《机械制造工艺学》课程教学资源（中文讲稿）第06章 机械制造技术的发展

机械制造工艺学讲义第六章机械制造技术的发展第一节精密与特种加工的产生背景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。由手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：（1）解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、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。（2）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。（3）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0.1um以上，表面粗糙度R，要求在0.01um以下。（4）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。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。在生产的道切需求下，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。2石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 2 第六章 机械制造技术的发展 第—节 精密与特种加工的产生背景 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： 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。 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。 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

机械制造工艺学讲义第二节精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响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、方法论、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。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。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-TraditionalMachining），它们与传统切削加工的不同特点主要有：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：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。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。精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革：（1）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、线切割加工萍火钢比未萍火钢更容易。（2）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率火热处理工序之前，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萍火热处理变形，一般都是先率火处理而后加工。如电火花线切割加工、电解加工等都必须先进3石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 3 第二节 精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响 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。 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。 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 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； 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。 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。 精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革： 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。 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

机械制造工艺学讲义行淬火处理后再加工。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。（3）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。（4）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。(5）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。第三节精密与特种加工的方法及分类1.加工成形的原理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。去除加工文称为分离加工，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。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。注入加工文称为渗入加工，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4石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 4 行淬火处理后再加工。 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。 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。 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。 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。 第三节 精密与特种加工的方法及分类 1．加工成形的原理 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。 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。 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

机械制造工艺学讲义材料通过物化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。变形加工文称为流动加工，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。表1-1列出了上述三大类精密与特种加工方法，范围十分广泛。从材料在加工过程中的流动来分析，去除加工是便工件材料逐步减少，一部分工件材料变成切屑的加工，这种流动称为分散流。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。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手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，将一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。2.加工方法机理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。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：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。表1-2列出了按刀具切削加工、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。第四节精密与特种加工技术的地位和作用自前，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5石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 5 材料通过物化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。 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。 表 1-1 列出了上述三大类精密与特种加工方法，范围十分广泛。 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。 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。 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。 2．加工方法机埋 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。 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； 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。 表 1-2 列出了按刀具切削加工、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。 第四节 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

机械制造工艺学讲义和提高国际经济竞争能力，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一，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，从一个战败国发展为世界上的经济强国。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。自前，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一。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。6石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 6 和提高国际经济竞争能力。 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。 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

机械制造工艺学讲义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。第二章金刚石刀具精密切削加工第一节概述精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大领域。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿、未来技术的基础。通常将加工精度在0.1~1um，加工表面粗糙度Ra在0.02~0.1um之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1um，加工表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工方法称为超精密加工。当前各种加工方法所能达到的精度及其发展趋势如图2-1所示。天然金刚石刀具是精密与超精密加工的基本刀具。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于两个方面，即单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。一、超精密加工的难点超微量去除技术是实现超阶级精密加工的关键。这是因为在这种情况下：①工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制②工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响：③去除层越薄，被加工表面所受的切应力越大，材料就越不易被去除。④当去除厚度在1um以下时，材料被去除的区域内产生的切应力急剧增大。因为当晶粒的尺寸为数微米时，加工就需在晶粒内进行，即把晶粒当作一个个不连续体进行切削。在晶粒内部，大约1um左右的间隙内就有一个位错缺陷。二、超精密加工的方法（1）超精密加工按加工方式不同可以分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料加工）、特种加工和复合加工四类，如表2-3所示。(2）根据加工方法的机理和特点，最基本的超精密加工方法还可分为去除加工、结合加工和变形加工三大类，如表2-4所示。（3）超精密加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固结磨料和游离磨料加工：非传统加工是指利用电能、磁能、声能、光能、化学能、核能等对材料进行加工和处理：复合加工是指多种加工方法的复合。目前，在制造业中以切削、磨削和研磨为代表的传统加工方法仍7石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 7 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。 第二章 金刚石刀具精密切削加工 第一节 概 述 精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大领域。当代的精密 工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿、未来技术的基础。 通常将加工精度在 0.1~1μm，加工表面粗糙度 Ra 在 0.02~0.1μm 之间的加 工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra小于0.01μm 的加工方法称为超精密加工。 当前各种加工方法所能达到的精度及其发展趋势如图 2-1 所示。 天然金刚石刀具是精密与超精密加工的基本刀具。金刚石刀具的超精密加 工技术主要应用于两个方面，即单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中 的中小型超精密零件加工。 一、超精密加工的难点 超微量去除技术是实现超阶级精密加工的关键。这是因为在这种情况下： ① 工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制； ② 工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响； ③ 去除层越薄，被加工表面所受的切应力越大，材料就越不易被去除。 ④ 当去除厚度在 1μm 以下时，材料被去除的区域内产生的切应力急剧增 大。因为当晶粒的尺寸为数微米时，加工就需在晶粒内进行，即把晶粒当作一个 个不连续体进行切削。在晶粒内部，大约 1μm 左右的间隙内就有一个位错缺陷。 二、超精密加工的方法 ⑴ 超精密加工按加工方式不同可以分为切削加工、磨料加工（分固结磨料 和游离磨料加工）、特种加工和复合加工四类，如表 2-3 所示。 ⑵ 根据加工方法的机理和特点，最基本的超精密加工方法还可分为去除加 工、结合加工和变形加工三大类，如表 2-4 所示。 ⑶ 超精密加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指 刀具切削加工、固结磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用电能、磁能、 声能、光能、化学能、核能等对材料进行加工和处理；复合加工是指多种加工 方法的复合。目前，在制造业中以切削、磨削和研磨为代表的传统加工方法仍

