超精密加工切削和磨削机理研究

2002年6月焦作大学学报№12　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第2期JOURNALOFJIAOZUOUNIVERSITYJun.2002

超精密加工切削和磨削机理研究

王先逵

(清华大学,北京　100000)

摘要:文章论述了精密加工和超精密加工的范畴、加工方法、影响因素、地位和作用;分析

了21世纪初十年对精密加工和超精密加工的需求和技术发展趋势,提出了十项有关超精密

加工切削和磨削机理的技术发展前沿,归总了技术发展特点;最后,对20002010年规

划发展项目提出了建议,。

关键词:超精密切削　超精密磨削　机理　进化加工　中图分类号:TG502　文献标识码:A　文章编号:(20021.概　述

111　技术内涵

11111　。由于生产技术的不断发展,划分的界限,过去的精密加工对今天来说已是一般加工,因此,其划分的界限是相对的,并且在具体数值上至今没有准确的定义。

μμ当前,精密加工是指加工精度为1～011m、表面超糙度为及Ra011～0101m的加工技术;超精

μμ密加工是指加工精度高于011m,表面粗糙度小于及Ra01025m的加工技术,又称亚微米级加工。但

目前超精密加工已进入纳米级,并称为纳米加工及相应的纳米技术。

11112　精密加工和超精密加工方法

根据加工方法的机理和特点,精密和超精密加工方法可以分为刀具切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工,如图1所示。从图中可以看出,有些加工方法是传统加工方法的精密化,有些是特种加工方法的精密化。

11113　影响精密加工和超精密加工的因素

精密加工和超精密加工的发展已形成制造系统工程,简称精密工程,它涉及超微量去除和堆积技术、高稳定性和高净化的加工环境、计量和检测技术、工况监控及质量控制等。由此可归纳出影响精密加工和超精密加工的因素有:加工机理、被加工材料、加工工具、加工设备及其基础元部件、工件的定位与夹紧、检测与误差补偿、工作环境和人的技艺等。

由上面论述可以看出,“超精密加工切削和磨削机理研究”主要是研究刀具切削加工、磨料加工以及有关的复合加工的机理问题。

112　技术的地位与作用

11211　超精密加工是标志国家制造工业水平的重要指标之一

超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,例如,金刚石刀具切削刃钝圆半径是一个关键参数,日本声称已达到2nm;美国加利福利亚大学LawrenceLivermore实验室研制的大型超精密非球面车床,可加工尺寸为 01625mm×

μμ500mm,重量为1360kg的工件,加工精度达01025m、表面粗糙度达Rz010045m。该机床采用精

收稿日期:2002Ο03Ο05

),男,江苏无锡人,现任清华大学教授,博士生导师。中国机械工程学会学术委员会委员,我国机作者简介:王先逵(1933Ο

械制造领域资深教授和主要学术带头人之一。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　焦　作　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　2002年6月2

密数控激光反馈闭环系统,分辨率为215nm;恒温油淋温度控制可达20±010005℃。刀具切削加工:车削、铣削、镗孔、钻微孔

磨削:砂轮磨削、砂带磨削

研磨:精密研磨、油石研磨

固体磨料加工

超精加工:精密超精加工珩磨:精密珩磨砂带研抛

超精研抛

研磨与抛光:弹性发射加工、液中研抛、液体动力抛光、

精密加工和

超精密加工游离磨料加工　　　　　　　磁流体抛光、挤压研抛、精密抛光喷射加工

电火花加工:成形加工、线切割加工

电化学加工:蚀刻加工、超声波加工

微波加工　

::附着加工、结合加工

传统加工方法的复合加工

传统加工方法与特种加工方法的复合加工　

特种加工方法的复合加工

图1　各种精密加工和超精密加工方法

11212　精密加工和超精密加工是先进制造技术的基础和关键

现代机械制造中,提高产品的性能、质量、稳定性、可靠性、生产率、效率、自动化程度等均有赖于精密工程,因此,它是先进制造技术的基础和关键。美国汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平。陀螺仪经超精密加工提高一个数量级后,在MX战略导弹上使用,使命中精度圆

