1、精密和超精密加工技術復習思考題答案第一章1.試述精密和超精密加工技術對發展國防和尖端技術的重要意義。答：超精密加工技術在尖端產品和現代化武器的制造中占有非常重要的地位。國防方面，例如：對于導彈來說，具有決定意義的是導彈的命中精度，而命中精度是由慣性儀表的精度所決定的。制造慣性儀表，需要有超精密加工技術和相應的設備。尖端技術方面，大規模集成電路的發展，促進了微細工程的發展，并且密切依賴于微細工程的發展。因為集成電路的發展要求電路中各種元件微型化，使有限的微小面積上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜和完備的電路。因此，提高超精密加工水平以減小電路微細圖案的最小線條寬度就成了提高集成電路集成度的技

2、術關鍵。2.從機械制造技術發展看，過去和現在達到怎樣的精度可被稱為精密和超精密加工。答：通常將加工精度在0.1-lm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1m之間的加工方法稱為精密加工。而將加工精度高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra 0.01m的加工方法稱為超精密加工。3.精密和超精密加工現在包括哪些領域。答：精密和超精密加工目前包含三個領域： 1)超精密切削，如超精密金剛石刀具切削，可加工各種鏡面。它成功地解決了高精度陀螺儀，激光反射鏡和某些大型反射鏡的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解決了大規模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤等的加工。 3)精密特種加工。如電子束，離子束加工。使美

3、國超大規模集成電路線寬達到0.1m。4.試展望精密和超精密加工技術的發展。答：精密和超精密加工的發展分為兩大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和開發；另一方面是以三維曲面加工為主的高性能的超精密機械加工技術以及作為配套的三維超精密檢測技術和加工環境的控制技術。5.我國的精密和超精密加工技術和發達國家相比情況如何。答：我國當前某些精密產品尚靠進口，有些精密產品靠老工人于藝，因而廢品率極高，例如現在生產的某種高精度慣性儀表，從十幾臺甚至幾十臺中才能挑選出一臺合格品。磁盤生產質量尚未完全過關，激光打印機的多面棱鏡尚不能生產。1996年我國進口精密機床價值達32億多美元(主要是精密機床和數控機床

4、)。相當于同年我國機床的總產值，某些大型精密機械和儀器國外還對我們禁運。這些都說明我國必須大力發展精密和高精密加工技術。6.我目要發展精密和超精密加工技術，應重點發展哪些方面的內容。答：根據我國的當前實際情況，參考國外的發展趨勢，我國應開展超精密加工技術基礎的研究，其主要內容包括以下幾個方面：1)超精密切削磨削的基本理論和工藝；2)超精密設備的精度，動特性和熱穩定性；3)超精密加工精度檢測及在線檢測和誤差補償；4)超精密加工的環境條件；5)超精密加工的材料。第二章1.金剛石刀具超精密切削有哪些應用范圍?答：用金剛石刀具進行超精密切削，用于加工鋁合金，無氧銅，黃銅非電解鎳等有色金屬和某些非金屬材

5、料。2.金剛石刀具超精密切削的切削速度應如何選擇?答：超精密切削實際選擇的切削速度，經常是根據所使用的超精密機床的動特性和切削系統的動特性選取，即選擇振動最小的轉速，因為在該轉速時表面粗糙度最小，加工質量最高，獲得高質量的加工表面是超精密切削的首要問題。使用質量好，特別是動特性好，振動小的超精密機床可以使用高的切削速度，可以提高加工的效率。3.試述超精密切削時積屑瘤的生成規律和它對切削過程和加工表面粗糙度的影響。答：當切削速度較低時，積屑瘤高度最高，當切削速度大于v314m/min時，積屑瘤趨于穩定，高度變化不大。這說明在低速切削時，切削溫度比較低，較適于積屑瘤生長，且在低速時積屑瘤高度值比較

6、穩定，在高速不穩定。特別是切黃銅和紫銅，積屑瘤不穩定且比較小。刀具的微觀缺陷也將直接影響積屑瘤的高度，完整刃的積屑瘤高度比有微小崩刃的刀刃積屑瘤高度小。進給量很小時，積屑瘤的高度較大。背吃刀量小于25m 時，積屑瘤的高度變化不大，但在大于25m后，積屑瘤高度將隨背吃刀量的增加而增加。積屑瘤對切削力的影響為：當積屑瘤高時切削力大，積屑瘤小時切削力也小。積屑瘤對加工表面粗糙度的影響為：當積屑瘤高度大時，表面粗糙度大，積屑瘤小時加工表面粗糙度亦小。4.試述各工藝參數對超精密切削表面質量的影響。答：切削速度對加工表面粗糙度基本無影響。當超精切削采用很小的進給量，加工表面粗糙度值減小。刀具有修光刃的時候

7、，可減少殘留面積，減小加工表面的粗糙度值。背吃刀量減小將使加工表面粗糙度加大。5.超精密切削時如何才能使加工表面成為優質的鏡面?答：進給量為2.5m/r，背吃刀量為2m時，不同切削速度均得到表面粗糙度極小的加工表面；使用圓弧切削刃刀具，在進給量小于5m/r時，均可得到優質鏡面；v=314m/min，f=2.5m/r，進給量為0.5-5m時也可得到優質的鏡面。6.超精密切削時，金剛石刀具切削刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響如何？答：鋒銳的金剛石刀具可加工出表面粗糙度值較小的加工表面。用鋒銳金剛石車刀切削時，切屑變形系數明顯低于用較鈍的刀具切削時的切屑變形系數。7.超精密切削時極限最小切削厚

8、度是多少?答：極限最小切削厚度。8.試述超精密切削用金剛石刀具的磨損和破損特點。答：金剛石刀具的磨損，主要是機械磨損，其磨損本質是微觀解理的積累。金剛石晶體的破損，主要產生于（111）晶面的解理。9.金剛石刀具晶面選擇對切削變形和加工表面質量的影響如何？答：（100）晶面的車刀切削時的切削變形比用（110）晶面的車刀要小。（100）晶面的車刀和（110）晶面的車刀的加工表面粗糙度相差不多。（100）晶面車刀切出的表面層殘余應力小于用（110）晶面的車刀所切出的，特別是切向殘余應力。10.工件材料的晶體方向對切削變形和加工表面質量的影響如何？11.脆性材料用超精密切削如何加工出優質表面？12.超

