精密与特种加工技术知识

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精密与特种加工技术知识
; Q1 w/ I7 M3 b精密与特种加工技术的地位和作用
目前，先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，许多发达国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。
/ N8 `3 e5 d9 |: b　　美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之—，就是他们把先进制造技术看作是现代国家在经济上获得成功的关键因素。日本在第二次大战后，二为了迅速恢复经济，大力发展制造技术，特别是精密加工技术，使机械制造业的水平有了很大的提高，有力地支持了相关工业领域的发展，在汽车制造业和微电子工业方面取得了显著的成绩，在短短的30年中，从—个战败国发展为世界上的经济强国。
  N' |+ h( P' c: _0 d/ x" S: G- W  B　　发展先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。
　　从先进制造技术的技术实质而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措，两者有密切的关系，有许多精密、超精密加工要依靠自动化技术才得以达到预期指标，制造自动化通过精密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的决定性的作用，是先进制造技术的支柱。
　　目前，精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之—。
　　精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等，都需要精密与特种加工技术来制造相关的仪器、设备。
　　在制造自动化领域，已经进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发，还进行了计算机集成制造(CIM)技术，生产模式如精良生产、敏捷制造、虚拟制造以及清洁生产和绿色制造等研究。这些都代表了当今社会高新制造技术的一个重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要依靠精密加工技术。例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，亦即在集成电路芯片上有很强的设计、开发和制造能力。目前我国集成电路的制造水平制约了计算机工业的发展。
　　我国对精密与特种加工技术既有广大的社会需求，又有巨大的发展潜力。

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精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响
( X' K  b. j* {/ @9 ?精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术，要获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备及工艺装备、检测方法、工作环境和人的技艺水平等等。精密与特种加工技术与系统论、方法沦、计算机技术、信息技术、传感器技术、数字控制技术的结合，促成了精密与特种加工系统工程的形成。
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3 ]; M8 H" ]1 Z0 K3 x1 h　　精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。

' Y) i. q" H8 V* K+ g2 ?) u$ W6 w　　特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法(NTM，Non-Traditional Machining)，它们与传统切削加工的不同特点主要有：

1 H7 _3 p& Y7 T) j　　①主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能量(如电能、热能、光能、声能以及化学能等)去除工件材料；
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) u/ _0 ~' @0 W  S4 U7 ?" f　　②刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具；

　　③在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。
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　　由于具有上述特点，就总体而言，特种加工技术可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非余属材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件，同时，有些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级(原子级)的加工。

　　特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用复合加工的方法。
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$ o4 B/ R( @4 J' C  ~) J6 L2 i　　精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革：

) D  b8 e/ Z0 M) O  T　　⑴提高了材料的可加工性。工件材料的可加工性不再与其硬度、强度、韧性、脆性等有直接的关系。金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，现在已经采用电火花、电解、激光等多种方法来加工制造刀具、工具、拉丝模等等；用电火花、线切割加工淬火钢比未淬火钢更容易。

& f% F" x# }% O# Y; c3 ?, _6 T; n! X　　⑵改变了零件的典型工艺路线。传统加工中，除磨削加工以外，其他的切削加工、成型加工等都必须安排在淬火热处理工序之前，这是不可违反的工艺准则。精密与特种加工技术的出现后，为了免除加工后再引起淬火热处理变形，一般都是先淬火处理而后加工。如电火花线切割加工、电解加工等都必须先进行淬火处理后再加工。
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　　精密与特种加工的出现还对以往工序的“分散”和“集中”产生了影响。由于精密与特种加工过程中没有显著的机械作用力，即使是较大的、复杂的加工表面，往往使用一个复杂工具、简单的运动轨迹，经过一次安装、一道工序加工出来，工序比较集中。

- u* ]% |' y2 z% m! t/ k, `　　⑶大大缩短新产品试制周期。试制新产品时，采用精密与特种加工技术可以直接加工出各种特殊、复杂的二次曲面体零件，可以省去设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具以及二次工具，大大缩短新产品的试制周期。
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; e! y. v. b4 Q. g) y% B$ X! }1 [　　⑷对产品零件的结构设计产生很大的影响。例如山形硅钢片冲模，以往常采用镶拼式结构，现在采用电火花、线切割加工技术后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可以制成整体式结构。

