超高速超精密加工技术ppt

各种焊接的PCBN刀具
精密与超精密加工技术
精密与超精密加工的定义 精密与超精密加工的地位 金刚石刀具镜面切削 精密与超精密磨削
精密与超精密加工定义
102 加工误差（μm） 101 加工设备 车床,铣床 测量仪器 卡尺 百分尺 比较仪
普通加工 精密加工
精密车床 磨床
100
10-1 超精密加工 10-2 10-3
4.超精密研磨与抛光 研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具之间通过相对 复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。 1、研磨加工的机制和特点 研磨加工，通常是使用在1μm到十几μm大小的氧化铝和 碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具之间并借助机床提供 的复杂运动，实现零件表面加工轨迹高度不重合。 研磨时磨粒的工作状态有以下三种： 1）磨粒在工件与研具之间进行转动。 2）由研具支承磨粒研磨加工面。 3）由工件支承磨粒研磨加工面。
高速切削加工应用
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。
波音公司的F15战斗机的起动减速板
铝合金整体零件： 整体零件“掏空”， 切除量大 零件有薄壁，要求小
切削力
小直径刀具 较长的刀具悬伸
高速铣削典型工件
（2）汽车制造。
1 2 3 4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小； 热变形小 温升不超过3º C，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图4 热传导对比图
减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为 “一次过”技术（One pass machining）。
• 活性抛光液和磨粒与工件 活性 表面产生固相反应，形成 抛光液 软粒子，使其便于加工。 • 机理：机械+化学作用， 称为“增压活化”。
工具运动方向 抛光工具 加压
工件
小间隙
机械美学
精于心，美于形，在专注的平凡之路上，能够发 现旁人不易察觉的美好与快乐 数控机床设备并不是冰冷的机械，它们在精准与 秩序之中，蕴藏着力量与乐趣。
磁浮轴承主轴结构 前径向轴 电主轴 前辅助轴 承 承 后径向轴 承 双面轴 向推力 轴承 后辅助轴 承
来自百度文库
前径向传感 器
后径向传感 轴向传感 器 图18 磁浮轴承高速主轴 器
2.快速进给系统 具有大的加减速度以及高的定位精度。 普遍采用交流伺服电机代替直流伺服电机。
快速进给速度：VCN510C-加工中心进给速度：36m/min.
高速切削 少量手工精修 加工时间
手工精修
100 %
采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣
→ 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修
b）高速模具加工的过程
两种模具加工过程比较
加工4.5mm陶瓷球
金刚石车床
金刚石车床及其加工照片
精密与超精密磨削
磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。 超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉对硬 脆材料进行加工的方法。
1、 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）
金刚石砂轮 （铁纤维结合剂） 电源
① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； ② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可 在线修整
3、 精密与超精密砂带磨削 砂 带 ： 带 基 材 料 砂带轮 为聚碳酸脂薄膜， 其上植有细微砂粒。 砂 带 在 一 定 工 作 f-径向振动 压力下与工件接触 并作相对运动，进 接触轮 行磨削或抛光。 硬磁盘— 卷带轮 装在主轴 F-径向进给 有 开 式 和 闭 式 两 真空吸盘 V砂带 种形式，可磨削平 上 面、内外圆表面、 曲 面 等 （ 图 2-11 ） 。 图2-9 砂带磨削示意图
坐标镗床 坐标磨床 金刚石车床 精密磨床 超精密磨床 精密研磨机
气动测微仪 光学比较仪 光学磁尺 电子比较仪
激光测长仪 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1900
1920
1940
1960 1980
离子束加工 扫描电镜 分子对位加工 电子线分析 仪 2000 年份
精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）
精密与超精密加工的地位
精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路 最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm
精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命 中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工 误差从 60μm 降至 12μm ，发电机压缩效率从 89% 提高到 94% ；齿形误差从 3-4μm 减小 1μm ，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍
VMC650立式加工中心进给速度：10m/min.
CAK6136V/750快速进给速度：7.6m/min 工作进给速度：高规格的加工中心快速进给速度可达到 60m/min. 工作进给速度低于40m/min.
