精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术1精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量被加工表面的质量高低主要从已加工表面的粗糙度和加工变质层等两个方面去衡量。1.表面粗糙度Ra、Rz、Ry的表示方法和定义表面粗糙度与磨损的关系表面粗糙度对疲劳强度的影响精密与超精密加工基础超精密加工表面质量1.表面粗糙度Ra、2精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的定义和分类因其他元素的作用而产生的变质污染吸附层（物理吸附或化学吸附）化合物层异物的埋入或镶嵌由于应力作用而产生的变质1.残留应力层2.龟裂因母体材质组织变化而产生的变质非结晶化层微细结晶层位错密度增加生成双晶层合金中的某一成分覆盖在表层纤维组织层研磨变态层结晶畸变层因热再结晶层随加工过程而产生的与母体材料性质不同的工件表层。精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的定义3精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的形态加工变质层与表面缺陷的形态去除单位与微观结晶组织变化及宏观变形情况加工变质层的大小和深度与加工的去除单位的大小有关精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的形态4精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的影响使零件的材料性能下降；影响零件的耐腐蚀性、耐磨损性和疲劳强度。录像机磁头的加工变质层将使其磁特性变坏或成为非导磁体，使磁头的性能大大降低。精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的影响5超精密切削-金刚石刀具切削用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削
称为金刚石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金属材料的精密加工利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好超精密切削-金刚石刀具切削用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的6金刚石切削机理
切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/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金刚石切削机理切削在晶粒内进行7
刀尖附近二维切削模型金刚石切削机理金刚石切削刀尖的切削模型OMF金属切削模型弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角刀尖附近二维切削模型金刚石切削机理金刚石切削刀尖的切削模型8
切削表面形成模型金刚石切削机理t0－变质层深度；t1－给定切深；t2－实际切深；Δ－毛刺产生的粗糙度增量切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映切削表面形成模型金刚石切削机理t0－变质层深度；t1－给定9
切削表面形成模型金刚石切削机理理想刀具切削刃在工件表面的复印轮廓
切削刃的粗糙度切削刃口的复映性毛刺与加工变质层
影响表面形成的因素切削表面形成模型金刚石切削机理理想刀具切削刃在工件表面的复10金刚石切削刀具
超精密切削刀具应具备的条件：
刀具刃口的锋利性好。刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。
切削刃的粗糙度低。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。
刀具与被切削材料的亲和性低。以得到极好的加工表面完整性。
－可达到Ry10nm金刚石刀具切削刃有良好的复印性金刚石刀具的热化学性能
－有较高的热导率和比热容，低的摩擦系数
－高温时易氧化和石墨化金刚石刀具对超精密切削的适应性材料晶界圆弧半径/nm金刚石TICFeCuAl2.01.12.93.75.7最小圆弧半径的计算值金刚石刀具刃口的锋利性金刚石刀具对超精密切削的适应性材料晶13金刚石刀具的分类
天然单晶金刚石刀具
人工合成金刚石刀具(如美国GE公司生产的COMPAX牌金刚石刀具)
－聚晶金刚石(PCD)（切割后焊在刀片上）
CBN和单晶金刚石的热稳定性比较单晶金刚石刀具CBN和单晶金刚石的热稳定性比较20金刚石刀具可切削材料可切削材料Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑胶金刚石刀具可切削材料可切削材料21要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等金刚石切削机床型号(生产厂家)HCM-Ⅰ
(中国哈工大)M-18AG
(莫尔特殊机床,美国)UltraprecisionCNCmachine
(东芝,日本)UltraprecisionLathe
(IPT，德国)主轴径向跳动(μm)≤0.075≤0.05(500r/min)≤0.048轴向跳动(μm)≤0.05≤0.05(500r/min)径向刚度(N/μm)220100轴向刚度(N/μm)160200导轨Z向(主轴)直线度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/230mm0.044μm/80mmX向(刀架)直线度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/410mm0.044μm/80mmX、Z向垂直度(")≤11重复定位精度(μm)1(全程)、0.5(25.4mm)加工
工件
精度形面精度(μm)圆度：0.1平面度：0.3＜0.1(P-V值)0.1表面粗糙度(μm)Ra0.00420.0075(P-V值)Ra0.0020.002～0.005RMS位置反馈系统分辨率(μm)252.510温控精度(℃)≤0.004±0.006±0.1隔振系统固有频率(Hz)≤22加工范围(mm)320356650×2502主轴系统国内外典型超精密车床性能指标要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等金刚石切削22Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器美国Moore公司M-18AG金刚石车床主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μm/100mm；数控系统分辨率0.01μm。典型金刚石切削机床Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气23典型金刚石切削机床T形布局的金刚石车床车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。
T形布局典型金刚石切削机床T形布局的金刚石车床车床主轴装在横向滑台（24
金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速r/mm最大进给速度mm/min重复精度(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×20025金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片26
用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）
加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等