$ o' E: |, \# C, Y. M　　⑸对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。以往普遍认为方孔、小孔、弯孔、窄缝等是工艺性差的典型，是设计人员和工艺人员非常“忌讳”的，有的甚至是机械结构的“禁区”。对于电火花穿孔加工、电火花线切割加工来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。有了电火花和线切割之后，现在为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，还特意把钻孔、开槽等安排在淬火处理之后。

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精密与特种加工的产生背景
0 z  O/ Y5 s: h& u3 F& G制造技术的发展已经有了几千年的历史。现代的智能控制自动化制作和现代的超精密加工及纳米加工，代表了当前先进制造技术发展的重要方向。

　　由于现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向发展， 以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务：

* Q$ G3 [* u! P. s& b1 e. ^3 f# o　　⑴解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。

　　⑵解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。
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　　⑶解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1μm以上，表面粗糙度Ra要求在0.01μm以下。

　　⑷特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。
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　　要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。

　　目前，精密与特种加工已经成为制造领域不可缺少的重要方面.在难切削材料、复杂型面、精细零件、低刚度零件、模具加工、快速原形制造以及大规模集成电路等领域发挥着越来越重要的作用。

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精密与特种加工的方法及分类
1 {: @# z& H, ]2 X5 X- I1.加工成形的原理
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/ R4 ~* p( n* e7 @5 I! t$ ^　　精密与特种加工从加工成形的原理和特点来分类，可以分为去除加工、结合加工、变形加工三大类。

3 g1 @4 c3 \+ @, @+ n3 s8 \7 v　　去除加工又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料，例如金刚石刀具精密车削、精密磨削、电火花加工、电解加工等。
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! u+ w  ?( H2 k5 j　　结合加工是利用理化方法将不同材料结合(Bonding)在一起。按结合的机理、方法、强弱等又可以分为附着(Deposition)、注入(Injection)、连接(Jointed)三种。附着加工又称为沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，为弱结合，例如电镀、气相沉积等。注入加工又称为渗入加工，是在工件的表层注入某些元素，使之与工件基体材料产生物化反应，以改变工件表层材料的力学、机械性质，属于强结合，例如表面渗碳、离子注入等。连接是将两种相同或不同的材料通过物化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。
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　　变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，例如锻造、铸造、液晶定向等。

　　三大类精密与特种加工方法，范围十分广泛。
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2 f9 P4 F0 s* T6 R/ r/ w" k- N2 W: S1 O　　从材料在加工过程中的流动来分析，去除加工是使工件材料逐步减少，一部分工件材料变成切屑的加工，这种流动称为分散流。

5 k" \- |. p8 X3 S& A　　结合加工是使工件材料在加工过程中逐步增加的加工，这种流动称之为汇合流。
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( x* \8 Q( W  `# s2 J5 G　　近年来，提出和发展了电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形加工等加工方法，突破了传统加工大多局限于分离去除和表面结合加工的概念，特别是快速成形加工是一种利用离散／堆积成型技术的分层制造方法，将—个三维空间实体零件分散为在某个坐标方向上的若干层有很小厚度的三维实体，由于厚度很小，可按二维实体成型，再叠加而成为所需零件的原型。变形加工是指在加工过程中工件材料基本不变的加工，称为直通流。
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5 ]0 T1 T" K$ b* F  c0 o" g　　2.加工方法机埋
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! u3 v& R8 x; ?. {　　从加工方法的机理来分类，精密与特种加工可以分为传统加工、非传统加工、复合加工。
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- o7 I) H- Q' b& Z　　传统加工是指使用刀具进行的切削加工以及磨削加工；

　　非传统加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的特种加工方法；
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　　复合加工是指采用多种加工方法的复合作用，其中包括传统加工和非传统加工的复合、非传统加工与非传统加工的复合，进行优势互补、相辅相成的加工。

　　按刀具切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工分类的各种常用的精密加工方法，及其所用的工具、所能达到的精度和表面粗糙度、被加工材料及应用情况。