机械制造工艺学讲义占主要地位，如表2-5所示。三、超精密加工的实现条件超精密加工是一门多学科交叉的综合性高新技术，已从单纯的技术方法发展成精密加工系统工程。该系统主要包括以下几个方面：①超精密加工的机理与工艺方法②超精密加工工艺装备：③超精密加工工具：④超精密加工中的工件材料：③精密测量及误差补偿技术：③超精密加工工作环境、条件等。在超精密加工的中，必须综合考虑以上因素。第二节：超精密机床及其关键部件一、典型超精密机床超精密加工机床是超精密加工最重要、最基本的加工设备。超精密加工对超精密加工机床的基本要求如下：（1）高精度。包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精度和重复定位精度以及分辨率等。（2）高刚度。包括高的静刚度和动刚度。除本身刚度外，还要考虑接触刚度及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统工程刚度。(3）高稳定性。在规定的工作环境下和使用过程中能长时间保持精度，具有良好的耐磨性、抗振性等。（4）高自动化。为了保证加工质量的一致性，减少人为因素的影响，采用数控系统实现自动化。以下是超精密机床发展过程中的一些典型的、有代表性的机床，它们基本代表了超精密加工技术和超精密机床的发展过程。1.大型光学金刚石车床一—LODTMLODTM由美国国防部高等研究计划局投资，LLL实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制的加工光学零件的大型光学金刚石车床（LODTM一LargeOptical DiamondTurningMachine)。8石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 8 占主要地位，如表 2-5 所示。 三、超精密加工的实现条件 超精密加工是一门多学科交叉的综合性高新技术，已从单纯的技术方法发 展成精密加工系统工程。该系统主要包括以下几个方面： ① 超精密加工的机理与工艺方法； ② 超精密加工工艺装备； ③ 超精密加工工具； ④ 超精密加工中的工件材料； ⑤ 精密测量及误差补偿技术； ⑥ 超精密加工工作环境、条件等。 在超精密加工的中，必须综合考虑以上因素。 第二节 超精密机床及其关键部件 一、典型超精密机床 超精密加工机床是超精密加工最重要、最基本的加工设备。超精密加工对 超精密加工机床的基本要求如下： ⑴ 高精度。包括高的静精度和动精度。主要性能指标有几何精度、定位精 度和重复定位精度以及分辨率等。 ⑵ 高刚度。包括高的静刚度和动刚度。除本身刚度外，还要考虑接触刚度， 及由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统工程刚度。 ⑶ 高稳定性。在规定的工作环境下和使用过程中能长时间保持精度，具有 良好的耐磨性、抗振性等。 ⑷ 高自动化。为了保证加工质量的一致性，减少人为因素的影响，采用数 控系统实现自动化。 以下是超精密机床发展过程中的—些典型的、有代表性的机床，它们基本 代表了超精密加工技术和超精密机床的发展过程。 1．大型光学金刚石车床——LODTM LODTM 由美国国防部高等研究计划局投资，LLL 实验室和空军 Wright 航 空研究所等单位合作研制的加工光学零件的大型光学金刚石车床（LODTM— —Large Optical Diamond Turning Machine）