μ概率误差由500m降低到50～150m。英国Rolls-Roycc公司将其飞机发动机转子叶片的加工精度由60m

μμμ提高到12m、表面粗糙度由Ra015m降低至Ra0012m,则发动机的压缩效率有了“戏剧性改善”。当超精密加工使磁盘表面的精度提高、表面粗糙度降低,从而使磁头与磁盘之间的“飞行高度”控制

μ在013～0115m内时,其记录密度将会大幅度提高。据美国IBM公司统计,它生产的磁盘,其记忆密

度在1932年为254万bit/cm2,到本世纪末可达到500万bit/cm2,提高了一倍,除了材料因素外,主要归功于超精密加工技术。

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,但就其技术实质性而论,主要是精密工程和自动化两大领域,因为它们具有全局的、决定性的作用,是先进制造技术的支柱。日本在二战后的经济发展,从技术角度分析,抓住了“技术立国”和“新技术立国”的决策,其根本举措是精密加工,它实实在在地提高了制造工业的水平,并对其他工业产生了深远影响。

11213　精密加工和超精密加工的机理研究是其理论基础和新技术的生长点

加工机理是研究加工方法的本质,是加工方法成败的关键。精密加工和超精密加工机理的最高境界是加工极限,涉及微观世界和物质内部结构,所利用的能源包括机、光、电、声、热、化、磁等多种,加工机理是理论基础,有指导意义,新的加工机理的出现标志着一种突破,往往是新技术的生长点。

2.前沿分析

211　21世纪10年代的需求

第2期　　　　　　　　　　　　　　王先逵:超精密加工切削和磨削机理研究　　　　　　　　　　　　　　　　3

21世纪10年代需求可归纳为以下几方面:

(1)由于航空、航天、生物化学、地球物理等技术的发展,需要更高更新的超精密加工方法,这些方法具有高精度和高表面质量。

(2)由于整个工业生产水平的提高,产品质量要求越来越严格,因此,制造业的加工精度水平要提高一个数量级。就我国制造业来说,普遍加工精度达到微米级。

(3)由于产品质量的提高,对表面微观质量提出了更高要求,因此,探索表面微观世界、提高表面微观质量就提到日程上来。

(4)由于产品质量的增长和生产率的提高,迫切要求解决当前大多数精密加工和超精密加工中效率低的问题,因此,寻求高效超精密加工新方法就十分必要。

(5)由于大型精密工业产品的发展,如大型发电机组、航天飞机、,需要研制大型超精密加工设备。

(6)由于绿色工程和清洁生产的需求,212　技术发展趋势

精密、超精密加工的发展沿着三个方向:(,向加工极限冲刺,进入纳米级及亚纳米加工,,加工环境不仅在地球上,甚至在太空站上。(2),进入国民经济主战场,使制造技术水平和经,。可以想象,计算机、通信网络、光盘、家用电器等将是精密。(3)现代制造技术的发展,学科交叉、复合,精密加工和超精密加工不仅作为一门独立的学科发展,而且会以更多的交叉学科形式出现,甚至形成新的学科。例如:精密特种加工技术、纳米技术等包含了多种学科。213　技术发展前沿分析

大体上可以分为以下几个方面。

21311　精密、超精密加工概念的扩展

从零件形状形成的角度来分析,“加工”的概念已突破传统的“去除”加工手段,是“去除”、“堆积”、“生长”、“变形”等加工手段的综合,其中“堆积”包含了附着(如镀膜、涂层等)、结合(如渗碳、渗氮、注入等)、接合(如焊接、粘接等);“生长”强调了从基体中生长出所需物体,如分子外延、晶体可控生长等。另一方面,“加工”的概念更强调了表面处理,形成了表面工程技术,它包含了基础理论、表面技术、表面复合技术、表面加工技术、表面质量控制和表面工程技术设计等诸多方面。这些“加工”概念上的变化主要是根据精密、超精密加工以及微细加工的需求而提出的。21312　“进化加工”原则

