超微量去除加工方式，其切削厚度极薄，磨粒的切削深度甚至小于晶粒的尺寸，使得磨削过程在晶粒内部进行，这就要求磨削力大于晶粒内部极大的原子、分子结合力，这样磨粒所承受的切应力非常大甚至趋近于被磨削材料的剪切强度极限，这就要求磨粒具有较高的抗剪切能力；另一方面，由于磨削过程中所产生的高温、高压作用，又要求磨粒在高温下具有较好的硬度、强度保持性。

对于普通的磨料，在高温、高压与高剪切力作用下，磨粒会迅速磨损或崩裂，加工表面质量严重恶化；相反，由于超硬磨料砂轮具有耐磨性好、寿命高，磨削温度低、散热性能好，加工表面质量好，磨削效率高，热稳定性好、与铁族元素亲和力低、化学稳定性好等优点，可用来加工各种高硬度、高脆性金属与非金属材料。

因此，在超精密磨削中多选用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

4. 固结磨料加工与游离磨料加工相比有什么特点？
答：（1）游离磨料加工是基于三体摩擦磨损原理，工艺参数多，加工过程不稳定，
磨料运动没有明确轨迹，材料的去除量很难预测；而固结磨料加工是两体摩擦磨损原理，工艺变量少，加工过程相对稳定，具有可重复性，容易实现自动化控制；（2）游离磨料加工时，抛光液中的游离磨料分布在工件与抛光垫之间的所有区域，工件上较低部位也同样受到抛光作用，往往需要较大去除量才能达到全局平坦化；而固结磨料加工只有固结在抛光垫上凸出部位的磨粒才会与工件接触部位发生作用，具有很高的选择性，且由于接触区域小，接触压力大，去除速率增加，只需较小去除量，就可达到平坦化；
（3）游离磨料加工过程中，磨料会堵塞在软质抛光垫内，使其容屑及排屑能力变差，需不断修整湿润抛光垫，此外，抛光后一部分磨料还会镶嵌在薄膜层表面，不易清洗；而固结磨料加工操作过程简单，没有抛光浆料及悬浮微粒的处理问题，也没有更换修整抛光垫的问题，因此，正常加工的时间较长；
（4）游离磨料加工时由于磨料在工件与抛光垫之间不均匀分布，易引起碟形过抛等缺陷；而固结磨料加工具有抛光自停功能，有效地减小各种表面缺陷；（5）固结磨料加工的材料去除率是游离磨料加工的3倍，其平坦化速率高；（6）游离磨料加工过程中磨料、抛光垫磨损严重，成本高；而固结磨料加工的磨损率很低，利用率高，有效减少了杂质微粒对抛光表面的污染，加工表面易清理，废液处理简单，可有效降低成本。

5.简述精密磨削获得高精度和低粗糙度表面的机理。

答：（（1）砂轮的选择与修整：精密磨削所选用砂轮主要以容易产生和保持微刃及其等高性为原则，砂轮经过精细修整之后，使其表面磨粒具有等高性及微韧性，因此，磨削之后工件表面留下的磨削痕迹极其微细，且残留高度小；
（2）微刃的微切削作用：采用较小的修整速度与修整深度对砂轮进行修整，易得到高度一致的微切削刃。

这样，无数个微切削刃对砂轮进行微细切削便形成了小粗糙度的表面；
（3）微刃的滑擦、挤压、抛光作用：刚修整完的砂轮表面切削刃较为锋利，切削作用强，随着磨削时间的增加，一方面砂轮表面磨粒变钝，切削作用减弱，挤压，滑擦、抛光作用增强；另一方面，磨削区温度升高，金属表面软化。

因此，切削作用所形成的凸峰就在钝化磨粒的挤压、滑擦作用下被碾平，进一步降低表面粗糙度；
（4）无火花磨削：使磨床各相关部件的弹性变形得以恢复，进一步提高精度、降低工件的表面粗糙度。

6. 超精密加工中为什么需要采用微量进给装置？常用的微量进给装置有哪些类型？
答：（1）在超精密机床和超精密加工中，为使机床微位移的分辨力进一步提高；为进行机床和加工误差的在线补偿，以提高加工的形状精度；为进行某些特殊的非轴对称表面的加工，都需要使用微量进给装置。

高精度微量进给装置现在已成为超精密机床的一个重要的关键装置，重要的机床附件。

（2）现在用的微量进给装置有多种结构形式，多种工作原理，归纳起来有下面6种类型：机械传动或液压传动式，弹性变形式，热应变式，流体膜变形式，磁致伸缩式，电致伸缩式。