机械制造工艺学讲义2.FG-001超精密机床德国的FG-001超精密机床可实现纳米级的非球曲面加工。图24美国111实验室的大型光学金端名车床（L0DM）图2-5FC-001招精密机床3.OAGM2500大型超精密机床英国Granfield公司和SERCBritish（ScienceandEngineeringResearchCouncil）于1991年合作研制成功OAGM2500大型超精密机床，用于X射线天体望远镜的大型曲面反射镜的精密磨削和坐标测量。该机床有高精度回转工作台：由精密数控系统驱动：导轨采用液体静压，磨轴头和测量头采用空气轴承：床身结构高图2-6夷国Cranfie.d公司的刚度、尺寸高度稳定，有很强的振动OACM25U人型超密机床1-工价台2流脉基准果3到头衰减能力。4一，同考光蚊5—板龙门等，6-轮辅4.AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床日本的TOYOTA公司生产的AHNIO型高效专用超精密车床，机床主轴由空气轴承支承，刀架设计成滑板结构，由气动透平驱动的砂轮轴转速为图2-7日本AHNI0机床磨模且情况石河子大学机械电气工程学院1一主轴2一磨卖工轴3-工件4砂轮5一刀架

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 9 2．FG-001 超精密机床 德国的 FG-001 超精密 机床可实现纳米级的非球曲 面加工。 3．OAGM 2500 大型超精密机床 英 国 Granfield 公 司 和 SERC British （ Science and Engineering Research Council）于 1991 年合作研制 成功 OAGM 2500 大型超精密机床， 用于 X 射线天体望远镜的大型曲面反 射镜的精密磨削和坐标测量。该机床 有高精度回转工作台；由精密数控系 统驱动；导轨采用液体静压，磨轴头 和测量头采用空气轴承；床身结构高 刚度、尺寸高度稳定，有很强的振动 衰减能力。 4．AHNIO 型高效专用车削、磨 削超精密机床 日本的 TOYOTA 公司生产 的 AHNIO 型高效专用超精密车 床，机床主轴由空气轴承支承， 刀架设计成滑板结构，由气动透 平 驱 动 的 砂 轮 轴 转 速 为

机械制造工艺学讲义100000r/min，采用激光测量反馈系统，直线移动分辨力为0.01um，定位精度全行程0.03um，B轴回转分辨力为1.3"。该机床加工的模具形状精度为0.05um，表面粗糙度Ra0.025μm。二、超精密机床的主轴部件主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的要求是极高的回转精度，转动平稳，无振动。而满足该要求的关键在于所用的精密轴承。早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承，现在多使用液体静压轴承和空气静压轴承。1.液体静压轴承主轴液体静压轴承具有回转精度高（0.1um）、刚+度较高、转动平稳、无振动的特点，因此被广泛用于超精密机床。液体静压轴承的主要缺点是：①液体静压轴承的油温随着转速的升高而图2-8渡体静压轴承主链结构升高。温度升高将造成热变形，影响主轴精度。1一径向轴承2一指力轴承3一真空盘②静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，因而降低了液体静压轴承的刚度和动特性。2.空气静压轴承主轴空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承相同。空气静压轴承具有很高的回转精度，在高速转动时温升基小，基本达到恒温状态，因此造成的热变形误差很小。但是与液体静压轴承相比，空气轴承刚度低，承受载荷较小。但超精密加工切削力很小，所以空气轴承可以满足相关要求。以下是几种典型的结构：（1）双半球空气轴承主轴：该主轴前后轴承均为半球状，同时起径向轴承和推力轴承的作用。由于轴承的球形气浮面具有自动调心作用，因此可以提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。图29内装式双中球空气轴承主轴(2）径向一推力空气静压轴承主轴：该1一前钥承2一气一纯承4一包货月5一美转全器6一无婴电品机7一外范结构是在液体静压轴承主轴结构基础上发一#一多几不成10石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 10 100000r/min，采用激光测量反馈系统，直线移动分辨力为 0.01μm，定位精度 全行程 0.03μm，B 轴回转分辨力为 1.3"。该机床加工的模具形状精度为 0.05μm， 表面粗糙度 Ra0.025μm。 二、超精密机床的主轴部件 主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的要求是 极高的回转精度，转动平稳，无振动。而满足该要求的关键在于所用的精密轴 承。早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承，现在多使用液体静压轴承和空 气静压轴承。 1．液体静压轴承主轴 液体静压轴承具有回转精度高（0.1μm）、刚 度较高、转动平稳、无振动的特点，因此被广泛 用于超精密机床。 液体静压轴承的主要缺点是： ① 液体静压轴承的油温随着转速的升高而 升高。温度升高将造成热变形，影响主轴精度。 ② 静压油回油时将空气带入油源，形成微小 气泡悬浮在油中，不易排出，因而降低了液体静压轴承的刚度和动特性。 2．空气静压轴承主轴 空气静压轴承的工作原理和液体静压轴承相同。空气静压轴承具有很高的 回转精度，在高速转动时温升甚小，基本达到恒温状态，因此造成的热变形误 差很小。但是与液体静压轴承相比，空气轴承刚度低，承受载荷较小。但超精 密加工切削力很小，所以空气轴承可以满足相关要求。 以下是几种典型的结构： ⑴ 双半球空气轴承主轴：该主轴前后 轴承均为半球状，同时起径向轴承和推力 轴承的作用。由于轴承的球形气浮面具有 自动调心作用，因此可以提高前后轴承的 同心度，以提高主轴的回转精度。 ⑵ 径向—推力空气静压轴承主轴：该 结构是在液体静压轴承主轴结构基础上发