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精密、超精密磨料加工中的精密磨削
金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密车削，而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用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(如油石研磨、精密珩磨；砂带磨削等)和游离磨料(如精密研磨、精密抛光)两大类，如图3-1所示。

http://news.mechnet.com.cn/upload/080707950508507.jpg

　　精密磨削是指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度为Ra0.2~0.025μm的磨削方法，一般用于机床主轴、轴承、液压滑阀、滚动导轨、量规等的精密加工。
- p2 V( _: I1 V2 V3 P　　一、精密磨削机理
　　精密磨削主要是靠砂轮具有微刃性和等高性的磨粒实现的。精密磨削机理：
　　⑴微刃的微切削作用：应用较小的进给量对砂轮实施精细修整，从而得到如图3-2所示的微刃，微刃的微切削作用形成了小表面粗糙度值的表面。
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http://news.mechnet.com.cn/upload/080707951237273.jpg

　　⑵微刃的等高切削作用：砂轮的精细修整使砂轮表层的同一深度上的微刀数量多、等高性好，从而使加工表面的残留高度极小。
　　⑶微刃的滑挤、摩擦、抛光作用：砂轮微刃随着磨削时间的增加而逐渐钝化，但等高性逐渐得到改善，因而切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强。同时磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰辗平，降低了表面粗糙度值。
$ E5 T5 W1 `  ~) f　　二、磨削用量
% z$ m# e' i8 M* R* y; W& N6 v　　磨削用量如表3-1所示。
. o! c  b7 C6 G( L　　三、精密磨削砂轮
& b$ W7 N+ Q: }" Z　　影响磨削性能的因素主要是砂轮的磨料、砂轮的粒度和砂轮的结合剂。有关砂轮组织的具体情况如表3-2所示。
　　1.砂轮磨料
　　精密磨削时所用砂轮的磨料以易于产生和保持微刃及其等高性为原则。如磨削钢件及铸铁件，以采用刚玉磨料为宜。因为刚玉磨料韧性较高，能保持微刃性和等高性。而碳化硅磨料韧性差，颗粒呈针片状，修整时难以形成等高性好的微刃，磨削时微刃易产生细微碎裂，不易保持微刃性和等高性，主要应用于有色金属加工。
　　2.砂轮粒度
4 o, w$ s3 S# n; Z6 A+ L　　粗粒度砂轮经过精细修整形成微刃，以微切削作用为主；细粒度砂轮经过精细修整形成半钝态微刃，与工件表面的摩擦抛光作用比较显著。
: k; k. B' }3 @0 i% H　　3.砂轮结合剂
　　粗粒度砂轮可用陶瓷结合剂。金属类、陶瓷类结合剂是目前超精密加工领域中研究的重要方面。
　　四、精密磨削中的砂轮修整
　　砂轮修整是影响精密磨削质量的关键因素之一。修整方法有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等，如图3-3所示。金刚石修整时砂轮与修整器的相对位置如图3-4所示。金刚石修整器的位置与砂轮磨削时的工件位置相对应，修整器安装在低于砂轮中心0.5~1.5mm处，并向右上倾斜10˚~15˚，以减小受力。金刚石超声波修整分为点接触法和面接触法。
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　　砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。修整导程—般为10~15mm/min；修整深度为2.5μm/单行程；修整时一般分为初修与精修，精修一般为2~3次单行程；光修为无修整深度修整，一般为1次单行程，主要是为了去除砂轮表面个别突出微刃，使砂轮表面更加平整。

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精密加工中金刚石刀具的结构
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关键字：精密加工  刀具