9、精密切削對刀具有哪些要求？為什么單晶金剛石是被公認為理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料？答：為實現超精密切削。刀具應具有如下性能。 1)極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。以保證刀具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度。 2)刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現超薄切削厚度。 3)刀刃無缺陷，切削時刃形將復印在加工表面上，能得到超光滑的鏡面。 4)和工件材料的抗粘結性好、化學親和性小、摩擦系數低，能得到極好的加工表面完整性。天然單晶金剛石有著一系列優異的特件。如硬度極高、耐磨性和強度高、導熱性能好、和有色金屬摩擦系數低，能磨出極鋒銳的刀刃等。因此雖然它的價格昂貴，仍被一致公認為理想的

10、、不能代替的超精密切削刀具材料。13.單晶金剛石有哪幾個主要晶面?答：按晶體學原理，六方晶系的金剛石晶體有三個主要晶面：（100）、（111）、（110）。14.試述金剛石晶體的各向異性和不同晶面研磨時的好磨難磨方向。答：1)(100)晶面的摩擦系數曲線有4個波峰和波谷；(110)晶面有兩個波蜂和波谷；(111)晶面有三個波峰和波谷；2)如都以摩擦系數低的波谷比較，(100)晶面的摩擦系數最低；(111)晶面次之；（110）晶面最高；3)如比較同晶面的摩擦系數值的變化，(100)晶面的摩擦系數差別最大；(110)晶面次之；(111)晶面最小。不同晶面研磨時的好磨難磨方向如下圖所示： 15.金剛

11、石晶體有哪些定向方法?答：現在采用的金剛石晶體定向方法有：人工目測定向；X射線晶體定向；激光晶體定向。16.試述金剛石晶體的激光定向原理和方法。答：金剛石晶體的激光定向原理就是利用金剛石在不同結晶方向上，晶體結構不同，對激光反射而形成的衍射圖像不同而進行的。方法為：由氦氖激光管產生激光束，通過屏幕上的小孔，照射到金剛石表面。全剛石表面存在一些在生長過程中形成的形狀規則的晶界晶紋和微觀凹坑。當相干性比較好的激光照射到金剛石晶體表面上的這些晶紋和微觀凹坑時，如被激光照射的金剛石表面是某晶面面網。轉動金剛石使被測晶面與激光束相垂直，激光被反射到屏幕上，形成特征衍射光像，可根據衍射光像的圖形知道被激光

12、照射的晶面是什么晶面，也就確定了該晶面在金剛石晶體內的空間方位。17.如何根據金剛石微觀破損強度來選擇金剛石刀具的晶面?答：當作用應力相同時，(110)面破損的機率最大，（111)面次之，（100)面產生破損的機率最小。即在外力作用下，(110)面最易破損，(111)面次之，(100)面最不易破損。這在設計金剛石刀具，選擇前面和后面的晶面時，必須首先給予考慮。根據上面的分析可知，從增加刀刃的微觀強度考慮，應選用微觀強度最高的(100)晶面作為金剛石刀具的前面和后面。18.比較直線修光刃和圓弧修光刃金剛石刀具的優缺點。答：直線修光刃制造研磨容易，這種刀要求對刀良好，直線修光刃應嚴格和進給方向一致

13、。圓弧修光刃刀具對刀容易，使用方便，但刀具制造研磨麻煩，價格要高些。19.單晶金剛石刀具的前面應選哪個晶面。答：推薦金剛石刀具的前面選（100）晶面。20.試述金剛石刀具的金剛石固定方法。答：機械夾固；粉末冶金法固定；粘結或釬焊固定。21.試述單晶金剛石刀具的研磨加工方法。答：一顆單晶金剛石毛坯，要做成精密金剛石刀具。首先要經過晶體定向，確定制成刀具的前面、后面的空間位置，確定需要磨去的部分。金剛石要再經過仔細檢查，觀察切削部分的金剛石內部有沒有裂紋、雜質或其他缺陷。金剛石開始粗磨，一般采用高速旋轉的鑄鐵盤加金剛石微粉進行粗研磨，基本成形后，最后進行精研。22.單晶金剛石刀具質量的好壞如何評定

14、。答：衡量金剛石刀具質量的好壞，首先是能否加工出高質量的超光滑表面，其次是它能否有較長的切削時間保持刀刃鋒銳，仍能切出極高質量的加工表面。第三章1.何謂固結磨料加工?何謂游離磨料加工？它們各有何特點？適用于什么場合？答：將磨粒或微粉與結合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有定強度，再采用燒結、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具的加工方法叫做固結磨料加工。磨粒或微粉不是固結在一起，而是成游離狀態的加工方法叫做游離磨料加工。固結磨料加工有精密砂輪磨削、油石研磨、精密珩磨、精密超精加工、砂帶磨削和砂帶研拋。游離磨料加工有精密研磨和精密拋光。2.試述超硬磨料磨具的特點。超硬磨料磨具為什么會

15、成為精密加工和超精密加工的主要工具之一？答：金剛石是自然界中硬度最高的物質，有較高的耐磨性，它還有很高的彈性模量，可以減小加工時工件的內應力、內部裂隙和其他缺陷。金剛石有較大的熱容量和良好的熱導性，線膨脹系數小，熔點高，但700攝氏度以上易與鐵族金屬產生化學作用而形成碳化物，造成化學磨損。故一般不適宜磨削鋼鐵材料。立方氮化硼的硬度略低于金剛石。但耐熱性比金剛石高，有良好的化學穩定性，與碳在2000攝氏度時不起反應，故適于磨削鋼鐵材料。由于它在高溫下易與水產生反應，因此一般多用于干磨。由于超硬磨料的上述特點，用它們制作的磨具在一下幾方面能夠滿足精密加工和超精密加工的要求，因此使用廣泛。 （1）磨

