1、第二章 精密和超精密加工技术,精密与超精密加工,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（Single Point Diamond Turning） 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,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 13000 N/ 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,刀尖附近二维切削模型,金刚石切削机理
2、,金刚石切削刀尖的切削模型,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。,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； 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,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,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
3、，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。切削刃强度高、耐磨损,不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石,金刚石的性能,金刚石刀具对超精密切削的适应性,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。 大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。 人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。,金刚石刀具刃口的锋利性最小圆弧半径可以达到2nm金刚石刀具刃口的粗糙度可达到Ry10nm金刚石刀具切削刃有良好的复印性金刚石刀具
4、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,最小圆弧半径的计算值,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）金刚石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂层涂覆在超硬刀具基体上）,刀具切削刃比较,金刚石粉烧结体,立方氮化硼烧结体（CBN）,单晶金刚石,单晶金刚石刀具,金刚石的晶体结构和刃磨,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的硬度（努氏硬度）,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,金刚石的热稳定性与周围介质、硬度等有关,金刚石在不同介质条件下受热升温时所
5、发生的状态,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,MBD6型金刚石在不同温度下保温1小时的抗压强度曲线,MBD6型金刚石在800加热不同时间的抗压强度曲线,单晶金刚石刀具,CBN和单晶金刚石的热稳定性比较,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,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,国内外典型超精密车床性能指标,典型金刚石切削机床,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
6、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,金刚石车床主要性能指标,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,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典型产品： 光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等,金刚石切削的应用,精密和超精密磨削：通常是指加工精度10.1m，表面粗糙度低于Ra0.20.025m的表面磨削方法。,精密和超精密磨削,精密、超
7、精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕,镜面磨削：一般是指加工表面粗糙度达到Ra0.020.01m，磨削表面光泽如镜的磨削方法。镜面磨削对加工精度要求不很明确，主要强调表面粗糙度要求。,精密和超精密磨削分类,精密和超精密磨削分类,固结磨料加工,将磨料或微粉与结合剂粘合在一起， 形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂 轮、砂条、油石、砂带等磨具。,精密和超精密砂轮磨削,精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，加工精度0.1m， Ra0.0250.008m。,精密和超精密砂带磨削,精密砂带磨削：砂带粒度W63
8、W28，加工精度1m，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。,精密和超精密磨削分类,游离磨料加工,磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。,超精密磨削砂轮磨料磨具,超精密磨削涂覆磨具,1基底；2粘接膜；3粘接剂（底胶）； 4粘接剂（覆胶），5磨粒,(a)砂轮,(b)磨粒,(c) 微刃 (锐利、半钝化、钝化),磨粒具有微刃性和等高性,微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,精密磨削机理,超精
9、密磨削的单颗磨粒切入模型,超精密磨削机理,磨粒可以看作具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体，弹性支承为结合剂，磨粒虽有相当硬度，本身受力变形极小，实际上仍属于弹性体。 磨粒切削刃的切入深度由零开始逐渐增加，到达最大值后又逐渐减小到零。 整个磨粒与工件的接触过程依次为弹性区、塑性区、切削区、塑性区和弹性区。 超精密磨削中，微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用依切削条件的变化而顺序出现。,超精密磨削机理,砂轮1）砂轮磨料 2）砂轮粒度 3）砂轮结合剂砂轮修整： 整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒） 常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），
10、效果好，并可在线修整。,砂轮及砂轮的修整,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）(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,（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
11、削的特点,电子材料，磁性材料的镜面磨削硅片；铁金氧磁头光学材料的镜面磨削记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前陶瓷材料的镜面磨削高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金,ELID 应用范围,砂带磨削示意图,砂带精密磨削,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。,砂带精密磨削,用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,几种砂带磨削形式,砂带精密磨削,砂带磨削用量,砂带精密磨削,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，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra
12、值可达 0.02m）。,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。,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。,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(M edian Crack)。 (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)