3.超高速加工用刀具、磨具
超高速加工用刀具、磨具主要指超高速铣削 用刀具和超高速磨削用砂轮。
谢 谢
（2）超精密抛光 （3）液中研磨 液中研磨法是将经过超精密抛光或研磨的零件浸入在含磨 粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利
用浮游的细小磨粒进行加工，并对磨粒作用部分所产生的热 有极好的冷却效果，对研磨时产生的微小冲击也有缓冲效果。 利用微细的磨刃、磨粒和聚氨酯研具研磨硅片时，可以得到 无损伤高质量的镜面。 （４）机械－化学研磨 机械－化学研磨加工机制是利用化学反应进行机械研磨， 有湿式和干式两种研磨方法。 （５）化学－机械抛光 化学－机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机 械作用双重作用的研磨方法。 不使用磨粒而只利用具有腐蚀效果的加工液进行摩擦抛光 的研磨，更适合化合物半导体晶片的加工。
金刚石刀具镜面切削 刀具刃口半径可达到纳米级水平，可实现切削厚 度为纳米级的连续切削 机理、特点 切削在晶粒内进行 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表 层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 应用 光学反射镜、射电望远镜主镜面 、 大型投影电视屏幕、 照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。 （5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
高速切削加工医用药盒
高速切削加工的关键技术
1. 高速主轴 电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装 在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。 转速： CAK6136V/750主轴最高转速：3000m/min. VMC650立式加工中心主轴最高转速：8000r/min. VCN510C-数控立式加工中心转速：15000r/min.
电刷
冷却液
＋ －
冷却液
进给
图2-8 ELID磨削原理
使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂 轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削 力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解 修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
2、超精密砂轮磨削技术 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点： 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金 属用CBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好 ◆ 砂轮修整： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法:
以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线” 和高速切削理论。
图2 切削速度变化和切削温度的关系
高速加工的特点
切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；
图 3 加工零件
2、抛光加工的机制和特点 抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件 进行抛光加工。但是，抛光使用是磨粒是1μm以下的微细磨 粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂、人造革、等 软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没 有的镜面。
3、超精密研磨和抛光的主要新技术 （1）超精密研磨 研磨普通的硬脆材料时，由于有微细的破碎，生成的切屑 参于研磨。但是，如果研磨金属材料时，则没有破碎，而由 磨粒取代进行研磨。由于塑性变形生成切屑，利用微细的磨 粒研磨经热处理研化的金属材料和经烧结的超硬材料时，加 工单位变小，可用于抛光那样表面零件的加工。由于研具是 硬质材料，对工件来说，塌边越小，加工精度越高。
砂带磨削特点
1 ）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受 力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02μm）。
2 ）静电植砂，磨粒 有方向性，尖端向 上（图2-12），摩擦 生热小，磨屑不易 堵塞砂轮，磨削性 能好。
磨粒
粘接剂
规格涂层
基带
静电植砂砂带结构
3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量 之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。 5）可用于内外表面及成形表面加工。
技术要求：较强的硬度和耐磨性、较高的强 度和韧性、高的耐热性和抗冲击性。
刀具切削刃主要材料：聚晶金刚石（PCD）、 立方氮化硼（CBN）、氧化硅陶瓷材料。
金刚石刀具
立方氮化硼刀具
1957年美国通用电器(GE) 公司采用与金刚石制造方法相似的方法 ，合成于第二种超硬材料——立方氮化棚(CBN)。CBN有单晶体 和多晶体之分，即CBN 单晶和聚晶立方氮化棚( 简称PCBN)。 CBN与金刚石的硬度相近，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁 族元素的高化学稳定性。
几种常见砂带磨削方式
工件 接触轮 主动轮 工件 接触轮 主动轮 接触轮 主动轮
砂带 a）砂带无心外圆磨削 （导轮式）
导轮
砂带
b）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 支承板 主动轮
砂带
工件
c）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 砂带 接触轮
工件
砂带 接触轮 d）砂带内圆磨削 （回转式）
工件 工件 砂带 工作台 支承轮 e）砂带平面磨削 f）砂带平面磨削 （支承板式） （支承轮式）
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
10
1 0.1
粗加工
传统加工方法 精加工
0.01
0.001
超高速及超精密加工技术
工程训练中心
姓名：党长春 学号：2162224026
超高速加工技术
高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术
高速加工的概念与特征
高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自 动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和 加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度 高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。 以切削速度和进给速度界定： 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。