16、具在形狀和尺寸上易于保持，耐用度高，切削精度高。 （2）磨料本身磨損少，可較長時間保持切削性，修整次數少，易于保持精度。 （3）磨削時，一般工件溫度較低，因此可以減小內應力、裂紋和燒傷等缺陷。3.在表示普通磨料磨具和超硬磨料磨具的技術性能時，有哪些技術性能的表示方法相向？有哪些技術性能的表示方法不同？為什么？答：相同的技術性能有：顯微硬度、抗彎強度、抗壓強度和熱穩定性。普通磨具中磨料的含量用組織表示，它反映了磨料、結合劑和氣孔三者之間體積的比例關系。超硬磨具中磨料的含量用濃度表示，它是指磨料層中每1立方厘米體積中所含超硬磨料的重量，濃度越高，其含量越高。普通磨具的硬度是指磨粒在外力作用下，自磨

17、料表面脫落的難易程度。超硬磨具沒有硬度項。4.為什么在超硬磨料磨具的結構中一般由磨料層、過渡層和基體三個部分組成？過渡層起什么作用？普通磨料磨具的結構為什么與超硬磨料磨具的結構不同？5.涂覆磨具在制造技術上的質量關鍵是哪些？答：粘接劑和涂覆方法。6.試述近年來涂覆磨具在精密和超精密加工中所占的地位。7.試述涂覆磨具制造中三種涂覆方法的特點和應用場合。答：(1)重力落砂法 先將粘接劑均勻涂敷在基底上，再靠重力將砂粒均勻地噴灑在涂層上，經烘干去除浮面砂粒后即成卷狀砂帶，裁剪后可制成涂覆磨具產品，整個過程自動進行。一般的砂紙、砂布均用此法，制造成本較低。 （2）涂覆法 先將砂粒和粘接劑進行充分均勻地

18、混合，然后利用膠輥將砂粒和粘接劑混合物均勻地涂敷在基底上。粘接劑和砂粒的混合多用球磨機，而涂敷多用類似印刷機的涂敷機，可獲得質量很好的砂帶，一般塑料膜材料的基底砂帶都用這種方法。簡單的涂覆法也可用噴頭將砂粒和粘接劑的混合物均勻地噴灑在基底上，多用于小量生產紙質材料基底的砂帶，當然質量上要差一些。精密和超精密加工中所用的涂覆磨具多用涂敷法制作。 (3)靜電植砂法 其原理是利用靜電作用將砂粒吸附在已涂膠的基底上，這種方法由于靜電作用，使砂粒尖端朝上，因此砂帶切削性強，等高性好，加工質量好，受到廣泛采用。8.試從系統工程的角度分析精密磨削的技術關鍵。答：砂輪粒度和結合劑的選擇以及砂輪修整。9.試分析

19、砂輪修整對精密磨削質量的影響。答：修整導程和修整深度對工件表面粗糙度的影響如下圖所示：10.精密磨削能獲得高精度和小表面粗糙度表面的主要原因何在？答：精密磨削主要是靠砂輪的精細修整，使磨粒具有微刃性和等高件，磨削后，被加工表面留下大量極微細的磨削痕跡，殘留高度極小，加上無火花磨削階段的作用，獲得高精度和低表面粗糙度的表面。11.試分析超硬磨料砂輪的各種修整方法的機理、特點和應用范圍。答：車削法：用單點、聚晶金剛石筆，修整片等車削金剛石砂輪以達到修整目的。這種方法的修正精度和效率都比較高，但修整后的砂輪表面平滑，切削能力低。磨削法磨削法：用普通磨料砂輪或砂塊與超硬磨料砂輪對磨進行修整，普通磨料(

20、如碳化硅、剛玉等)磨粒被破碎，對樹脂、陶瓷、金屬結合劑起切削作用，失去結合劑把持的超硬磨粒就會脫落。這種方法的效率和質量都較好，但普通砂輪、砂塊磨損相當迅速，是目前最為廣泛采用的修整方法。滾壓擠軋發：滾壓法是用碳化硅、剛玉、硬質合金或鋼鐵等制成修整輪，與超硬磨料砂輪在一定壓力下進行自由對滾(修整輪無動力)，使結合劑破裂形成容屑空間，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃，該法修整效率低，修整壓力大，要求磨床剛度高。噴射法：（1）氣壓噴砂法 將碳化硅、剛玉磨粒從高速噴嘴噴射到轉動的砂輪表面上，從而去除部分結合劑，使超硬磨粒突出。主要用于修銳，效果較好。（2）液壓噴砂法 用高壓泵打出流量為20Lmin、壓力

21、為150Pa的冷卻液，當冷卻液進入噴嘴的旋渦室時，形成低壓，從邊孔中吸入碳化硅或剛玉等磨粒及空氣，與冷卻液形成混合液，并以高速從噴嘴噴射到轉動的砂輪上。這種方法修銳的砂輪精度高、鋒利、修銳時間短。電加工法：（1）電解修銳法 利用電化學腐蝕作用蝕除金屬結合劑。這種方法的裝備簡單，可方便地實現在線修銳，多用于金屬結合劑砂輪的修銳，非金屬結合劑砂輪無效，該方法不能用于整形。(2)電火花修整法 其原理是電火花放電加工，適用于各種金屬結合劑砂輪。若在結合劑中加人石墨粉，也可用于樹脂、陶瓷結合劑砂輪。修整時可用電火花線切割方式和電火花成型方式進行修整。若配置數控系統，尚可進行成形修整。這種方法既可整形，又