加工有机玻璃和各种塑料
(c)微刃(锐利、半钝化、钝化)磨粒具有微刃性和等高性
ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）(砂轮在线电解修整)原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。铸铁基砂轮：“+”极；石墨电极：“–”极；两电极间隙：0.1mm进给＋－ELID磨削原理电源金刚石砂轮冷却液冷却液电刷EL38（1）磨削过程具有良好的稳定性；（2）该修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率；（3）ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；（4）采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。ELID磨削的特点（1）磨削过程具有良好的稳定性；ELID磨削的特点39
值可达0.02μm）。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。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。砂带精密磨削砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小
塑性（延性）磨削(a)初始加载:接触区产生—永久塑性变形区，没有任何裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。(b)临界区:载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力集中处产生中介裂纹(MedianCrack)。(c)裂纹增长区:载荷增加,中介裂纹也随之增长。(d)初始卸载阶段:中介裂纹开始闭合，但不愈合。(e)侧向裂纹产生:进一步卸载，由于接触区弹塑性应力不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩展的横向裂纹(LateralCrack)。(f)完全卸载:侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。尖锐压头下的材料变形过程塑性（延性）磨削(a)初始加载:接触区产生—永久塑性46
塑性（延性）磨削由图可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆性裂纹。临界载荷：在材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷；临界压深：材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变时，压头压入的深度。尖锐压头下的材料变形过程脆性材料裂纹长度塑性（延性）磨削由图可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷47塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，主要有两种看法：临界切削深度——当磨粒的切削深度小到一定程度（临界切削深度）时，切屑就由脆断转变为塑断。切削深度和磨削温度是切屑由脆性向塑性转变的关键——当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。（已有试验作支持）
塑性（延性）磨削
磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，主要有两种看法：塑性（延性48
塑性磨削
磨粒作用下的脆性裂纹超精密磨削的临界切削厚度E－材料的弹性模量，H－材料硬度，
K
c－材料的断裂韧性日本学者研究表明，金刚石砂轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度塑性（延性）磨削塑性磨削磨粒作用下的脆性裂纹超精密磨49
日本学者研究表明，金刚石砂轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度平均磨粒尺寸低于20μm塑性（延性）磨削塑性磨削日本学者研究表明，金刚石砂轮50（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。
（2）磨粒与工件的接触点的切削温度应高到一定程度，使工件材料的局部物理特性发生变化。
塑性磨削工艺条件（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨51超精密研磨和抛光研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。研磨原理超精密研磨和抛光研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面52超精密研磨和抛光抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。超精镜面砂带抛光硬磁盘涂层表面超精密研磨和抛光抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表53研磨和抛光的机理和特点特点：研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束
磨料不固定研具的现状要复印在工件上
研具与工件的相对运动方向常发生变化机理：机械的微切削作用
机械与化学的综合作用化学或电化学的作用
其他作用研磨和抛光的机理和特点特点：机理：54工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。
工作原理
机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用弹性发射加工EEM(ElasteEmissionMachining)
抛光轮由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.1～0.01μm工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)抛光轮与工件表面形成小55
工作原理抛光液由磁埸控制，成为和工件表面一致的磨头。它的黏性与硬度由磁场精密控制。
应用：长宽比例大的光学部件及基片(通讯仪器、硬盘、晶片等)，光学玻璃镜片，单结晶(钙氟化物，矽)，陶瓷(矽碳化物，钨碳化物)
特点：(1)利用磁场达到快速及可靠的控制(2)数控(3)抛光板能准确符合复杂的形状，因此能确保非球面及复杂的表面的精密抛光
磁流变抛光技术(MRF)工作原理磁流变抛光技术(MRF)56磁流变抛光技术(MRF)氮化硅陶瓷平板的磁力研磨实验结果磁流变抛光技术(MRF)氮化硅陶瓷平板的磁力研磨实验结果57
工作原理抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。
机理：微切削作用。抛光工具小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒液体动力抛光工作原理抛光工具小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒液体动力抛58
工作原理活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。
