精密与特种加工技术-思考题答案及主要知识点

《精密与特种加工技术》思考题答案及主要知识点FXK整理(2016-12)第一章概论思考题：1.精密与特种加工技术在机械制造领域的作用与地位如何？√答：目前，精密和特种加工技术已经成为机械制造领域不可缺少的重要手段，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，尤其在国防工业、尖端技术、微电子工业方面作用尤为明显。由于精密与特种加工技术的特点以及逐渐被广泛应用，已引起了机械制造领域内的许多变革，已经成为先进制造技术的重要组成部分，是在国际竞争中取得成功的关键技术。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。2.精密与特种加工技术的逐渐广泛应用引起的机械制造领域的那些变革？√答：⑴提高了材料的可加工性:常规加工中难加工的金刚石、硬质合金、淬火钢、陶瓷、玻璃等在特种加工不再是难题,对电火花和线切割等加工技术而言，淬火钢比未淬火钢更容易加工；⑵改变了零件的典型工艺路线:线切割、电火花成型加工、电解加工等可在淬火处理后进行，避开了淬火热变形对精度的影响；⑶大大缩短新产品试制周期:采用精密与特种加工技术可直接加工出各种标准和非标准直齿轮，各种特殊复杂的二次曲面体零件；⑷对产品零件的结构设计产生很大的影响:如喷气发动机涡轮也由于电解加工技术的出现可采用整体式结构；⑸对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响:现在有时为了避免淬火处理产生开裂，变形等缺陷，故意把钻孔，开槽等工艺安排在淬火处理之后，使工艺路线更灵活。3.特种加工工艺与常规加工工艺之间有何关系？应该如何正确处理特种加工与常规加工之间的关系？√答：常规工艺是在切削、磨削、研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊要求的零件越来越多，常规传统工艺必然难以适应。所以可以认为特种加工工艺是常规加工工艺的补充和发展，特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺，但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺。●它们之间的不同点有：1)不是主要依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电、光、热、化学、声等）去除材料；2)工具的硬度可低于被加工工件材料，或根本不需要使用任何工具；3)加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力，特别适合于精密加工低刚度零件；●传统加工方法在当前是主要加工手段，应该重视，并进一步发展。将几种加工方法融合在一起，发挥各自所长，相辅相成。4.特种加工对材料的可加工性以及产品的结构工艺性有何影响？举例说明.答：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，对于电火花，线切割等加工技术而言，淬火钢比未淬火钢更容易加工。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，但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以程度是一样的，相反现在有时为了避免淬火产生开裂、变形等缺陷，故意把钻孔开槽等工艺安排在淬火处理之后，使工艺路线安排更为灵活。举例说明:●提高了材料的可加工性例如现在已经广泛采用的金刚石、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等难加工材料制造的刀具、工具、拉丝模等，可以采用电火花、电解、激光等多种方法加工。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。对于电火花、线切割等加工技术而言，淬火钢比未淬火钢更容易加工。●对传统的结构工艺性衡量标准产生重要影响例如以往普遍认为方孔、小孔、弯孔、窄缝等是工艺性差的典型。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。喷油嘴小孔、喷丝头小异型孔、涡轮叶片上大量的小冷却深孔、窄缝、静压轴承和静压导轨的内油囊型腔等，采用电火花加工技术以后都变难为易了。本章其他主要知识点：1.精密加工与超精密加工的界定：●普通加工:普通机床加工即可达到精度要求的加工●精密加工:加工精度在1～0.1μm,加工表面粗糙度Ra在0.1～0.02μm之间的加工方法称为精密加工.●超精密加工: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.●超精密切削加工主要有超精密车削、镜面磨削和研磨等。在超精密车床上用经过精细研磨的单晶金刚石车刀进行微量车削,切削厚度仅1微米左右，常用于加工有色金属材料的球面、非球面和平面的反射镜等高精度、表面高度光洁的零件。例如加工核聚变装置用的直径为800毫米的非球面反射镜，最高精度可达0.1微米，表面粗糙度为Rz0.05微米。2.特种加工特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。3.超精密特种加工加工精度为纳米级，借助特种加工方法，从而去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形，以达到超精密加工的目的。如机械化学抛光、离子溅射和离子注入、电子束曝射、激光束加工、金属蒸镀和分子束外延等。4.精密与特种加工的方法及分类从加工成形的原理和特点可以分为三大类:●去除加工:金刚石刀具精车、精密磨削、电火花加工、电解加工●结合加工:电镀、气象沉积、渗碳、离子注入、焊接等●变形加工:锻、铸等从加工机理来分类可以分为三类:●传统加工:指用刀具切削、磨具磨削、磨料研磨及抛光等；(是精密传统加工,不包括普通传统加工)●非传统加工指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源进行加工.如：电火花成形、电火花线切割、电解、蚀刻、超声、微波、红外、电子束、粒子束、激光、增材制造等；●复合加工用多种方法复合，如电化学加工、超声电解、…5.