13、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(L ateral Crack)。 (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,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
14、。,尖锐压头下的材料变形过程,脆性材料裂纹长度,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（延性）磨削,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
15、,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,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20m,（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1m。为此对机床要求： 高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。 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
16、材料的局部物理特性发生变化。,塑性（延性）磨削,塑性磨削工艺条件,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,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,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,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 (Elaste Emission Machinin
17、g),抛光轮 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,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),磁流变抛光技术 (MRF),氮化硅陶瓷平板的磁力研磨实验结果,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。,
18、液体动力抛光,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,第三章 精密和超精密磨料加工,一、精密和超精密加工分类,精密和超精密加工分类,将磨料或微粉与结合剂粘合 在一起，形成一定的形状并 具有一定强度，再采用烧结、 粘接、涂敷等方法形成 砂轮、砂条、油石、砂 带等磨具。,精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，加工精度0.1m， Ra0.0250.008m。,精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025; 超精密砂带磨削
19、：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。,第一节 精密磨削,一、精密磨削机理,微刃的微切削作用 微刃的等高切削作用 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,二、磨削用量,一般在1530m/s 30m/s,一般在612m/min,一般为50100mm/min或0.060.5mm/r,一般取0.62.5m/单行程,一般约23次（单行程）,粗粒度砂轮精细修整后光磨次数采用58次 细粒度砂轮精细修整后光磨次数采用1025次。,不能太高：否则容易烧伤、产生裂纹、降低加工精度。加工机床容易振动,三、精密磨削砂轮,精密磨削所使用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则。磨削钢件及铸铁件时
20、，采用刚玉磨料较好，单晶刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛光作用。,砂轮的选择,铬刚玉,绿碳化硅砂,普通磨料与超硬磨料,白刚玉,灰黑色粉,多选用180240磨粒,将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。 树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。,普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。,http:/www.c- 超硬磨具无硬度项指标
21、。,高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。,根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。 基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨具多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷。,五、精密磨削时砂轮的修整,砂轮修整是精密磨削的关键，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。 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（纵向进给量）为10 15mm/min，修整深度为2.5m/单行程，精修次 数23次，光修次数1次单行程。,六、 超精密磨削,1 超精密磨削机理,单晶粒磨削 1）磨粒是一颗具有弹性支承（结合 剂
22、）的和大负前角切削刃的弹性体。 2）磨粒切削刃的切入深度是从零开 始逐渐增加，到达最大值再逐渐减 少，最后到零。 3）磨粒磨削时在工件的接触过程中， 开始是弹性区，继而塑性区、切削区、 塑性区，最后是弹性区。 4）超精密磨削时有微切削作用、塑性 流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦 作用。,各区形状,2）单磨粒磨削模型,磨削的力学模型,平面磨削,磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的 表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨 屑，并形成光洁表面的过程。磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表 面的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切 削深度增加），工件材
23、料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性 变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤 裂，即进入切削阶段，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后， 逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。,3）超精密磨削机理,七、 超硬磨料砂轮磨削,1 超硬磨料砂轮磨削特点,1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石材等。立方氮化硼砂轮磨削时，热稳定性好，化学惰性强，不易与铁素元素产生亲和作用和化学反应，加工黑色金属时，有较高的耐磨性。2）磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无
24、烧伤、裂纹和组织变化。4）磨削效率高。5）综合成本低。,2 、超硬磨料砂轮磨削工艺,降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。 润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、防锈性、防腐性、防火性、切削性和极压性等,油性液：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。 水溶性液：成分是水，如乳化液、无机盐水溶液和化学合成液等。 金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液，立方氮化硼砂轮磨削时用油性液，防止其高温水解。,2）超硬磨料砂轮磨削工艺,人造金刚石砂轮的磨削速度为1230m/s，立方氮化硼砂轮的磨削速度为4560m/s.,一般为1020m/min,一般在0.451.