精密加工和超精密加工,由于被加工零件的精度要求很高,利用更高精度的“工作母机”来加工往往是不可能的,只有利用低于工件精度要求的机床设备,通过工艺手段和特殊工具及装备,直接加工出所需工件,这就是直接式“进化”加工,是一种创成式、生成式、创造式的加工原则,体现了人、技术、组织的三结合,也是当前行之有效的一种加工机理。

上述的直接式“进化”加工,效率低、技艺要求高,不适宜批量生产。借助直接式“进化”加工原则,生产出第二代工作母机,用它来加工所需高精度零件,形成间接式“进化”加工,而所制造的第二代工作母机则成为制造厂的关键设备、技术、财富和有力的竞争手段。

21313　微量切削机理

微量切削是中近期精密加工和超精密加工的主要手段,当前,它包括金刚石刀具超精密切削和金刚石微粉砂轮超精密切削两方面。在微量切削时,由于切除量极薄,背吃刀量小于晶粒大小,切削在晶粒内进行,从而其切削机理与传统切削原理有很大差别,力、热影响也有很大不同。

21314　表面微观质量

表面质量的内涵可用表面完整性来概括,其具体内容有表面纹理(表面粗糙度、波度、纹理方向、伤痕)和表面冶金变化(表面层的硬度、组织、残余应力)两大方面。有关精密、超精密加工的

　　　　　　　　　　　　　　　　　　焦　作　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　2002年6月4

表面微观质量,特别是表面层微观冶金变化对产品、零件工作性能的影响很大,值得重视,其检测技术也值得研究。

21315　复合加工机理

在精密、超精密加工中,复合加工往往以其独特的互补作用而有显著成效,但有时也由于作用相抵而得不偿失。因此,探求复合加工中各个加工机理相辅相成作用,对选定复合加工方法、匹配各个加工方法的工艺参数是十分重要的。

21316　金刚石刀具超精密切削钢铁材料技术

当前,金刚石刀具超精密切削的主要材料是铜、铝及其合金等软金属,这是由于金刚石刀具切削铁碳金属材料时,会产生亲和作用,造成碳化磨损(扩散磨损),因此,采取在保护气氛条件下切削等措施,使金刚石刀具能有效切削钢铁材料,成为研究热点。

21317　金刚石刀具超精密切削脆性材料技术

脆性材料的超精密切削质量一直是一个关键,量的有效举措,为此,21318　超硬材料微粉砂轮超精密磨削技术

加工方法。(CBN)、陶瓷等。超硬材料微粉砂轮超精密磨削能获得高质量,。当前,金刚石微粉砂轮超精密磨削的研究和应用已受到越、多颗粒磨削机制、砂轮在线修锐、砂轮类型和结构等。21319　超精密砂带磨削具有高精度和表面质量、高效、价廉等特点,有弹性磨削、冷态磨削、高效磨削等美称,是一种具有广宽应用前景和潜力的精密和超精密加工方法。精密和超精密砂带磨削在美、日等工业发达国家已有广泛应用,各种砂带磨削占整个磨削的50%,能够批量生产各种性能、规格、磨料的砂带,我国在这方面的差距较大。砂带磨削机理、高质量的砂带制作、砂带磨削设备等是其关键技术。

213110　新型超精密研磨抛光技术

近年来,在传统研磨抛光技术的基础上,出现了许多新型精密和超精密游离磨料加工方法,如弹性发射加工(又称软质粒子抛光)、液中研抛、液体动力抛光、磁流体抛光、挤压研抛、磁性研磨、滚动研磨、喷射加工等,富有创造性,其特点是:①模糊了研磨和抛光的概念,取研磨的高精度、抛光的高效率和低表面粗糙度,形成研抛加工的新方法;②采用软质磨粒,甚至采用比工件材料硬度更低的磨料,使工件被加工表面不造成机械损伤;③抛光、研磨工具与工件被加工表面不接触,形成非接触研磨抛光,或称浮动抛光;④整个研磨抛光在工作液中进行,热变形影响小,又可防止空气中的尘埃影响;⑤采用复合加工。总的来说,研磨和抛光是主要的精密和超精密加工方法,占有十分重要的地位,但其效率较低,因此,在提高其加工质量以满足超精密加工要求的同时,注意了其效率的提高。这些新型超精密游离磨料加工方法将会随着精密工程的发展而出现,对其机理的研究已迫在眉捷。