复合加工把两种或两种以上的加工方法垒融合在一起进行加工.举例:电解-电火花加工、电解-电火花磨削、电化学-机械-超声波加工6.特种加工能解决的主要加工问题：●难加工材料的加工问题●复杂零件的加工问题●低刚度零件的加工问题7.微细加工与一般加工在精度表示方法、加工机理特点上有哪些不同(微细加工技术及特点)微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。在微机械研究领域中，它是微米级、亚微米级乃至纳米级微细加工的通称。微细加工与常规尺寸加工的机理特点区别主要体现在：1)加工精度的表示方法不同:一般尺度加工精度常用相对精度表示，微细加工精度用尺寸的绝对值来表示，并引入了加工单位的概念。2)加工机理存在很大的差异:由于在微细加工中加工单位的极小化而产生了微动力学，微流体力学，微热力学等方面的微观机理，常规的加工方法及理论已不适用。3)加工特征明显不同:一般常规加工都是以尺寸、形状、位置精度为特征，而微细加工多以分离或结合原子、分子为特征。第二章金刚石刀具精密切削加工思考题：1.简述超精密加工的方法，难点和实现条件?√答：方法：超精密加工按加工方式不同可以分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四类。按机理特点分：去除加工、结合加工、变形加工三大类。难点：超微量切削的难点：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）切层越薄,被加工表面切应力越大,材料越不易被切除;3）当切除厚度小于晶粒尺寸时,相当于从晶格上切除原子。切除所需能量密度,与材料微观空间尺寸成反比;(物质越细微,结合能量越大,拆分时所需能量也越大)4）加工工艺系统的刚度和热变形对精度有很大影响。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。在超精密加工的实施过程中，必须综合考虑以上因素才能取得令人满意的效果。注：此题大多数同学答不出难点，实现条件也不全2.超精密加工对刀具材料有那些要求？√答：1）极高的硬度、耐磨性、弹性模量：以保证刀具有很高的尺寸耐用度。2）刃口能磨得极其锋锐：即刃口半径ρ值很小，以实现超薄切削。3）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。4）与工件材料的抗粘结合性很好、化学亲和性很小、摩擦因数低，以得到极好的加工表面完整性。3.单晶金刚石有哪几个主要晶面？√答:立方晶系的单晶金刚石有三个主要晶面，：即（100）、（111）、（110）晶面。4试述金刚石晶体的各向异性和不同晶面研磨时的好磨难磨方向。√答：金刚石具有很高的硬度，较高的导热系数，与有色金属间的摩擦因数低，开始氧化的温度较高等特性，这些都有利于超精密加工的进行，而且单晶金刚石可以研磨达到极锋利的刃口，没有其他材料可以磨到这样锋锐，并且能长期切削而磨损很小，因此金刚石是理想的不能替代的超精密切削的刀具材料。(110)晶面的磨削率最高，最易磨损，(100)晶面的磨削次之,(111)晶面的磨削率最低，最不易磨损。5试述金刚石晶体的激光定向原理和方法？√答：金刚石晶体的激光定向是利用金刚石在不同结晶方向上，因晶体的结构不同，而对激光反射形成不同的衍射图像进行的。如由氦氖激光管产生的激光束通过屏幕上的小孔射到金刚石表面，若被激光照射的金刚石表面是某一晶面面网，则当转动金刚石，使被测晶面与激光束相垂直时，激光被反射到屏幕形成特征衍射图像，根据衍射图像的特征即可知道被激光照射的晶面为何种晶面。6.金刚石车刀的刀头形式有哪几种？各自有何特点？√答：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，修光刃有小圆弧修光刃，直线修光刃和圆弧修光刃之分。7.典型的超精密机床有那些？√答：典型的超精密机床有:1.大型光学金刚石车床—LODTM(美);2.FG-OO1超精密机床(德);3.OAGM500大型超精密机床(英);4.AHNTO型高效专用车削、磨削超精密机床(日).8.精密主轴部件有那几种形式？说明各自的优缺点。√答：常见有空气静压轴承主轴和液体静压轴承主轴。空气静压轴承与主轴间可以生成润滑气膜,具有很高的回转精度，在高速转动时温升很小，基本达到恒温状态，因此造成的热变形误差很小，缺点：空气轴承刚度低，承受载荷很小，由于超精密加工的切削力很小，所以空气轴承可以满足相关要求。液体静压轴承与主轴间可以生成静压油膜,回转精度高（0.1微米），刚度较高，转动平稳，无震动。缺点:油温随着转速的升高而升高造成热变形，影响主轴精度;静压回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排除，因而降低了液体静压轴承的刚度和动特性。(注:增加红字使完整)以下是超精密机床空气静压轴承主轴的几种典型结构:1）双半球空气轴承主轴：特点:球形气浮面自动调心，同心度好;电动机转子与主轴一体;缺点:电动机的转子直接与主轴刚性连接，电动机转子回转精度影响主轴回转精度，承载能力不高.2）径向-推力空气静压轴承主轴：特点:径向轴的外鼓形轴套自动调心,前后轴套同心度好,回转精度高，轴承用的是多孔石墨缺点:石墨要求高,制造难度大,承载能力不大.3）球形-径向空气轴承主轴：特点：同上，自动调心，保证同心度，回转精度。缺点：主轴的刚度和承载能力不高；4）立式--空气轴承主轴：特点：立式，圆弧面自动调心，刚度好。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装夹，其圆弧面的径向轴承起自动调心，提高精度的作用。9.超精密机床有哪几种总体布局形式？各自有何特点？√答：(1)T形布局:即主轴箱与刀架溜板箱垂直,呈T形,两导轨的精度互不影响,有利于提高导轨的制造精度和运动精度,中小型超精密机床多采用;(2)十字形布局:主轴箱固定不动,刀架装在十字形滑板上。普通机床多采用，要求导轨有很高的运动精度，对两导轨垂直度要求也很高；(3)R—θ布局：刀架装在回转工作台上，通过改变刀座导轨转角θ和半径，可加工非球曲面，与万能工具磨类似。(4)立式结构布局：即刀架系统在工作台上部，如龙门式设计。适应大直径和大重量件加工。10.简述超精密机床导轨的结构形式，并说明