25、5m/min,磨削深度为0.0020.01mm,对砂轮进行微量切削，使砂 轮达到所要求的几何形状精 度，并使磨料尖端细微破碎， 形成锋利的磨削刃。,去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出于结合剂之外，形成切削刃。,3、 超硬磨料砂轮的修整,4、超硬磨料砂轮修整方法,用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的。,用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用的修整法。,4、超硬磨料砂轮修整方法,单滚轮法,双滚轮法,4 超硬磨料砂轮修整,用碳化硅、刚玉、硬质合金
26、或钢铁等制成修整轮，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚，使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。,4、超硬磨料砂轮修整方法,修整轮,碳化硅和刚玉,4、超硬磨料砂轮修整方法,利用电化学个腐 蚀作用蚀除金属结合 剂，多用于金属结合 剂砂轮的修锐，非金 属结合剂砂轮无效。,4、超硬磨料砂轮修整方法,电火花放电加工，适用于各种金属结合剂砂轮。若在结合剂中加入石墨粉，可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮。既可整形，又可修锐。,4、超硬磨料砂轮修整方法,用受激振动的 簧片或超声波 振动头驱动的 幅板作为修整 器，并在砂轮 和修整器间放 入
27、游离磨料撞 击砂轮的结合 剂，使超硬磨 粒突出结合剂。,4、超硬磨料砂轮的修整方法,一、研磨加工的机理,第二节 精密研磨和抛光,1.研磨时磨料的工作状态,1）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧效果； 2）磨粒压入到研具表面，用露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划，实现微切削加工； 3）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。,属于游离磨粒切削加工,在刚性研具上注入磨料,在一定压力的作用下,通过研具与工件之间相对运动,借助磨粒的微切削作用,除去工件材料达到高的几何精度和表面光洁度的方法.其实质就是通过研具与工件之间相互修整，把研具本身的几何精度部分的复制到工件上.,2、平面研磨使用的研具,1）特
28、种玻璃，在加工平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和铟； 优点：能得到高精度的平面 缺点：研具层寿命短 2）使用半软质研磨盘或软质研磨盘 优点：研磨出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小； 缺点：研磨盘不易保持平面度,3、 精密平面的研磨机,二、抛光加工的机理,1、抛光的机理：1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。2）借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。,磨粒含在抛光盘中,2、抛光盘,1）特种玻璃，或在表面上涂一层弹性材料或软金属的金属盘 优点：能得到高精度的平面 缺点：抛光盘层寿命短 2）使用半软质抛光盘（铅盘、锡盘）或软质抛光盘（石蜡、沥青等）
29、 优点：抛光出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小； 缺点：抛光盘不易保持平面度,抛光工艺对抛光盘的要求：要有高的精度及其精度的保持性,3、 精密研磨、抛光的主要工艺因素,加工条件：对残留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的金属材料的加工条件不同；研磨方式：单面研磨和双面研磨；研磨机：应能均匀地加工工件，研具磨损要小并要求能容易修整精度；研具和抛光盘：必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降； 磨粒材料：微细的磨粒,使用磨粒对工件作用很浅的材料；加工液：提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。,抛光盘,抛光法,1 弹性发射加工,最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变
