精密和超精密加工技术

第一章 精密和超精密加工技术及其发展展望

精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。

什么叫精密加工？

加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。

什么叫超精密加工？

加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。

以下哪些是精密和超精密加工的分类？

A.去除加工； B.结合加工；

C.变形加工； D.切削加工；

E.磨粒加工； F.特种加工；

G.复合加工；

影响精密与超精密加工的因素有哪些？

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、工作环境等。

我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？

（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。

第二章 超精密切削与金刚石刀具

举例说明超精密切削的应用范围有哪些？

陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。

超精密切削速度是如何选择的？

超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。

金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。

第二章 超精密切削与金刚石刀具

• 举例说明超精密切削的应用范围有哪些？

陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。

• 超精密切削速度是如何选择的？

超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。 • 金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。

• 刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响？

刃口锋锐度对加工表面有一定的影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小。 • 刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响？

刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大。背吃刀量很小时，切削力显著增大。

• 刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响？

刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。 • 刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响？

刃口半径越小，残留应力越低；背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。 • 超精密切削时极限最小切削厚度是多少？

1nm。 • 金刚石刀具不同晶面的摩擦因素如何？

（100）晶面的摩擦系数最低，（110）最高；（100）晶面的摩擦系数差别最大；（111）晶面最小。 • 金刚石刀具磨损和破损的特点是什么？

书P26。 • 超精密切削对刀具有什么要求？

极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。 • 金刚石属于什么晶系？不同面体金刚石主要有哪几个晶面和晶轴？

见书本P31。 • 金刚石刀具不同晶面的面网及面网密度是如何计算？其比例是多少？

见书本P31-32。 • 什么叫金刚石晶体的解理现象？哪个晶面最容易解理？为什么？

解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象（111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。 • 金刚石刀具各晶面的耐磨性如何？好磨和难磨方向又是如何？与摩擦因素有何关系？

见书本P33-34。

• 金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理的积累；金刚石晶体的破损机理，主要产生于（111）晶面的解理。当垂直于该晶面的拉力超过某特定值时，两相邻的晶面分离，产生解理劈开。

• 刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，所以刀刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。 • 金刚石各晶面的微观破损强度关系是？

（110）面破损的机率最大，（100）面破损机率最小。 • 金刚石晶体的定向主要有哪几种方法？

人工目测定向、X射线定向、激光定向。 • 简单讲述激光定向的原理过程？

见书本P38. • 衡量金刚石刀具的标准是什么？

能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）；能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）。

• 试比较直线修光刃和圆弧修光刃的优缺点？

见书本P40. • 单晶金刚石刀具的前面应该选择哪个晶面？

（100）晶面。 • 金刚石刀具小刀头的固定方法哪几种？

机械夹固；粉末冶金法固定；粘结或钎焊固定 • 影响金刚石刀具精研的因素有哪些？

见书本P45. 第三章 精密磨削和超精密磨削

• 什么叫精密和超精密磨料加工？

• 所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。 • 精密和超精密磨料加工可分为 固结磨料和游离磨料 两大类加工方式。

• 固结磨料加工主要有哪几种？

• 精密和超精密砂轮磨削、精密和超精密砂带磨削等。 • 精密和超精密砂轮磨料主要有那几种？

• 普通磨料：包括碳化物系，如碳化硼、碳化硅；刚玉系。 • 超硬磨料系：包括金刚石，如天然金刚石和人造金刚石；立方氮化硼。 • 超硬磨粒有什么优越性？

• 磨具在形状和尺寸上易于保持，使用寿命高，磨削精度高；磨料本身磨损少，可较长时间保持切削性，修整次数少，易于保持精度；磨削时，一般工件温度较低，可减小内应力、裂纹和烧伤等缺陷；能加工各种高硬的难加工材料，可磨削陶瓷、光学玻璃、宝石、硬质合金以及高硬度合金钢、耐热钢、不锈钢等。 • 常用的结合剂有： 树脂结合剂 、 陶瓷结合剂 、 技术结合剂 。