根据精密和超精密微量进给装置的要求，上述6种类型中，仅有弹性变形式和电致伸缩式微量机构比较适用，并比较成熟。

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，可以用于误差在线补偿。

二.选答题
14. 论述磨料射流加工技术的原理和特点，结合实例分析其在精密加工领域的应用。

答：（1）原理：磨料射流加工是以一定的压力，强迫含有磨料的介质通过被加工表面，利用黏弹性介质中的磨粒的切削作用，有控制的去除工件材料，实现对工件表面光整精加工的目的。

磨料射流加工过程相当于用软砂轮紧密的贴合在零件表面上移动，在强制移动中切削被流动的粘性磨料包容带走。

图为磨料射流加工原理图，工件安装在夹具内，夹具夹持在上下对置的上下两个磨料室之间。

工作时，填满在下磨料室内的粘性磨料在活塞的挤压下，被迫流过工件的通道而进入上磨料室，然后由上磨料室的活塞向下挤压，使磨料介质从工件的通道从新返回下磨料室内。

这样循环往复，具有一定的流量，流速和压力的磨料对工件表面和边角不断进行磨削，以达到加工的目的。

特点：○1适用范围由于粘性磨料是一种具有半固态流动性的物体，具有可塑性，又具有弹性，它可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，如各种型孔，型面，齿轮，交叉孔，喷嘴小孔，液压部件，各种磨具等，所以它的适用范围是很广的，几乎能加工所有的金属材料，也能加工陶瓷，硬质塑料等。

○2加工效率与传统作业相比磨料射流加工效率高，可以同时加工多个孔道，缝隙，或边，对一些小型零件，可以多件同时加工，效率可以大大提高。

○3表面质量加工后的表面粗糙度与原始状态和磨料粒度有关，一般可以降低为加工前的1/10,最低的粗糙度Ra可以达到0.025微米的镜面。

磨料流动加工可以去除在0.025mm深度的表面残余应力，可以去除前面工序（如电火花加
工，激光加工）形成的表面变质层和其他的表面缺陷。

○4加工精度磨料射流加工不能修正零件的形状误差。

切削均匀性可以保持在被切削量的10%以内，不会破坏零件原有的形状精度。

由于去除量很少，可以达到较高的尺寸精度。

（2）磨料射流加工可用于边缘光整，倒圆角，去毛刺，抛光和少量的表面材料去除，特别适合用于难以加工的内部通道的抛光和去毛刺，从软的铝到韧性的镍合金材料均可以进行磨料射流加工。

磨料射流加工已经用于硬质合金拉丝模，挤压模，拉伸摸，粉末冶金模，叶轮，齿轮，燃料旋流器等的抛光和去毛刺，还用于去除电火花加工，激光加工或者渗氮处理这类热能加工产生的不希望有的变质层。

实例分析：磨料射流与超声波加工复合形成超声流动抛光。

黏弹性磨料在作超声振动的工具中心受挤压并从口中流出，其流动受到工具和工件的限制，流动与振动的复合运动使磨粒划擦工件表面而产生抛光作用。

通过与CNC装置相结合，该方法可以抛光复杂的三维型腔，仅适用于敞开型的表面。

参考文献：
[1] Chu Xiangfeng. Investigation on the electrochemical-mechanical polishing of NiP substrate of hard disk. Rare Metal Materials and Engineering.V ol.40.No.11.2011.
[2] 杨清文,廖振方,刘本立,磨料射流切割技术及其应用展望,机械制造,No.1,1997.
[3] 薛胜雄等,高压水射流技术与应用,北京:机械工业出版社,1998.
[4] 王银珍. 蓝宝石衬底的化学机械抛光技术的研究. 人工晶体学报.Vol.33.No.3.2004.
[5] 储向峰. 化学机械抛光在光学晶体加工中的应用. 金刚石与磨料磨具工程.Vol.32.No.1.2012.
[6] 余剑锋. 新型化学机械抛光垫和抛光液的研究. 华南理工大学.2010.
[7] 宋拥军,温效康,梁志强,磨料水射流切割与激光等离子切割的比较分析,高压水射流,l994年合刊,总第49期.
[8] 杨清文,淹没和非淹没下前混合磨料射流的动力特性及切割特性[博士论文],中国重庆,1998.。