30、形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。,三 非接触抛光,三 非接触抛光,2 浮动抛光,浮动抛光是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固定在高刚度的基座上，抛光液是由粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成，并浸没抛光盘上平面，驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转，由于抛光盘的特殊形状、工件与抛光装置有足够的相对运动速度、在两者之间有充足的微粉磨料液流，因此在工件与抛光盘之间形成流体动压效应，将工件浮起，在两者之间就能形成了流体动
31、压液膜。其间的微粉磨粒在流体压力场和速度场、离心力的作用下，抛光器不接触工件对工件进行精密抛光加工.,三 非接触抛光,3 化学机械抛光,在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的氧化剂、催化剂等与工件表面的原子进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜，然后由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化物薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，再进行氧化反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光。,利用甲醇抛光砷化镓和磷化铟,课后习题14、6、8 http:/www.c- 具和工件 之间,3.金属材料的研磨,当金属表面用硬度计压头压入时，只在表面产生塑性变形的压
32、坑，不会发生脆性材料那样的破碎和裂纹。研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切削和磨削时的状态,且表面不会产生裂纹。由于磨粒是游离状态，不能形成连续的切削。,轮磨具的硬度是反映磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮硬度用软硬表示，砂轮的硬度不同于磨粒的硬度。 砂轮选用的时候，要注意硬度适当，如果太硬，磨钝了的磨粒不及时脱落，会产生大量热量，烧伤工件；砂轮太软，则会使磨粒脱落过快而不能充分发挥作用。 选择砂轮硬度的原则 1.工件越硬，砂轮越软。 2.砂轮与工件接触面越大，砂轮选择越软。 3.精磨和成型磨削时应选择较硬的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。 4.砂轮硬度选择与粒度大小的关系
33、：粒度越大的砂轮，为避免砂轮被磨屑阻塞，一般要选择较软的砂轮。 5.工件材料：磨有色金属、橡胶、树脂等较软材料时，应选用较软的砂轮。 粒度表示磨粒大小程度。以磨粒刚刚能通过哪一号筛网的网号来表示磨粒的粒度。网号数是每英寸长度上筛网上的孔眼数。如60#粒度是每英寸长度上60个孔眼。 当砂轮磨粒的直径小于40微米时，这种磨粒叫做微粉。微粉的粒度是以微粉的直径来表示的，以微米为单位，前面加W标记。如W28是指直径28微米的磨粒。 砂轮粒度的选择和适用范围： 12-16#：用于粗磨、荒磨和打磨毛刺的砂轮磨具。 20-36#：用于磨钢锭，打磨铸件毛刺，切断钢坯，磨电瓷和耐火材料的砂轮磨具。 40-60#
34、：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等的砂轮磨具。 60-80#：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等半精磨和精磨的砂轮磨具。 100-240#：用于精磨、超精磨、珩磨、螺纹磨等。 W10-20：用于精磨、精细磨、超精磨、镜面磨等。 W7-更细：用于精磨、超精磨、镜面磨等，制作研磨膏用于研磨和抛光。 故你用普通的仪器是不行的。,砂轮是磨削的主要工具，它是由磨料和结合剂构成的多孔物体。其中磨料、结合剂和孔隙是砂轮的三个基本组成要素。随着磨料、结合剂及砂轮制造工艺等的不同，砂轮特性可能差别很大，对磨削加工的精度、粗糙度和生产效率有着重要的影响。因此，必须根据具体条件选用合适的砂轮。
35、 砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂、形状及尺寸等因素来决定，现分别介绍如下。 （ 1 ）磨料及其选择 磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。常用磨料的名称、代号、特性和用途见表1 。 表1 常用磨料,注：括号内的代号是旧标准代号。 （ 2 ）粒度及其选择 粒度指磨料颗料的大小。粒度分磨粒与微粉两组。磨粒用筛选法分类，它的粒度号以筛网上一英寸长度内的孔眼数来表示。例如 60 # 粒度的的磨粒，说明能通过每英寸长有 60 个孔眼的筛网，而不能通过每英寸 70 个孔眼的筛网。微粉用显微测量法分类，它的粒度号以磨料的实际尺寸来表示
