12 加工原则,只不过在精密加工和超精密加工中矛盾因精度高而更为突出。 实际上,不少加工方法本身就反映了“进化”加工原则的思想,例如精密研磨、精密珩 磨、超精加工等都是在较低精度设备上,通过工艺措施加工出高糖度低表面粗糙度的工件。 更进一步,从加工尺寸的大小与加工设备的关系上来分析,一台机床的加工范围总是有限 的,大机床加工大零件,小机床加工小零件,但若工件尺寸太大,无法制造更大的机床,或无 力承担相应的费用,则可采用小机床加工大零件的创造性加工原则,这时,工件不动,机床相 对于工件运动来完成加工,俗称“蚂蚊啃骨头”。 2.3微量加工理论 231微量切削 超精密加工的关键是能够在被加工表面上进行微量加工,其加工量的大小标志考精密加工 和超精密加工的水平。 当前,对于精密切削和超精密切削主要以金刚石刀具超精密车削和金刚石微粉砂轮超椭密 磨削为代表,主要是微量切削,又称极薄切削,如果能切除一个纳米(1m),则其切削水平可 达纳米级,如果能切除一个分子、一个原子,则其水平可达分子级、原子级。当然,这需要超 精密车床和超精密磨床,锋利的刀具和砂轮,其中,金刚石刀具刃口钝圆半径值就非常重要 对于纳米级切削,刃口钝圆半径应为2m,而金刚石徽粉砂轮的金刚石颗粒大小应为05 2m,甚至更小,并应有高精度的在线砂轮修整装置。 微量切削的机理与一般切削是有很大差别的,因为这时的切屑厚度极小,背吃刀量(切削 深度)可能小于晶粒的大小,切削就在晶粒内进行,因此,切削不是在晶粒之间的破坏,切削 力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力,刀刃上所承受的切应力就急速地增加并变 得非常大。如在切削低碳钢的情况下;刀刃上的切应力值接近材料的抗剪强度极限,当切削厚 度在1{m以下时,被切材料的切应力可达1300MPa。刀刃在受到很大应力的同时,切削区会 产生很大的热量,刀刃切削处的温度会很高,要求刀具材料应有很高的高温强度和高温硬度。 因此,只有超硬刀具材料,如金刚石、立方氮化硼等才能胜任。金刚石刀具不仅有很高的高温 强度和高温硬度,而且由于金刚石材料本身质地细密,经过精密研磨或精密电火花加工,不仅 几何形状好,切削刃钝圆半径很小,通常可达002~0.005m,最高可达2m,而且表面粗糙 度也很低,是极薄切削的刀具理想材料 232材料缺陷及其破坏方式 ∴。·:.空位 位错缺陷∴,晶格鱖子ⅹ 位错缺階 晶格间的间隙跟子 位错陷空位 图04材料微观峡陷分布 在进行超精密切削时,从工件上去除的一块材料的大小(切削应力所作用的区域)就是加工 单位,加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同时,被加工材料的破坏方式就不同。材 料微观缺陷分布或材质不均匀性,有以下几种情况(见图04):
l)晶格原子、分子其破坏方式是把原子、分子一个一个地去除 2)点缺陷当晶体中存在空位、填隙原子、杂质原子等时,称为点缺陷或原子缺陷,其 破坏方式是以这些原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。 3)位错缺陷和徽裂纹位错缺陷就是晶格位移,即有一列或若干列原子发生了有规律的 错排现象,它在晶体中呈连续的线状分布,故又称为线缺陷。当晶体中存在位错缺陷和微裂纹 等线缺陷时,其破坏方式是通过位错线的滑移和微裂纹引起晶体内的滑移变形。 4)晶界、空隙和裂纹:它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。 材料的破坏方式与其应力作用的区域有密切关系,当应力作用区域在上述各种缺陷空间的 范围内时,则材料会以加工应力作用区域相应的破坏方式而破坏。如果加工应力作用区域比上 述缺陷空间范围更广,则会以更容易破坏的方式而破坏。所以,材料的破坏方式不仅与其微观 缺陷分布或材质不均性有关,而且与其应力作用的区域有关,即与加工单位的大小有关,与微 量切削的背吃刀量有关。 例如,在由大小为数微米到数百微米的微细品粒所组成的金属材料中,在晶粒内部,一般 在1pm的间隔内就有一个位错缺陷,即每平方厘米有103个。当加工应力作用在比位错缺陷平 均分布间隔1pm还要狭窄的区域时,在此区域内是不会发生因位错线移动而产生材料的滑移 变形。当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔1m还要宽阔的区域时,则位错线就会在 位错缺陷的基础上发生滑移,晶体产生滑移变形或塑性变形。当加工应力作用在比晶粒大小更 宽时,则多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。实际上,当加工应力作用在比位错缺陷平 均分布间隔还要狭窄的区域内时,由于存在着空位、填隙原子等缺陷,也有可能会演变成位错 缺陷而发生局部滑移变形。 