机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。机械化学抛光抛光工具活性抛光液小间隙工件工具运动方向加压工作原理机械化学抛光抛光工具活性小间隙工件工具运动方向加压59精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术60精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量被加工表面的质量高低主要从已加工表面的粗糙度和加工变质层等两个方面去衡量。1.表面粗糙度Ra、Rz、Ry的表示方法和定义表面粗糙度与磨损的关系表面粗糙度对疲劳强度的影响精密与超精密加工基础超精密加工表面质量1.表面粗糙度Ra、61精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的定义和分类因其他元素的作用而产生的变质污染吸附层（物理吸附或化学吸附）化合物层异物的埋入或镶嵌由于应力作用而产生的变质1.残留应力层2.龟裂因母体材质组织变化而产生的变质非结晶化层微细结晶层位错密度增加生成双晶层合金中的某一成分覆盖在表层纤维组织层研磨变态层结晶畸变层因热再结晶层随加工过程而产生的与母体材料性质不同的工件表层。精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的定义62精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的形态加工变质层与表面缺陷的形态去除单位与微观结晶组织变化及宏观变形情况加工变质层的大小和深度与加工的去除单位的大小有关精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的形态63精密与超精密加工基础
超精密加工表面质量2.加工变质层的影响使零件的材料性能下降；影响零件的耐腐蚀性、耐磨损性和疲劳强度。录像机磁头的加工变质层将使其磁特性变坏或成为非导磁体，使磁头的性能大大降低。精密与超精密加工基础超精密加工表面质量2.加工变质层的影响64超精密切削-金刚石刀具切削用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削
称为金刚石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金属材料的精密加工利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好超精密切削-金刚石刀具切削用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的65金刚石切削机理
切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/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金刚石切削机理切削在晶粒内进行66
刀尖附近二维切削模型金刚石切削机理金刚石切削刀尖的切削模型OMF金属切削模型弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角刀尖附近二维切削模型金刚石切削机理金刚石切削刀尖的切削模型67
切削表面形成模型金刚石切削机理t0－变质层深度；t1－给定切深；t2－实际切深；Δ－毛刺产生的粗糙度增量切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映切削表面形成模型金刚石切削机理t0－变质层深度；t1－给定68
影响表面形成的因素切削表面形成模型金刚石切削机理理想刀具切削刃在工件表面的复69金刚石切削刀具
－高温时易氧化和石墨化金刚石刀具对超精密切削的适应性材料晶界圆弧半径/nm金刚石TICFeCuAl2.01.12.93.75.7最小圆弧半径的计算值金刚石刀具刃口的锋利性金刚石刀具对超精密切削的适应性材料晶72金刚石刀具的分类
CBN和单晶金刚石的热稳定性比较单晶金刚石刀具CBN和单晶金刚石的热稳定性比较79金刚石刀具可切削材料可切削材料Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑胶金刚石刀具可切削材料可切削材料80要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等金刚石切削机床型号(生产厂家)HCM-Ⅰ
精度形面精度(μm)圆度：0.1平面度：0.3＜0.1(P-V值)0.1表面粗糙度(μm)Ra0.00420.0075(P-V值)Ra0.0020.002～0.005RMS位置反馈系统分辨率(μm)252.510温控精度(℃)≤0.004±0.006±0.1隔振系统固有频率(Hz)≤22加工范围(mm)320356650×2502主轴系统国内外典型超精密车床性能指标要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等金刚石切削81Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器美国Moore公司M-18AG金刚石车床主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μm/100mm；数控系统分辨率0.01μm。典型金刚石切削机床Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气82典型金刚石切削机床T形布局的金刚石车床车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。
T形布局典型金刚石切削机床T形布局的金刚石车床车床主轴装在横向滑台（83
金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速r/mm最大进给速度mm/min重复精度(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×20084金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片85
ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）(砂轮在线电解修整)原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。铸铁基砂轮：“+”极；石墨电极：“–”极；两电极间隙：0.1mm进给＋－ELID磨削原理电源金刚石砂轮冷却液冷却液电刷EL97（1）磨削过程具有良好的稳定性；（2）该修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率；（3）ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；（4）采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。ELID磨削的特点（1）磨削过程具有良好的稳定性；ELID磨削的特点98
塑性（延性）磨削(a)初始加载:接触区产生—永久塑性变形区，没有任何裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。(b)临界区:载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力集中处产生中介裂纹(MedianCrack)。(c)裂纹增长区:载荷增加,中介裂纹也随之增长。(d)初始卸载阶段:中介裂纹开始闭合，但不愈合。(e)侧向裂纹产生:进一步卸载，由于接触区弹塑性应力不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩展的横向裂纹(LateralCrack)。(f)完全卸载:侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。尖锐压头下的材料变形过程塑性（延性）磨削(a)初始加载:接触区产生—永久塑性105
塑性（延性）磨削由图可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆性裂纹。临界载荷：在材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