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衡量金刚石刀具质量的标准： ( G' A4 L; D  I( R6 }" i　　①能否加工出高质量的超光滑表面(Ra = 0.005μm ~ 0.02μm)； 　　②能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐(一般要求切削长度数百千米)。设计金刚石刀具时最主要问题有三个：   Y4 V. q" D$ p　　①确定切削部分的几何形状； 　　②选择合适的晶面作为刀具的前后面； # K" s0 F6 {8 v　　③确定金刚石在刀具上的固定方法和刀具结构。 $ }0 ?& a8 r% x5 g% z& l. [　　一、金刚石刀具切削部分的几何形状 　　⑴刀头形式 金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃和副切削刃之间加过渡刃——修光刃的形式，以对加工表面起修光作用，获得好的加工表面质量。若采用主切削刃与副切削刃相交为一点的尖锐刀尖，则刀尖不仅容易崩刃和磨损，而且还在加工表面上留下加工痕迹，从而增加表面粗糙度值。 　　修光刃有小圆弧修光刃、直线修光刃和圆弧修光刃之分。国内多采用直线修光刃，这种修光刃制造研磨简单，但要求对刀良好。国外标准的金刚石刀具，推荐的修光刃圆弧半径R=0.5~3mm。采用圆弧修光刃时，对刀容易，使用方便。但刀具制造研磨困难，所以价格也高。 　　金刚石刀具的主偏角一般为30&#730;~90&#730;，以45&#730;主偏角应用最为广泛。几种不同的刀头形式如图2-34所示，但一般不采用图2-34a所示的形式。 http://news.mechnet.com.cn/upload/080707935508342.jpg 　　⑵前角和后角 根据加工材料不同，金刚石刀具的前角可取0&#730;~5&#730;，后角一般可取5&#730;~6&#730;。因为金刚石为脆性材料，在保证获得较小的加工表画粗糙度的前提下，为提高刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角β，所以宜取较小的刀具前角和后角。但增大金刚石刀具的后角，减少刀具后面和加工表面的摩擦，可减小表面粗糙度值，所以加工球面和非球曲面的圆弧修光刃刀具，常取后角为10&#730;。美国EI Contour精密刀具公司的标准金刚石车刀结构如图2-35所示。该车刀采用圆弧修光刃，修光刃圆弧半径R=0.5~1.5mm。后角采用10&#730;，刀具前角可根据加工材料由用户选定。 8 ?' n) V7 v5 t9 ]' W3 p http://news.mechnet.com.cn/upload/080707937028661.jpg 　　一种可用于车削铝合金、铜、黄铜的通用金刚石车刀结构如图2-36所示。可获得粗糙度Ra < 0.02~ 0.005μm的表面。 http://news.mechnet.com.cn/upload/080707937386897.jpg 　　二、选择合适的晶面作为金刚石刀具前、后面 　　单晶金刚石各向异性。目前国内制造金刚石刀具，一般前面和后面都采用(110)晶面或者和(110)晶面相近的面(±3&#730;~5&#730。这主要是从金刚石的这两个晶面易于研磨加工角度考虑的，而未考虑对金刚石刀具的使用性能和刀具耐用度的影响。 : r. ]/ B6 A" ^( i) _/ k, c　　三、金刚石刀具上的金刚石固定方法 　　⑴机械夹固 将金刚石的底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上。此法需要较大颗粒的金刚石。 2 `0 h, F# a% o  R) a8 V; E4 d' y　　⑵用粉末冶金法固定 将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚行固定在小刀头内。此法可使用较小颗粒的金刚石，较为经济，因此目前国际上多采用该方法。 　　⑶使用粘结或钎焊固定 使用无机粘结剂或其他粘结剂固定金刚石。粘结强度有限，金刚石容易脱落。钎焊固定是一种好办法，但技术不易掌握。 3 b0 `  B% k8 p2 @　　国内外的金刚石刀具使用者一般都不自己磨刀，而将金刚石刀具送回原制造厂重磨。重磨收费很高且很不方便。Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，即将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。刀片上的金刚石由制造厂研磨得很锋锐，使用厂用钝后不再重磨。这种刀具使用颗粒很小的金刚石，因而价格比较便宜。 9 z% w, _6 i; [9 Y( M' X& y# V( p- ?

liximu2009

路过！！！！不过还是顶下

快乐少爷

学习了，很好

edisoncba

说得好，详细阐述了现代加工技术的发展方向，下了认真看

380557319

认真看完收获很大，谢谢楼主的资料

3662273

看了前面部分，在学校时专门有这门课。那时竟然连书都没有买。上课就睡觉。现在慢慢去接受这些知识。

hzzgs1598

楼主：你的磨削用量表3-1和表3-2在哪儿了？请传上来看看。

83liyanfeng

楼主很强大，谢谢了

johnzhong

楼主能传一个钨钢的冷拔模具·的精细加工的工艺吗， 谢谢了！