23.3加工能量 超精密切削是一种原子、分子级加工单位的去除加工方法,要从工件上去除一块材料,需 要相当大的能量,这种能量可用临界加工能量密度8(J/cm)和单位体积切削能量a(J/m3)来 表示。临界加工能量密度δ是指当应力超过材料弹性极限时,在切削相应的空间内,由于材 料缺陷而产生破坏时的加工能量密度。单位体积切削能量a是指在产生某加工单位切屑时 消耗在单位体积上的加工能量。 加工单位不同会引起临界加工能量密度的变化,表04列举了常用几种去除加工在材料微 观结构的各种缺陷情况下的临界加工能量密度δ。可见晶格原子、分子破坏所需的临界加工能 量密度最大,点缺陷、位错缺陷和微裂纹次之,晶界、空隙和裂纹最小。 衰04临界加工能量密度舀 (/cmr) 工单位/cn 料观缺陷 晶格原子、分子 点峡陷 位错映陷 晶界、空歐 工机理 微饔纹 和缨纹 聶格原子去除 离子藏射电子蚀刻) 燕发去除 熔化去除 化学分解、电解 103 塑性变形 (微量切削、研磨、抛光) 性破坏
加工机理的不同,也会引起临界加工能量密度的不同。在那些利用位错峡陷和微裂纹的塑 性变形来进行微量切削,如超精密切削和磨削,其临界加工能量密度比较大,用于使其产生塑 性变形的能量几乎都转变为热量,因此,微量切削会大量发热。对那些利用脆性破坏的分离去 除加工,如加工玻璃时,由于材料中的微裂纹(一般玻璃的微裂纹分布间隔约10m左右)所引 起的张应力集中而导致材料产生分离和断裂,其临界加工能量密度很低,几乎不存在发热现 象;如果加工应力集中地作用在比徽微裂纹的分布间隔更狭窄的区域,如1m左右,则玻璃将 会产生粘性流动式的滑移,需要很大的临界加工能量密度,从而产生发热现象,这就是玻璃在 精密磨削或抛光时会发热的原因。 材料不同,临界加工能量密度δ、单位体积切削能量W也不同,各种材料都有其一定的 理论值,实际上,由于材料微观缺陷分布或材质不均匀性,实际的临界加工能量密度和单位体 积切削能量比理论值要低很多。 3精密加工和超精密加工的体系结构 3.1精密加工系统工程 精密加工和超精密加工的发展已从单纯的技术方法形成制造系统工程,简称精密工程,其 工程的体系结构如图05所示。它以产品为核心,体现了以市场需求为导向;以人、技术、组 产品 器骚跟与關强 图05精密加工系统工程体系结构 织为基础,体现了人、技术、组织的三结合,强调了人的作用技术的关键性和组织的重要性 它涉及微量和超微量去除、结合、变形加工技术,高稳定性和高净化加工环境,检测与误差补 偿,工况监测与质量控制,被加工材料等,可见范围很广 精密工程是一个制造系统,其系统由物质分系统、信息分系统、能量分系统所构成,与 般制造系统有许多相同的共性技术、基础和关键问题,但在精密度的层次上要高得多、涉及面 也更广
前已述及,精密加工和超精密加工是一个总称,可简称精密加工。糟密加工和超精密加工 在当前应包括亚微米加工、纳米加工、微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等,这些 都是其组成部分,各部分的侧重点不同。亚微米加工是指加工精度在1m以下,纳米加工是 指加工精度在纳米级,上面两者可合称微纳米加工;微细加工和超微细加工侧重于徽小零件和 微小尺寸的加工,多以集成电路与微型机械为对象,与微电子技术联系密切;光整加工强调了 表面粗糙度值的降低和去除毛刺;精整加工是在 光整加工的基础上强调了精度的提高。近年来, 加工机理)(做加工树 由于工业技术发展的需要,出现了许多新的组成 部分,甚至形成了新的学科,如微型机械。 基磁元 精密工程的技术难度大、产品技术要求高 投资很大,除基础共性技术外,产品个性比较突(人的 精密加工 (加r 出,其实施大多靠产品投资支持,因此,应该以 需求为牵引,以高新技术为基础,以产品为核心。 32影响精密加工和超精密加工的因素 差补 影响密加工和超精密加工的因素很多,主 要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础 元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、图06影响精密加工和超榜密加工的因素 工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等,如图06 所示。 321加工机理 (1)新工艺新方法近年来,新工艺新加工方法不断出现,应充分注意寻求新的加工手 段。在传统加工方法中,金刚石刀具超精密切削、金刚石徽粉砂轮超精密磨削、精密高速切 削、精密砂带研抛和磨料加工等已占有重要地位;在非传统加工中,出现了电子束、离子束 激光束等高能東加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花加工、电化学加工等多种方法;特 别是复合加工,如电解研磨、超声珩磨等,都是在加工机理上有所创新的,新的加工机理出 现,标志着一种技术突破,往往是新技术的生长点。 (2)加工、处理的新概念在加工机理上的突破表现在明确提出了去除加工、结合加工和 变形加工,特别是以快速成形制造为代表的“堆积”加工的出现,在加工技术的思路上具有里 程碑意义。 (3)极薄加工具有无限生命力超精密加工的目标和追求就是要寻求和探讨加工极限,目 前的极薄切削水平是纳米级,随着科学技术的发展,这个极限将逐步前移,值得研究的问题还 很多。 (4)进化加工原则值得提倡利用精度低于工件精度要求的机床设备,借助工艺手段、特 殊工具、计算机技术、传感器技术等,直接或间接加工出所需工件,这种进化加工原则将影响 精密加工和超精密加工的全局。 从上述几点可以看出,加工机理研究是精密加工和超精密加工的理论基础和新技术产生的 源泉。加工机理是加工方法的本质,是加工方法成败、发展的关键 322被加工材料 精密加工和超精密加工应该用相应的精密加工和超精密加工用的材料,才能保证加工质
16 量,用一般加工用的材料或不合要求的材料进行精密加工和超精密加工是不能达到预期效果的。 用于精密加工和超精密加工的材料,在化学成分、物理力学性能、加工工艺性能上均有严 格要求;应该质地均匀,成分准确,性能稳定、一致,无外部和内部微观缺陷。其化学成分的 误差应在102-10-3数量级,且应控制其杂质含量或不含杂质;其物理力学性能,如抗拉强 度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等,应达10-5~10-6数量级。冶炼、铸造、 轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制,温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材 料在物理、化学、力学、加工等性能方面均有很大影响。 例如,高密度硬磁盘的片基是用专门的铝合金材料,在冶炼过程中,采用特殊的熔渣过滤 装置,防止表面生成氧化层;在轧制时,采用两个方向交替滚轧,以防止晶粒产生纤维状态, 影响物理力学性能的均匀性,使磁盘最终在磁记录性能上受到影响。 323加工设备及其元部件 精密加工和超精密加工所用的加工设备范围很广,如各种精密机床、超精密机床、激光加 工机、精密电火花加工机床、离子束加工机,以及镀膜、涂敷等加工设备。对切削加工设备来 说,代表性的机床有超精密车床,用来加工各种轴类、盘套类和带曲面的零件等;超精密铣床 配有精密回转工作台,用于加工平面和多面体零件;研磨机和抛光机仍然是重要的精密加工设 备,用于加工外圆、孔、平面等,按加工需求有精密类型的。 归纳起来,精密加工和超精密加工用的加工设备应有以下一些要求 (1)高精度包括高的静精度和动精度,主要的性能指标有几何精度、运动精度(定位精 度、重复定位精度)和分辨力等,如主轴回转精度、导轨运动精度、分度精度等。当前,超精密 车床的主轴回转精度大多在002~0.03m,导轨直线度为0025/10000定位精度为 0013m,重复定位精度为0.004m,进给分辨力为0003ym,分度精度为05。现代的精密机 床和超精密机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨,精密滚珠丝杠传动,配 有微动工作台、误差补偿装置,实现微位移。对于高速回转的零件、部件都应进行动 平衡。 (2)高刚度包括静刚度和动刚度,除零、部件本身的刚度外,还应注意接触刚度,同时 应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。橹密机床和超精密机床虽然切削力 不大,但机床受力变形将会造成精度上的很大影响。 3)高稳定性和保持性设备在经过运輪、仓储、安装调试后,在规定的工作环境下,使 过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定地工作。因此,加工设备应有良好的耐磨性、抗 振性、热稳定性。 (4)高自动化为了保证加工质量,减少人为因素影响,现代精密机床和超精密机床多配 置精密数控系统以实现自动控制,或采用计算机控制来实现适应控制、优化等以保证零件生产 加工要求。 特密加工和超精密加工设备与其基础元、部件关系密切,一方面,只有优良的基础元、部 件才能有优良的加工设备,因此世界各国均十分重视基础元、部件的开发和研究,以便不断提 高精密加工和超精密加工设备的水平,扩展其应用范围;另一方面,优良系列的基础元部件可 以快速响应市场需求,缩短精密加工和超精密加工设备的开发周期。当前,基础元、部件的发 展十分迅速,主要有主轴及其轴承、导轨及其滚动组合体(滚动直线导轨)、滚珠丝杠、光栅 激光检测装置、微位移装置、分度转台等,而且已经出现主轴单元、进给单元等部件形式。主 轴单元包含了主轴、轴承、电动机及主轴箱,形成一个独立体,甚至主轴与电动机轴成为一