22、可修銳，效率較高，質量可與磨削法相當。超聲波振動修整法：用受激振動的簧片或超聲波振動頭驅動的幅板作為修整器，并在砂輪和修整器間放入混油磨料，通過游離磨料撞擊砂輪的結合劑使超硬磨粒突出結合劑。該法修銳效果較好，用于整形較少。12.試分析普通磨料砂輪和超硬磨料砂輪在修整機理上的不同。答：普通砂輪的整形和修銳一般是合為一步進行的，而超硬磨料砂輪的整形和修銳一般是分為先后兩步進行，有時，整形和修銳采用不同的方法。13.在超硬磨料砂輪磨削時如何選用磨削液？答：金剛石砂輪磨削時常用油性液和水溶性液為磨削液，視具體情況而定，如磨削硬質合金時普遍采用煤油，但不宜使用乳化液；樹脂結合劑砂輪不宜使用蘇打水。立方氮

23、化硼砂輪磨削時采用油性液為磨削液，一般不用水溶性液，因為在高溫下下立方氮化硼磨粒和水會起化學反應，稱水解作用。會加劇砂輪磨損，可加極壓添加劑以減弱水解作用。14.超精密磨削的含義是什么？鏡面磨削的含義是什么？答：超精密磨削是最高加工精度、最低表面粗糙度的砂輪磨削方法。一般是指加工精度達到或者高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra 0.025m，是一種亞微米級的加工方法。鏡面磨削一般是指加工表面粗糙度達到Ra 0.02-0.01m，表面光澤如鏡的磨削方法。15.試從系統工程的角度來分析超精密磨削能達到高質量的原因。答：影響超精密磨削的因素很多，各因素之間又相互關聯。超精密磨削需要一個高穩定性的工藝

24、系統，對力、熱、振動、材料組織、工作環境的溫度和凈化等都有穩定性的要求，并有較強的抗擊來自系統內外的各種干擾的能力，有了高穩定性，才能保證加工質量的要求。所以超精密磨削是一個高精度、高穩定性的系統。16.試分析超硬微粉砂輪超精密磨削的特點。17.試比較精密砂輪磨削和精密砂帶磨削的機理、特點和應用范圍。答：精密砂輪磨削機理：（1）微刃的微切削作用 使用較小的修整導程和修整深度精細修整砂輪，使磨粒微細破碎而產生微刃，一顆磨粒就形成了多顆微磨粒，相當于砂輪的粒度變細，微刃的微切削作用形成了低粗糙度表面；（2）微刃的等高切削作用 由于微刃是砂輪精細修整形成的，因此分布在砂輪表層的同一深度上的微刃數量多

25、、等高性好，從而使加工表面的殘留高度極小，微刃的等高性除與砂輪修整有關外，尚與磨床的精度、震動等因素有關；(3)微刃的滑擠、摩擦、拋光作用 砂輪修整得到的微刃開始比較銳利，切削作用強，隨著磨削時間的增加而逐漸鈍化。同時，等高性得到改善，這時，切削作用減弱。滑擠、摩擦、拋光作用加強，磨削區的高溫使金屬軟化，鈍化微刃的滑擠和擠壓將工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度。精密砂帶磨削機理：砂帶磨削時，除有砂輪磨削的滑擦、耕犁和切削作用外，由于有彈性，還有磨粒的擠壓使加工表面產生的塑性變形、磨粒的壓力使加工表面產生的加工硬化和斷裂、以及因摩擦升溫而引起的加工表面熱塑性流動等。因此從加工機理來看，砂帶磨削兼

26、有磨削、研磨和拋光作用，是一種復合加工。18.比較閉式砂帶磨削和開式砂帶磨削的特點和應用場合。答：閉式砂帶磨削：采用無接頭或有接頭的環形砂帶，通過張緊輪撐緊，由電動機通過接觸輪帶動砂帶高速回轉，工件回轉，砂帶頭架或工作臺作縱向及橫向進給運動，從而對工件進行磨削。這種方式效率高，但噪聲大，易發熱。可用于粗、半精和精加工。 開式砂帶磨削：采用成卷砂帶，由電動機經減速機構通過卷帶輪帶動砂帶作極緩慢的移動，砂帶繞過接觸輪并以一定的工作壓力與工件被加工表面接觸，工件回轉，砂帶頭架或工作臺作縱向及橫向進給，從而對工件進行磨削。由于砂帶在磨削過程中的連續緩慢移動，切削區域不斷出現新砂粒，磨削質量高且穩定，磨

27、削效果好，但效率不如閉式砂帶磨削。多用于精密和超精密磨削中。19.試述接觸輪外緣截面形狀及其結構對砂帶磨削的影響。答：平滑形用于細粒度砂帶精磨、精密和超精密及研拋；鋸齒形用于粗磨和精磨；填充形用于粗磨。20.分析接觸輪外緣材料的種類及其硬度對砂帶磨削的影響。答：各種接觸輪外緣類型及其特點和用途如下表所示：21.如何處理砂帶磨削時的冷潤與除塵問題？答：磨削液與干磨劑的選擇：濕磨時，磨削液的選擇除考慮加工表面粗糙度、被加工材料外，必須要考慮砂帶粘接劑的種類。另外，還應考慮基底材料。干磨時，當粒度號大于P150時，可采用干磨劑。砂帶磨削的除塵：無論是濕磨還是干磨，無論是在砂帶磨床磨削還是在普通機床上

28、利用砂帶磨削頭架磨削，都應設有吸塵和集塵裝置。可用封閉罩或吸塵管等結構將磨削液、切屑、磨粒等匯集于集塵箱內，通過過濾回收、磨削液再用；干磨時則不必回收。第四章1.試述精密和超精密機床的國內外發展概況。答：美國超精密機床的水平最高，不僅有不少工廠生產中小型超精密機床，而且由于國防和尖端技術的需要，研究開發了大型超精密機床，其代表是LLL國家實驗室于1983-1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金剛石超精密車床。這兩臺機床是現在世界公認的水平最高的、達到當前技術最前沿的大型超精密機床。英國是較早從事精密和超精密加工技術研究的國家之一。英國CUPE公司以其精加工技術聞名于世，曾生產HATC