机械制造工艺学讲义展起来的，只是节流孔和气腔大小形状不同。该结构中径向轴承的外鼓形轴套可起自动调整定心作用，具体方法是先通气使轴套自动将位置调好后再固定。这样可提高前后轴套的同心度。(3）球形一径向空气周2-m室气静压轴承主轴结档轴承主轴：这种结构的主1一+轴2室推力板：1气孔4一多几石果拍剂5一晓上准力球轴前端球形同时起到径6—后推力板7两整爆灯，8—外壳休向轴承和轴向推力轴承作用，并具有自动调心作用，保证了前后轴承的同心度。(4）立式空气轴承主轴：该结构主要用于大型降2日羽球形异圆杜件自维承的空气细承主航超精密车床，以保证加工1一球辅承2一土销：3轻向新率系统具有较高的刚度，且+一电联朝器科向及推小轴承6一带轮便于零件的装夹。其圆弧面的径向轴承起到自动调心、提高精度的作用。3.主轴的驱动方式主轴驱动方式也是影响超精密机床主轴回转精度的主要因素之一。超精密机床主轴的驱动主要有以下两种图2-12立式空气轴承主销1一名元石册推对2一主租3年来方式：（1）柔性联轴器驱动：机床主轴和电动机在同一轴线上时，超精密机床的主轴通过电磁联轴器或其他柔性联轴器与电动机相联。(2）内装式同轴电动机驱动：该驱动形式采用特制的内装式电动机，其转子直接装在机床主轴上，定子装在主轴箱内，电动机本身没有轴承，而是依靠机床的高精度空气轴承支承转子的转动。采用无刷直流电动机，可以很方便地进行主轴转速的无级变速，同时由于电动机没有电刷，不仅可以消除电刷引起的11石河子大学机械电气工程学院

机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 11 展起来的，只是节流孔和气腔大小形状不同。该结构中径向轴承的外鼓形轴套 可起自动调整定心作用， 具体方法是先通气使轴 套自动将位置调好后再 固定。这样可提高前后轴 套的同心度。 ⑶ 球形—径向空气 轴承主轴：这种结构的主 轴前端球形同时起到径 向轴承和轴向推力轴承 作用，并具有自动调心作 用，保证了前后轴承的同 心度。 ⑷ 立式空气轴承主 轴：该结构主要用于大型 超精密车床，以保证加工 系统具有较高的刚度，且 便于零件的装夹。其圆弧面的径向轴 承起到自动调心、提高精度的作用。 3．主轴的驱动方式 主轴驱动方式也是影响超精密机 床主轴回转精度的主要因素之—。超 精密机床主轴的驱动主要有以下两种 方式： ⑴ 柔性联轴器驱动：机床主轴和电动机在同一轴线上时，超精密机床的主 轴通过电磁联轴器或其他柔性联轴器与电动机相联。 ⑵ 内装式同轴电动机驱动：该驱动形式采用特制的内装式电动机，其转子 直接装在机床主轴上，定子装在主轴箱内，电动机本身没有轴承，而是依靠机 床的高精度空气轴承支承转子的转动。采用无刷直流电动机，可以很方便地进 行主轴转速的无级变速，同时由于电动机没有电刷，不仅可以消除电刷引起的