36、（ W ）。各种粒度号的磨粒尺寸见表2 。 表2 磨料粒度号及其颗粒尺寸,注：比 14 # 粗的磨粒及比 W3.5 细的微粉很少使用，表中未列出。 磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。 粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度可较大，砂轮不易堵塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般来说，磨粒愈细，磨削表面粗糙度愈好。 不同粒度砂轮的应用见表3 。 表3 不同粒度砂轮的使用范围,（ 3 ）结合剂及其选择 砂轮中用以粘结磨料的物质称结合剂。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要决定于结合剂的性能。常用
37、的结合剂种类、性能及用途见表4 。 表4 常用结合剂,注：括号内的代号是旧标准代号。 （ 4 ）硬度及其选择 砂轮的硬度是指砂轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难易程度。砂轮的硬度软，表示砂轮的磨粒容易脱落，砂轮的硬度硬，表示磨粒较难脱落。砂轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。同一种磨料可以做成不同硬度的砂轮，它主要决定于结合剂的性能、数量以及砂轮制造的工艺。磨削与切削的显著差别是砂轮具有“自锐性”，选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性，希望还锋利的磨粒不要太早脱落，也不要磨钝了还不脱落。 根据规定，常用砂轮的硬度等级见表5 。 表5 常用砂轮硬度等级,注：括号内的代号是旧标准代号；超
38、软，超硬未列入；表中 1 ， 2 ， 3 表示硬度递增的顺序。 选择砂轮硬度的一般原则是：加工软金属时，为了使磨料不致过早脱落，则选用硬砂轮。加工硬金属时，为了能及时的使磨钝的磨粒脱落，从而露出具有尖锐棱角的新磨粒（即自锐性），选用软砂轮。前者是因为在磨削软材料时，砂轮的工作磨粒磨损很慢，不需要太早的脱离；后者是因为在磨削硬材料时，砂轮的工作磨粒磨损较快，需要较快的更新。 精磨时，为了保证磨削精度和粗糙度，应选用稍硬的砂轮。工件材料的导热性差，易产生烧伤和裂纹时（如磨硬质合金等），选用的砂轮应软一些。 （ 5 ）形状尺寸及其选择 根据机床结构与磨削加工的需要，砂轮制成各种形状与尺寸。表6 是常
39、用的几种砂轮形状、尺寸、代号及用途。 砂轮的外径应尽可能选得大些，以提高砂轮的圆周速度，这样对提高磨削加工生产率与表面粗糙度有利。此外，在机床刚度及功率许可的条件下，如选用宽度较大的砂轮，同样能收到提高生产率和降低粗糙度的效果，但是在磨削热敏性高的材料时，为避免工件表面的烧伤和产生裂纹，砂轮宽度应适当减小。 表6 常用砂轮形状及用途,在砂轮的端面上一般都印有标志，例如砂轮上的标志为 WA60LVP400 40 127 ，它的含意是： 图1 砂轮型号图2 标志的含义 由于更换一次砂轮很麻烦，因此，除了重要的工件和生产批量较大时，需要按照以上所述的原则选用砂轮外，一般只要机床上现有的砂轮大致符合磨
40、削要求，就不必重新选择，而是通过适当地修整砂轮，选用合适的磨削用量来满足加工要求。,表2 磨料粒度号及其颗粒尺寸,注：比 14 # 粗的磨粒及比 W3.5 细的微粉很少使用，表中未列出。,表3 不同粒度砂轮的使用范围,表4 常用结合剂,注：括号内的代号是旧标准代号。,表5 常用砂轮硬度等级,注：括号内的代号是旧标准代号；超软，超硬未列入；表中 1 ， 2 ， 3 表示硬度递增的顺序。,腐蚀加工主要应用概述,化学铣切,传统切削加工的特点和局限性,以硬克软 强大的机械力和机械能。,那么 一些硬度比刀具还硬高硬度工件？ 一些无法承受大机械力的脆性，高韧性，薄壁件？ 形状复杂，刀具使用受限的工件，该如
41、何加工？,化学铣切,专著及相关书籍 概述 化学铣切的基本原理 化学铣切的工艺过程 化学铣切的常用腐蚀液配方了解 化学铣切的特点 化学铣切的应用 常用应用举例,一、专著及相关书籍,左侧 化学铣切威廉.T.哈里斯（英）国防工业出版社右侧 化学铣切沈连桂编著国防工业出版社,相关书籍,左为 特种加工 金庆同 主编 航空工业出版社 右为 特种加工技术 陈传梁 主编 北京科学技术出版社,二、概述,腐蚀加工是特种加工的一种，腐蚀加工又叫化学铣切。 是利用酸、碱、盐等溶液对金属进行化学腐蚀而改变工件尺寸和形状的一种加工方法。 该方法已广泛地应用于宇航工业和电子工业中，化学铣切已成为制造宇宙飞船、火箭结构的大型
42、整体壁板和电子计算机的大规模集成电路所无法取代的加工方法。,三、化学铣切的基本原理,腐蚀加工作用是一种工件表面溶解作用 根据金属腐蚀理论金属与腐蚀液体接触后。在相界面将发生下 阳极反应：Me= Men+ne(阳极反应),图9-1 化学铣切加工原理 1工件材料 2化学溶液 3化学 腐蚀部分 4保护层 5溶液 箱 6工作台,加工中需要注意的事项,在化学铣切加工铣削加工中的金属的溶解作用不仅沿垂直于工件表面的深度方向进行。而且在防护层下面的侧面也进行溶解，且呈圆弧状。 由于工件表面活性不同（晶界上晶格畸变和富集杂质、加工硬化等 ），工件与腐蚀剂接触后， 发生选择性局部腐蚀 ，使粗糙度增加。因此化学铣