• 普通磨具中磨料的含量用 组织 表示，反映了 磨料、结合剂和气孔 三者之间体积的比例关系。

• 超硬磨具中磨料的含量用 组织 表示，它是指磨料层中每1cm3体积中所含超硬磨粒的重量。

• 超硬磨具一般由 磨料层 、 过渡层、 基体 三个部分组成。

• 常用的涂覆磨具有：砂纸、砂布、砂带、砂盘、砂布页轮和砂布套等。

• 常用的涂覆磨料有：棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石等。

• 粘接剂的种类包括：动物胶、树脂、高分子化合物

• 涂覆磨具的制造方法有重力落砂法、涂覆法、静电植砂法等。

• 精密磨削的加工精度和表面粗糙度范围是什么？主要用途？

• 加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度达到Ra0.2~0.025μm。多用于机床主轴、轴承、滚动导轨、量规等精密加工。 • 精密磨削时砂轮的选择以什么为原则？

• 以易产生和保持微刃及其等高性为原则。 • 精密磨削砂轮修整方法有： 单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结修整器修整和金刚石超声波修整 等。

• 精密磨床应满足要求：高几何精度、低速进给运动的稳定性、减少振动。

• 精密磨削砂轮速度一般为15-30m/s，工件速度为6-12m/s，工件纵向进给量一般为50-100mm/min或0.06-0.5mm/r（工件），横向进给量一般取0.6-2.5μm/单行程，

横向进给次数约为2-3次/单行程 。

• 超硬磨粒砂轮磨削的特点是什么？ • 可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料；磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化；磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化；磨削效率高；加工成本低。 • 超硬磨料砂轮修整的方法主要有哪些？简述其原理及优缺点。

• 包括：车削法、磨削法、软钢磨削整修法、金刚石滚轮修整法、滚压轧制法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法等。原理及优缺点略。 • 超硬磨料砂轮磨削速度一般为金刚石：12-30m/s；立方氮化硼：45-60m/s，磨削深度为0.002-0.01mm，工件速度一般为10-20m/min纵向进给速度一般取0.45-1.5m/min 。

• 什么叫极压性？

• 极压性是指磨削液与金属表面起作用，形成一层牢固的润滑膜，在磨削区域的高压下有良好的润滑和抗粘着性能。 • 超精密磨削的加工精度和表面粗糙度是什么范围？其特点什么？

• 超精密磨削的加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度低于0.025μm，是一种亚微

米级的加工方法。超精密磨削的特点可归纳为：1）超精密磨床是超精密磨削的关键；2）超精密磨削是一种超微量去除加工；3）超精密磨削是一个高精度、高稳定性的系统工程。 • 看图简述超精密磨削机理及其加工过程。（答案略） • 超精密磨削砂轮线速度一般为1860m/min，工件线速度为4-10m/min ，工作台纵向进给速度50-100mm/min ，磨削深度0.5-1μm 。磨削横向进给次数2-4次；磨削余量为2-5μm 。 • 超硬微粉砂轮磨削的特点及其应用？

• 1）粒度很细，可同时获得极小的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度。2）是一种固结磨粒的微量去除加工方法，加工效率高。3）容屑空间很小，磨削容易堵塞，需要进行在线修整。4）磨削机床应有微进给装置，设备价格高。用于加工各种非金属材料和有色金属及其合金材料零件的各种表面加工。 • 树脂-金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的结构和特点是什么？

• 答案见书本P66。 • 砂带磨削方式从总体上可以分为：闭式砂带磨削和开式砂带磨削两大类。按砂带与工件接触形式可分为：接触轮式、支承板（轮）式、自由浮动接触式和自由接触式。按照加工表面类型可分为：外圆、内圆、平面、成形表面等磨削方式。 • 砂带磨削具有“弹性”、“冷态”、“高效”、“廉价”、“万能”磨削之称。