29、 300等超精密車床，1991年該公司研制成功用于加工x射線天體望遠鏡用反射鏡的2.5m×2.5m大型超精密機床，可用于精密磨削和坐標測量。這是迄今第二個能制造這樣大的大型超精密機床的單位日本研究超精密切削技術和研制超精密機床雖起步較晚，70年代中期才開始，但是內于得到有關方面的重視和協同努力，發展很快。現在在中小型超精密機床生產上，已基本上和美國并駕齊驅。2.試述我國發展超精密機床概況。答：我國在60年代起即開始發展精密機床，經過近30年的努力，我國的精密機床已有相當規模，不僅品種上基本滿足我國生產需要，而且精度質量上達到一定的水平。例如昆明機床廠、寧江機床廠和以漢川機床廠生產多種

30、坐標鏜床，有立式的并且有臥式的，最新的坐標鏜床已有精密數控系統。坐標鏜床的定位精度在3-5m。寧江機床廠現又生產MK2932B連續軌跡數控坐標磨床，工作臺面積320mm×600mm，定位精度±2m。重慶機床廠生產高精度滾齒饑、武漢重型機床廠生產大型高精度滾齒機。北京航空精密機械研究所研制成功空氣軸承主軸的超精密車床和金剛石鏜床，該研究所用花崗巖制造精密空氣軸承主軸，使用性能良好。哈爾濱工業大學研制成功帶激光在線測量的空氣軸承主軸數控超精密車床，性能良好。 我國超精密機床的生產和研制，實際是現在才開始，和國外的差距甚大。由于這項新技術直接影響國防和尖端技術的發展、尖端技術產品

31、的生產，有著極大的重要性。要從國外引進又受保密、禁運的限制，必須自己開發研究。因此必須給予充分的重視。應該投入充分的人力、物力、給予充分的財力支持，大力加強我國自己的開發研究工作，使我國的超精密加工技求和超精密機床能夠得到加速發展。3.以美國為例，說明超精密機床的發展過程。答：1962年美國聯合碳化物公司研制成功半球車床，是最早期的使用金剛石刀具實現超精密鏡面切削的機床。1968年發展了Moore車床，它是在有效的使用了兩種試制機床的技術基礎上，改造了Moore3型坐標測量機而研制成功的。1976年Ex-Cell-O公司開發了金屬反射鏡直徑達2m的金剛石鏡面切削車床。美國Pneumo公司生產的

32、MSG-325型超精密車床采用T形布局，即主軸箱下有導軌作z向運動，刀架溜板作x向運動，這樣有利于提高精度。1983年7月美國LLL實驗室研制成功大型超精密金剛石DTM-3型車床，用于加工激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡等。該實驗室于1984年研制出的另一臺大型超精密車床LODTM是現在世界上公認技術水平最高，精度最高的大型金剛石超精密車床。4.能代表超精密機床最高水平的是哪幾臺超精密機床。答：大型超精密金剛石DTM-3型車床和大型超精密車床LODTM。5.試述美國LLL實驗室生產的DTM-3大型超精密車床的主要技術性能。答：加工最大零件2100mm，重量1500k

33、g；長距離測定系統分辨率：2.5nm；短距離測定系統：差動式電容測微儀；x軸、z軸的驅動：由DC電機與靜壓軸承的50的驅動輪摩擦聯驅動。修正誤差用刀具微位移機構：由PZT壓電元件驅動并與電容測微儀組合后工作。滑動導軌：x軸為V平面液體潤滑導軌，z軸為平面空氣靜壓導軌。主軸：油靜壓徑向軸承，空氣靜壓止推軸承，柔性連接驅動方式，交流變頻電動機驅動，電動機為防止震動直接安裝在地基臺面上。主軸剛度大于500N/m。電容傳感器：分辨率0.625nm，直線性0.1%。伺服系統：x、z傳輸軸為摩擦驅動，頻帶寬10Hz，最大送進量2.5mm/s。x、z軸的負荷補償用波紋管的頻帶寬為0.01Hz。溫度控制系統：

34、流體溫度控制可達（20±0.0006）攝氏度，空氣溫度控制可達（20±0.005）攝氏度。設計階段加工誤差的預算為：半徑方向形狀誤差：27.9nm；圓度、平面度：12.5nm；加工表面粗糙度：4.2nm；機床底座為花崗巖。6.試述美國LLL實驗室生產的LODTM大型光學金剛石車床的主要技術性能。答：可加工1625×500mm，重量1360kg的大型金屬反射鏡。采用7路的高分辨力雙頻激光測量系統，使用He-Ne雙頻激光測量器，分辨力為0.625nm，使用4路激光檢測橫梁上溜板的運動，使用3路激光檢測刀架上下運動裝置，水溫控制在（20±0.005）攝氏度，整

35、臺機床用4個大空氣彈簧支撐起來。精度實測結果如下圖所示：7.試述英國Cranfield公司生產的OAGM2500大型超精密機床的主要技術性能。答：最大加工尺寸2500mm×2500mm×610mm，有2500mm的高精度回轉工作臺，機床的x和y向導軌采用液體靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承，用分辨力為2.5nm的ZYGO AXIOM雙頻激光測量系統檢測運動位置，并向數控系統反饋控制。8.舉實例說明發展高效專用多功能超精密機床的必要性。9.為什么超精密機床大部分都采用空氣軸承，它有哪些優缺點？10.空氣主軸軸承有哪些常用的結構形式？它有哪些優缺點？答：（1）圓柱徑向軸承

36、和端面止推空氣靜壓軸承 這種空氣軸承主軸結構比較簡單，但要求前后徑向軸承有很高的同心度，徑向軸承和止推軸承有很高的垂直度，因此要求很高的制造工藝水平。（2）雙半球空氣軸承主軸 前后軸承均采用半球狀，又是徑向軸承又是止推軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調心作用，因此可以提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉精度。（3）前部用球形后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸 這種結構一端為球形，同時起到徑向和軸向止推軸承的作用，并有自動調心的作用，可以提高前后軸承的同心度，從而提高了主軸回轉精度。（4）立式空氣軸承 徑向軸承制成圓弧面，可起到自動調心、提高精度的作用。11.超精密主軸有哪些驅功方式?各自的優缺點