214　技术发展特点

(1)精密和超精密加工将从亚微米级向纳米级发展,以纳米技术为代表的超精密加工技术和以微细加工为手段的微型机械技术代表了这一时期精密工程的方向。超精密加工已深入到物质微观领域,某些物理量的转变将以量子为单位,跳跃式进行,而不是连续的,并将以量子为基础,在量子力学的指导下发展。

(2)精密加工和超精密加工是一综合性高技术,已经以系统的形式出现,是一个系统工程,强调人、组织、技术三结合。因此,要从系统的角度去研究其机理、方法。

(3)精密和超精密加工不仅有“极限加工”高精度高技术的一面,同时已在国民经济和人民生活的各个领域取得巨大效益,今后更会显示出其重要影响。

第2期　　　　　　　　　　　　　　王先逵:超精密加工切削和磨削机理研究　　　　　　　　　　　　　　　　5

(4)精密工程与自动化技术联系密切,采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术,提高加工质量,减少人为因素的影响。自动化的作用往往是保证质量的手段。

(5)特种加工方法和复合加工方法在精密工程中越来越多,迫切需要进行机理研究。

(6)加工检测一体化已是精密工程中的必要举措,采用在位检测、在线检测、误差补偿以提高加工精度十分普遍;在机理研究中,检测手段往往成为关键。

215　发展前沿

21511　超硬材料刀具超精密切削机理

近年来,金刚石刀具超精密切削虽然取得了长足进步,在切削钢、铝等软金属及其合金时,效果显著,已达到产业化生产水平,但还存在如下问题,可供立项研究。

(1)金刚石刀具超精密切削机量。研究其切削极限,力、热状态,影响因素等(2)金刚石刀具超精密切削钢铁等黑色金属。,产生碳化磨损,因此,至今尚不能实用化。目前,气体)、超低温切削法等来解决这一问题。

(3)立方氮化硼、。

(4)。条件,21512　近年来,,有关超硬材料砂轮超精密磨削的研究项目如下:

(1)金刚微粉砂轮超精密磨削机理研究。着重研究多颗粒磨削机理、磨削表面生成、影响因素等。

(2)立方氮化硼微粉砂化超精密磨削机理研究。

(3)超硬材料砂轮的修整技术。包括金刚石微粉砂轮、立方氮化硼微粉砂化的在线实时修整,金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮的修整等整形和修锐技术。

(4)超硬材料砂轮结构设计和制作工艺研究。主要有超硬磨料、粒度、结合剂、浓度、形状、尺寸、结构等的设计和制作及其性能试验。

21513　微观表面完整性研究

微观表面质量的涵义可用微观表面完整性来概括,是当前超精密加工的重要研究前沿,主要研究项目有:

(1)微观表面纹理研究。着重研究表面粗糙度形成、表面纹理轨迹、表面划痕生成等。

(2)微观表面层冶金研究。着重研究影响表面层力学机械性质的硬度、组织、残余应力等因素。3.结　论

超精密加工切削和磨削机理研究是超精密加工技术的理论基础,对精密加工和超精密加工技术的研究内容、发展方向和应用范围具有重要的指导意义。

参考文献

1.王先逵.超精密加工技术的发展[J].北京:航空精密制造技术,1994(1):1～6

2.国家自然科学基金委员会.自然科学学科发展战略调研报告.机械制造科学(冷加工)[M].北京:科学出版社,1994

3.王先逵.制造技术的未来[J].武汉:中国机械工程,1994,5(5):2～4

4.微细加工技术编辑委员会.朱怀义、赵巾奎译.微细加工技术[M].北京:科学出版社,1983

5.辽 阿尔亭.乔 布斯罗德英译,马自天、刘玉文中译.现代制造工程学[M].北京:国防工业出版社,1988

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5hs1.html