• 什么叫磨削比？

• 切除工件重量与磨料磨损重量之比。 • 闭式砂带头架的主要组成包括？

• 接触轮（或支撑板）、主动轮、张紧轮、张紧机构、调偏机构、电动机、基座。 • 开式砂带头架的主要组成包括？

• 卷带轮、接触轮、砂带轮、电动机、基座。 • 接触轮外缘表面形状和外缘截面形状有那些？

• 外缘表面形状：平滑形、标准齿形、宽齿形、交叉齿形4种；外缘截面形状：平滑形、齿形和填充形3种。 • 砂带磨削用量选择是什么？

• 书本P75。 第四章 精密和超精密加工的机床设备

精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。

精密主轴部件有什么要求？

• 能高速旋转；高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长；主轴本身及其驱动系统振动极小；发热少，且热平衡性能好；维护保养方便。 • 轴承主要有那几种？

• 滚动轴承；液体静压轴承；空气静压轴承。 • 什么叫回转精度？

• 在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。 • 止推轴承和径向轴承有什么区别？

• 止推轴承受力与轴的中心线平行；径向轴承的受力与轴的中心线垂直。 • 看图简述液体静压轴承的工作原理？

• 见书与ppt，略。 • 液体静压轴承的优缺点？

• 优点：回转精度高、转动平稳、承载能力高。主要用于大型超精密加工机床。缺点：

高速下，油温升高造成热变形，影响主轴精度；回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性。 • 空气静压轴承的优缺点？

• 优点：回转精度高、转速高，可达100,000r/min；转动平稳，几乎没有振动，因为完全空气润滑；不发热，即使在高速下，温升很小，变形小；摩擦阻力小、寿命长，因为几乎没有摩擦；因为不使用油，不存在密封和泄露问题；可靠性高，维护保养方便。 缺点：刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。 • 空气静压轴承主轴结构主要有哪几种典型的结构？

• 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承主轴、双半球空气轴承主轴、前部用球形后部用圆柱径向空气轴承主轴、立式空气轴承主轴、大平面铣床主轴轴承。 • 超精密机床主轴和轴承的材料选取原则是：

• 不易磨损，不易生锈腐蚀，热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近，材料的稳定性好。 • 超精密机床的总体布局有哪几种？

• 1、十字形滑板工作台布局；2、T形布局；3、R-θ布局；4、偏心圆转角布局；5、立式结构布局。

• 床身和导轨的材料主要有：优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩。 • 超精密机床导轨的基本要求是什么？

• 1、导向精度高，包括导轨在水平面内和垂直面内的直线度、导轨的平行度、导轨间的垂直度均要高；2、足够的刚度；3、精度保持性（耐磨性）好；4、运动的灵敏度高。 • 导轨若按两导轨面间的摩擦性质分类，可分为滑动导轨 和滚动导轨 两类；若按导轨的截面形式分类，可分为凸形 、凹形 两类。 • 导轨的结构形式主要有：三角形 、矩形 、燕尾形 、圆柱形 、双三角形 、 • 双矩形 、三角形-矩形组合 、燕尾形组合 。 • 精密与超精密机床现在常采用的导轨有：滚动导轨 、液体静压导轨 、 • 气浮导轨 、空气静压导轨 。 • 精密与超精密机床伺服系统的基本要求有哪些？

• 1、位移精度高；2、稳定性好；3、快速响应；4、调速范围宽；5、低速大扭矩 • 精密与超精密机床进给驱动系统主要采用滚珠丝杠副 、摩擦 和 • 液体静压和空气静压丝杠副 三种方式驱动。

• 精密与超精密机床微量进给装置结构形式归纳起来主要有6种类型，分别是：机械传动或液压传动式 、弹性变形式 、热变形式 、流体膜变形式 • 磁致伸缩式 、电致伸缩式 。 • 怎样减少机床内部的振动？