37、是什么？答：超精密主軸的驅功方式有三種：1）電動機通過帶傳動驅動 優缺點：采用這種驅功方式，電動機采用直流電動機或交流變頻電動機。這種電動機可以無級調速，不用齒輪調速以減少振動，電動機要求經過精密動平衡并用單獨地基以免振動影響超精密機床。傳動帶用柔軟的無接縫的絲質材料制成。帶輪有自己的軸承支撐，經過精密動平衡，通過柔性聯軸器(常用電磁聯軸器)和機床主軸相連，采用上述措施主要是使主軸盡可能和振功隔離。2）電動機通過柔性聯軸器驅動機床主軸 優缺點：采用這種主軸驅動方式時，電機采用直流電動機或交流變頻電功機，可以很方便的實觀無級調速，電動機應經過精密動平衡，電動機安裝時盡量使電功機軸和機床主軸同心，

38、再用柔性聯軸器消除電動機軸和機床軸不同心引起的振動和回轉誤差。這樣可以盡量提高超精密機床主軸的回轉精度。3）采用內裝式同軸電動機驅動機床主軸 優缺點：電動機現在都采用無刷直流電動機，可以很方便地進行主鈾轉速的無級變速，同時電動機沒有電刷，不僅可以消除電刷引起的摩擦振動，而且免除了電刷磨損對電機運轉的影響。現在一般的直流電動機都是方波驅動，這時的驅動轉矩變化大致在，這將使主軸的瞬時轉速有波動，主軸轉速低時，轉速波動更明顯。12.超精密車床有哪幾種總體布局? 各自的優缺點是什么？答：1）主軸箱位置固定、刀架裝在十字形滑板上 優缺點：這種結構布局要求十字形滑板的上下導軌，不僅要有很高的直線運動精度，

39、而且要有非常嚴格的相互垂直精度。這要求有很高的制造精度，才能滿足超精密機床的精度要求否則下滑板的運動誤差將影響上滑板的起動精度。采用這種結構布局時，主軸相位置固定不動，因此主軸用傳動帶驅功很方便，電動機可以有單獨地基，可以減少電動機振動對主軸的影響。2）T形布局優缺點：這種總體布局結構，有利于提高導軌的制造精度和運動精度。測量系統安裝簡單，大大提高了測量精度。3）布局優缺點：在工件的厚度改變時，主鈾箱或回轉工作臺)需要在Z向調整、機床結構比較復雜，加工調整計算和習慣用的不一致，因此用得不多。4）立式結構布局優缺點：當工件直徑較大并且重量較重時，超精密機床多采用立式結構布局，超精密機床要求高的剛

40、度、故多用龍門形式。在機床精度要求特別高時，可采取了特殊的在線測量和誤差補償措施，來補償消除運動誤差。13.簡述精密和超精密機床使用的床身和導軌材料，并說明各自的優缺點。答：1）優質耐磨鑄鐵優缺點：鑄鐵是傳統的制造床身和導軌的材料它的優點是工藝性好，應選用耐磨性好，熱膨脹系數低。對振動衰減能力強，并經時效消除內應力的優質合金鑄鐵作精密機床的床身和導軌2)花崗巖優缺點：花崗巖已是制造三坐標標測量機和超精密機床的床身和導軌的熱門材料，這是因為花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩定性好，熱膨脹系數低，對振動的衰減能力強，硬度同、耐磨并不會生銹等。花向巖的主要缺點是它的吸濕性，吸濕后產生微量變形，影響精度。3）人造

41、花崗巖優缺點：人造花崗巖有優良的性能，不僅可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。14.簡述精密和超精密機床的導軌結構形式，并說明各自的優缺點。答：1）V平面 優缺點：導軌磨損后可自動補償，保持間隙和潤滑，不少機床采用這種結構。但這種結構有下述缺點第，V形和平面導軌面的磨損不相等，因此工作臺面因導軌而磨損而下降量下均勻；第二，當工作臺重心和載重偏離中央并偏向平導軌面側時，v平面導軌的導向能力就要明顯下降。2）雙V形導軌能為直線運動提供良好的導向性優缺點：兩條導軌上的摩擦和磨損是均勺的，驅動元件可對稱稱地處在兩條v形導軌之間。這些都可保證導軌的直線運動精度。雙v形導軌在載重偏離中央時、仍能

42、行較好的導向性。3)壓力油潤滑導軌優缺點：對超精密機床導軌部件要求有極高的直線運動精度，并月能長期保持它的精度，要求直線運動時絕對沒有爬行現象。這一方面要求導軌有極高的制造精度，同時要求導軌的偶合面沒有摩擦和磨損。4）導軌偶合面的接觸形式優缺點：超精密機床導軌部件要求有極高的直線運動精度，不能有爬行，導軌偶合面不能有磨損、這一方面要求導軌有很高的制造精度，導軌的材料要有很高的穩定性和耐磨性。導軌的偶合面有很好的偶合形式。15.試述滾珠絲桿驅動系統的結構和優缺點。答：滾珠絲桿驅動系統的結構如圖4-22所示優缺點：滾珠在絲杠和螺母的螺紋槽內滾功，因此摩擦力很小，絲杠的螺紋槽經過精密磨削，可以達到很

43、高精度。滾珠在螺母內有再循環通道，因此行程長度不受滾珠的限制。16.試述超精密機床中使用的摩擦驅動機構的原理、結構和優缺點。答：摩擦驅動機構的原理，如圖4-26所示。和導軌運動體相連的驅動桿夾在兩個摩擦輪之間。上摩擦輪是用彈簧壓板壓在驅動桿上，當彈簧壓板壓力足夠時，摩擦輪和驅動桿之間將無滑動。兩個摩擦輪均有靜壓軸承支承，可以無摩擦轉動。下摩擦輪和直流電功機相連，帶動下摩擦輪旋轉，靠摩擦力帶動驅動桿，帶動導軌作非常平衡的直線運動。優缺點：導軌運動的平穩性和精度高，使用效果好，優于滾珠絲杠副的驅動。有兩個技術難點：l）超精密機床在精切時，要求導軌的起動速度極慢，因此要求下摩擦輪直徑很小，造成定的結