43、切时，控制腐蚀剂对工件表面发生均匀腐蚀 ，才能得到满意的加工效果。,四、化学铣切的工艺过程,图2 化学铣切工艺过程,（一）表面预处理把工件表面的油污、氧化膜等清除干净并在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。 （二） 涂防蚀层防蚀层必须具有良好的耐酸，碱性能以及良好的粘结力。涂后需进行空气固化或在适当温度下固化。,、预处理和涂覆,刻蚀及其尺寸的确定,当铣削深度达到某值时，其尺寸关系可用下式表示： K=2H/(W2-W1)=H/B式中K腐蚀系数。腐蚀体系的属性； H腐蚀深度（mm）； B侧面腐蚀宽度（mm）； W1刻型尺寸（mm） W2最终腐蚀尺寸（mm）。,图9-3 刻形尺寸关系示意图 1工件材料 2保护
44、层 3刻形样板 4刻形刀 5应切除的保护层 6蚀除部分,腐蚀加工,把刻划好防蚀层图形的毛坯，完全浸入到有腐蚀剂的槽中，并一直浸泡到使腐蚀掉的金属厚度达到要求为止。 腐蚀速度，腐蚀深度与腐蚀时间存在下列关系：V=H/T式中：V金属的腐蚀速度（mm/min）;H工件表面上的腐蚀深度（mm）；T腐蚀时间或浸泡时间（min）。 影响金属腐蚀速度的主要因素是腐蚀剂的成分、浓度和温度；工件材料的特征及热处理状态。,清洗与清除防蚀层,腐蚀加工完成后通常是把零件先放入专门的氧化物清洗槽内，去除在零件表面的上留下的一层氧化物膜和反应沉积污物，接着用水冲洗。 防蚀层的清除一般用手工操作。 但是对于细长、薄型零件应
45、使用化学膜溶剂，目的是把防蚀层泡胀、软化和尽可能的降低粘附力，以便采用气压或水压方法把防蚀层清除掉，或者有利于用手工剥离。,五、常用腐蚀配液,表1 加工材料及腐蚀溶液,表1 加工材料及腐蚀溶液配方,化学铣切的特点,1) 可加工任何难切削的金属材料，不受任何硬度和强度的限制（铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不锈钢等）。 2) 适于大面积加工，可同时加工多件。 3) 加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度可达Ra2.51.25m。 4) 加工操作技术比较简单。 5 不适宜加工窄而深的槽和型孔等。 6 原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。 7 腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当
46、的防护性措施。,六、腐蚀加工的应用,要用于在金属表面去除一定的厚度（一般小于13毫米）的材料。例如航空、航天产品，为减轻结构件的重量，产采用带加强筋的整体件（如飞机蒙皮凹槽，宇航员座舱蜂窝壁板凹槽等）,可用化学铣切出去大片低凹处材料。化学铣切也可以用于机械加工之前去除材料表面硬化层。 对大面积或不宜进行切削加工过的包庇零件内外表面进行材料去除，尤其适宜于全表面材料去除加工。 用以薄壁零件（厚度小于1.5毫米）零件加工复杂的型孔。 用于金属表面刻蚀图案、花纹、文字等。,七、应用举例,铝合金的化学铣切已经成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法。 LD10铝合金筒段壁板是火箭箱体的重要结构零件，对
47、于壁板零件尺寸肋条允许偏差0.75壁厚允许偏差0.15,LD10网格加强筋结构壁板的化学铣切,压气机叶片和合金蒙皮的化铣,化学加工的未来和前景,在航空航天中的应用极其广泛。（飞机、火箭、导弹、卫星、赛车、发动机（在保留高强度的情况下尽量减轻重量） 将其他的特种加工方法结合形成复合加工技术。 多用于国防工业，民用较少，还用很大的应用空间。,化学加工,116,Chemical Machining CHM,目录,第一章 概述 第二章 化学蚀刻 第三章 光化学腐蚀 第四章 化学抛光 第五章 化学镀膜 第六章 发展趋势,第一章 概述,118,化学加工的应用较早，14世纪末已利用化学腐蚀的方法，来蚀刻武士
48、的铠甲和刀、剑等兵器表面的花纹和标记。19世纪20年代，法国的涅普斯利用精制沥青的感光性能，发明了日光胶板蚀刻法。不久又出现了照相制版法，促进了印刷工业和光化学加工的发展。到了20世纪，化学加工的应用范围显著扩大。第二次世界大战期间，人们开始用光化学加工方法制造印刷电路。50年代初，美国采用化学铣削方法来减轻飞机构件的重量。50年代末，光化学加工开始广泛用于精密、复杂薄片零件的制造。60年代，光刻已大量用于半导体器件和集成电路的生产。,化学加工（Chemical Machining, CHM)是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属溶解，改变工件尺寸和形状（或表面性能）的一种加工方法。化学加工的应用形式很多，但属于成形加工的主要有化学蚀刻和光化学腐蚀加工法。属于表面加工的有化学抛光和化学镀膜等。,新闻中国大客机首个大部段下线-定制特种设备全球第2台,2014年5月15日，中航工业洪都研制的国产C919大型客机首个大部段前机身在南昌成功下线。,