• 书本P108，4个措施。 • 怎样减少外界振动对机床的影响？

• 书P108，三个措施。1、超精密机床应尽量远离振源；超精密机床采用单独地基，隔振沟、隔振墙等；使用空气隔振垫。 • 减少机床热变形的措施？

• 书P111，5个措施。 • 尽量减少机床中的热源； • 采用热膨胀系数小的材料制造机床部件； • 结构合理化使在同样的温度变化条件下，机床的热变形最小； • 使机床长期处在热平衡状态，使热变形量成为恒定；

• 使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地区小环境的精密恒温。 第五章 精密加工中的测量技术 • 精密测量的环境条件包括：恒温条件、隔振条件、 气压、自重、运动加速度和其他环境条件。 • 我国的量块标准分为：00、0、1、2、3和校准级K 等6种精度等级。 • 因为矩形量块存在了两端测量面不平行、两端测量面和侧面不垂直、测量面平面度不好 等问题，后来美国穆尔公司才用圆柱端面规为长度基准，之后又制成步距规作为长度基准，避免了使用量块时的量块拼合造成的积累误差。 • 直线度的测量主要有那几种方法？

• 干涉法；跨步仪法；光轴法；激光准直仪法；双频激光准直仪法。 • 平面度的测量主要有哪些方法？

• 干涉法；水平面法。 • 对于垂直度的检测，简述如何用圆柱形直角尺和L形直角尺进行互检测出角度误差？

• 见书本P120-121。

• 精密多齿分度盘的齿数常用的有360、720、1440 等几种，它们的分齿增量分别是1°、0.5°、0.25，具有自动定心、操作简单、使用寿命的优点。 • 举例说明两个多齿分度盘互检标定的原理过程。 • 书本P123-124。 • 什么叫圆度误差？

• 圆度误差是指包容同一正截面实际轮廓且半径差最小的两同心圆间的距离。 • 圆度误差的傅氏级数表达式及每一项的物理意义？ • 见书本P125。 • 圆度误差的评定方法包括哪几种？

• 1）最小外接圆法；2）最大内接圆法；3）最小包容区域圆法；4）最小二乘方圆法。 • 圆度仪主要有哪两种结构形式？

• 一种是测量头随主轴旋转，被测件固定在工作台面上不动；一种是测量头固定不动，被测件随旋转工作台转动二进行测量。 • 影响圆度仪测量精度的因素有哪些？

• 主轴回转误差：一般为0.05μm，部分达到0.025μm； 工件轴线和主轴轴线偏心引起的误差； 工件轴线对主轴轴线倾斜引起的误差； 测量头形状和测头半径变化引起的误差； 测量力的影响； 测量头偏立引起的误差。 兰亭序

永和九年，岁在癸丑，暮春之初，会于会稽山阴之兰亭，修禊事也。群贤毕至，少长咸集。此地有崇山峻岭，茂林修竹；又有清流激湍，映带左右，引以为流觞曲水，列坐其次。虽无丝竹管弦之盛，一觞一咏，亦足以畅叙幽情。是日也，天朗气清，惠风和畅，仰观宇宙之大，俯察品类之盛，所以游目骋怀，足以极视听之娱，信可乐也。

夫人之相与，俯仰一世，或取诸怀抱，晤言一室之内；或因寄所托，放浪形骸之外。虽取舍万殊，静躁不同，当其欣于所遇，暂得于己，快然自足，不知老之将至。及其所之既倦，情随事迁，感慨系之矣。向之所欣，俯仰之间，已为陈迹，犹不能不以之兴怀。况修短随化，终期于尽。古人云：“死生亦大矣。”岂不痛哉！

每览昔人兴感之由，若合一契，未尝不临文嗟悼，不能喻之于怀。固知一死生为虚诞，齐彭殇为妄作。后之视今，亦犹今之视昔。悲夫！故列叙时人，录其所述，虽世殊事异，所以兴怀，其致一也。后之览者，亦将有感于斯文。