44、構設計困難；2)兩個摩擦輪最好都能采用靜壓軸承支承，但是從結構位置上看，放兩套靜壓軸承(液體或空氣)空間位置太擠，結構設計有很大困難；摩擦輪如用滾動軸承支承，則滾動軸承有摩擦，會降低磨擦驅動裝置的平穩性，降低導軌直線運動的平穩性。17.精密加工對微量進給裝置的性能要求是什么？答：1)精微進給和粗進給應分開、以提高微位移的精度、分辨力和穩定性。2)運動部分必須是低摩擦和高穩定度的，以便實現很高的重復精度。3）末級傳動元件必須有很高的剛度，即夾金剛石刀具處必須是高剛度的。4)微量進給機構內部聯接必須是可靠聯接，盡量采用整體結構或剛性聯接，否則這微量進給機構很難實現很高的重復精度。 5)工藝件好，容

45、易制造。6）微量近給機構應又有好的動特性，即具有高的頻響。7) 微量進給機構應能實現微進給的自功控制。18.試述壓電和電致伸縮傳感器的結構和主要性能。答：電致伸縮傳感器的結構：平時電致伸縮陶瓷片兩片成對，中間通正電，兩側通負電，將很多對陶瓷片疊在起，正極聯在起，負極聯在一起，則組成個電致伸縮傳感器。主要性能：圖4-3l中給出電致伸縮傳感器在不同電壓時的伸長量的關系曲線，可看到在加上直流電壓時，無論是正電壓或負電壓，傳感器的伸長量是相同的。這曲線的中間部份線性是比較好的。團4-31同時給出壓電伸縮傳感路的電壓伸長量關系曲線，可看到正電壓時伸長，負壓時縮短。這種傳感器在電壓上升下降時的伸長量滯后較

46、長。19.介紹幾種典型的壓電式或電致伸縮式微進給裝置的原理、結構和性能。答：圖4-32為日本岡崎佑一研制的一種結構。壓電傳感器后側為固定支承。刀架體上有4個圓孔和臺體外側面形成薄壁變形無件，在圓孔間用三條縫開通，使前面裝車刀部分和臺體間能作前后彈性變形位移。當壓電傳感器在電壓作用下伸長時，將推動的面裝刀具部分向的移動實現微位移。圖4-33是美國LLL實驗室的大型光學金剛石車床LODTM上使用的快速電致伸縮式微量進給裝置FTS。這微量進給裝置中壓電伸縮傳感器后端支承在固定的裝置本體上，刀具裝在前部為錐形后部為套簡形的位移部件上，這位移部件由前后各一薄膜支承在固定的本體上。在FTS體內有兩個差動式

47、電容測微傳感器隨時檢測微位移量的數值。當壓電伸縮傳感器在電壓作用下向前伸長，推動前面帶刀具的位移部件向前移動，實現微位移。圖4-34為英國Cranfield公司的大型立式超精密機床所用的電致伸縮微量進給裝置。壓電伸縮佑感器后端支承在裝置的本體，用螺釘可以進行預載加力。這裝置的位移部分由兩個薄膜)支承在本休的外圓筒中。當電致伸縮傳感器在電壓作用下伸長時，推動帶刀具的位移部分向前移動，實現微量進給。在這裝置的位移部分內部裝有差動式電容測微傳感器，可隨時檢測微進給數值。20.介紹一種兩坐標部件位移的激光在線檢測系統。答： 如圖4-38所示，為美國Fneumo Precision公司生產的MSG-32

48、5超精密金剛石車床的位移測量光路，雙頻激光測量系統采用的是美國HP公司生產的HP5501兩坐標雙頻激光干涉測量系統。本機床的布局為主軸箱裝在縱溜板上作z向運動，刀架裝在橫溜板上作x向運功。雙頻激光發生器發出的激光經分光鏡分成兩路，分別測z向和x向的位移。激光測量系統的分辨率為。為避免激光器發熱的影響、激光器是用支架支承，放在花崗巖床身的后側面。這測量系統除移動的測量反射鏡是安裝在移動部件隨主軸箱和刀架移動外，共余整個測量系統是固定安裝在花崗巖床身上，因此這樣的機床布局、z向和x向測量互不干擾，大部分測量系統可固定安裝，是有利于提高測量精度的。激光測量光路安放主袖軸線的高度以減少阿貝誤差。大部分

49、激光光路采用封閉，移功部分也用活動套管封起使環境干擾盡量減小。這套激光位移測量系統的絕對測量精度小于。21.介紹一種三坐標部件位移的激光在線檢測系統。答：圖4-39所示為坐標測量機所用的三路位移激光測量系統。激光器1出來的激光經分光鏡2分成測x、y、z三個方向位移的三路激光位移測量系統。現任世界各國生產的精密三坐標測量機都裝有激光位移測量系統，測量精度在l。坐標測量機裝上了激光位移在線測量系統后，不僅提高了測量精度，而且可以實現測量的自動化。現代的柔性制造系統(FMS)中不少裝備了坐標測量，實現了加工和檢測的自動化。22.提高機床結構的抗震性和減少機床內部震動有哪些辦法?答：1）各運動部件都經

50、過精密動平衡，消滅或減少機床內部的振源 機床內的主要振源是高速轉動的部件，如電機、主軸等，這些轉動的部件必須經過精密動平衡，使振動減小到最低；有可能產生振動的還有電機和主抽的不同心。空氣軸承的振蕩，滾珠絲杠和螺母的不同心，導軌運動部件直線運動速度的變化，加工工件有偏心重量等。當發現機床有振動時，必須要找出振源，盡量消除減少振動。 2）提高機床結構的抗振性 使用很大的機床床身以降低它的自振頻率。如有振動產生，應找到機床結構中易于產生振動的薄弱環節，予以加強，使振動減小。3）在機床結構的易振動部份，人為的加入阻尼，減小振動。4）使用振動衰減能力強的材料制造機床的結構件。23.精密和超精密機床的隔振

51、防震措施有哪些？答：1）使超精密機床盡量遠離振源。 機床附近的振源，如空壓機、泵等應盡量移走。實在無法移走時，應采用單獨地基，加隔振材料等措施，使這些無法移走的振源所產生的振動對精加工的影響盡量減小。2）超精密機床采用單獨地基，隔振溝、隔扳墻等。為減少外界振動的干擾，地基應有足夠的深度，地基周圍用隔振溝，溝中使用吸振材料。過去為防止外界振動的傳入，有使用彈簧將地基架起來，它的隔損頻率不夠低，且不能自動找水平。3）使用空氣隔振墊。機床使用空氣隔振墊后需要有自動找水平的控制系統，必須在機床運動部件移動重心改變時，仍能保持水平。24.試述溫度變化對精密機床和精密加工誤差的影響。答：精密加工中機床熱變

52、形和工件溫升引起的加工誤差占總誤差的，在一般機械加工中，磨床潤滑油和磨削液每日變化是常見的現象。如磨削的零件，溫升將產生的誤差。精密加工鋁合金零件100mm長時，每溫度變化1。將產生的誤差。將要求確保的加工精度，環境溫度就需要控制在范圍內。25.減少機床熱變形的措施有哪些？答：1）盡量減少機床中的熱源：如機床主軸采用空氣軸承代替液體靜壓軸承以減少發熱量、使用發熱量小的電動機；將發熱器件放在機床床身外、如進給電動機和激光管放在機床床身外側等。2)采用熱膨脹系數小的材料制造機床部件，例如現在不少坐標測量機和超精密機床使用花崗巖、銦鋼、陶瓷、銦鋼鑄鐵、低熱膨脹系數的鑄鐵等做機床的關留部件。3）結構合

53、理化使在同樣的溫度變化條件下，機床的熱變形最小。4）使機床長期處在熱平衡狀態，使熱變形量成為恒定。5）使用大量恒溫液體澆淋，形成機床附近局部地區小環境的精密恒溫。26.美國LLL實驗室對大型超精密車床如何進行恒溫控制？達到什么水平？答：美國LLL實驗室放置超精密車床的恒溫室，一般是用鋁制框架和絕熱塑料護墻板做成的。操作者和機床間有透明塑料窗簾隔開，這樣可以防止周圍空氣侵入，可使機床附近局部空間恒溫更為穩定。LLL實驗室的LODTM大型超精密車床，安裝在恒溫室內，通循環的恒溫空氣、氣流量90m3/min。通風用離心式風機的19kw電機是該封閉系統內最大的熱源。使用兩級水冷式熱交換器，用測熱傳感器

54、測進入的空氣的溫度。反饋控制熱交換器的水流量，空氣溫度可控制在的變化范圍內。LODTM機床的重要部件的溫度是直接用恒溫水流來控制的。主軸的徑向和止推軸承都是帶夾層的，可以通過恒溫水流；橫梁上的錮鋼檢測基架也是中空可以通過恒溫水流。進人機床的恒溫水，流量為6.3L/s。通過熱交換器，改變冰冷水的流量，可以使恒油水的溫度變化控制在恒溫水是從水箱靠重力流入機床的。而不是用泵壓入，這樣可以避免泵的振動通過恒溫水流而傳到機床來。第五章1.試述精密加工中測量技術的新發展。答：精密加工中測量技術的新發展主要包括：1. 極高精度測量方法和測量儀器的發展近年研制成功測量長度時能達到級的雙頻激光測量系統和x射線事

55、涉儀等；測量表面微觀形貌達級的掃描隧道顯微鏡和原了力顯微鏡等，測量角度達到的精密測角儀等。2. 精密在線自動測量技術的發展 新的三坐標測量機都有精密數控系統，可以自動完成復雜零件的全部測量已是FMS中常用的測量裝備。在大最大批生產中使用著多種專用的自動儀量，不僅提高丁測量效率、而且保證了測量精度。3. 測量數據的自動采集處理技術的發展現在微電了技術、計算機拉技術已廣泛應用在精密測量中，測量結果已普遍采用數字顯示。很多測量儀器已配備數據處理軟件、使一些復雜的測量結果，數據處理后可以很直觀的顯示在計算機屏幕上，并打印出來。2.試述精密測量需要的環境條件。答：精密測量需要的環境條件有：1.恒溫條件由

56、丁各種廠程材料都有熱膨脹。恒溫是精密測量的必要條件。標準測量溫度是，可根據測量精度確定允許的溫度波動。如加工車間內不是標準溫度( )，有時被測零件不是室溫，這時測出的零件尺寸，需要考慮溫度變化造成的測量尺寸誤差，在測量結果中給予修正。2.隔振條件 進行精密測量時要避免振動引起的測量誤差，應盡可能采取各種減振隔振措施。3.氣壓、自重、運動加速度和其他環境條件當測量達到極高精度時，一些平時不考慮的問題包會影響測量精度。例如1m長的鋼棒在真空中的長度較在大氣中大。故如氣壓有明顯變化將造成測量誤差。100mm長的鋼棒垂直放置時，由于自重而使材料產生壓縮變形，長度約縮短。故在高空或海底測量的長度值將有誤

57、差。對運動物件有加速度時，接受力，將使尺寸測量有誤差。3.怎樣選擇量具和量儀的材料？答：選擇量具和量儀材料的原則有：1根據材料熱膨脹系數選擇 當量具和量儀使用于恒溫的計量室或要用于測量絕對長度時應選擇熱膨脹系數盡量小的材料制作，這可使環境溫度變化引起的尺寸誤差最小。 當量具和量儀在加工車間使用時，由于車間經常是溫度波動大，這時選用的量具和量儀材料其熱膨脹系數應盡量和被測件的熱膨脹系數接近，這時測量結果受環境溫度變化的影響最小，測量差最小。例如制造量塊常用淬火軸鋼，其熱膨脹系數和鋼制工件接近。硬質合金、花崗巖和某些陶瓷雖硬度高、耐磨，但熱膨脹系數和鋼差別大，不宜用于制造量塊。氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數和鋼接近