1、先進制造工藝技術先進制造工藝技術機械制造工藝的基本概念機械制造工藝的基本概念 機械制造工藝機械制造工藝是將各種原材料通過改變是將各種原材料通過改變其形狀、尺寸、性能或相對位置，使之其形狀、尺寸、性能或相對位置，使之成為成品或半成品的方法和過程成為成品或半成品的方法和過程 機械制造工藝流程機械制造工藝流程是由原材料和能源的是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、機械加工、材提供、毛坯和零件成形、機械加工、材料改性與處理、裝配與包裝、質量檢測料改性與處理、裝配與包裝、質量檢測與控制等多個工藝環節組成與控制等多個工藝環節組成機械制造工藝的基本概念機械制造工藝的基本概念 按其功能的不同，可將機械制造工

2、藝分按其功能的不同，可將機械制造工藝分為如下三個階段：為如下三個階段： 零件毛坯的成形準備階段零件毛坯的成形準備階段，包括原材料切割、，包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓加工成形等焊接、鑄造、鍛壓加工成形等 機械切削加工階段機械切削加工階段，包括車削、鉆削、銑削、，包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削加工等刨削、鏜削、磨削加工等 表面改性處理階段表面改性處理階段，包括熱處理、電鍍、化，包括熱處理、電鍍、化學鍍、熱噴涂、涂裝等學鍍、熱噴涂、涂裝等先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 制造加工精度不斷提高制造加工精度不斷提高 1818世紀，加工第一臺蒸汽機所用的汽缸鏜床，世紀，加工第一

3、臺蒸汽機所用的汽缸鏜床，其加工精度為其加工精度為1 mm1 mm 1919世紀末，機械制造精度也僅為世紀末，機械制造精度也僅為0.05mm0.05mm 到了到了2020世紀世紀5050年代末，實現了年代末，實現了mm 級的加工級的加工精度精度 在最近的一二十年時間內，機械制造加工精在最近的一二十年時間內，機械制造加工精度提高了度提高了1 12 2個數量級，達到個數量級，達到lOnmlOnm的精度水的精度水平平先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 切削加工速度迅速提高切削加工速度迅速提高 在在2020世紀前，切削刀具是以碳素鋼作為刀具材料，世紀前，切削刀具是以碳素鋼作為刀具材料，由于

4、其耐熱溫度低于由于其耐熱溫度低于200200，所允許的切削速度不，所允許的切削速度不超過超過lOmlOmminmin 2020世紀初，出現了高速鋼，其耐熱溫度為世紀初，出現了高速鋼，其耐熱溫度為500500600600，可允許的切削速度為，可允許的切削速度為303040m40mminmin 到了到了2020世紀世紀3030年代，硬質合金開始得到使用，刀具年代，硬質合金開始得到使用，刀具的耐熱溫度達到的耐熱溫度達到80080010001000，切削速度很快提高，切削速度很快提高到每分鐘數百米到每分鐘數百米 隨后，相繼使用了陶瓷刀具、金剛石刀具和立方氮隨后，相繼使用了陶瓷刀具、金剛石刀具和立方氮化

5、硼刀具，其耐熱溫度均在化硼刀具，其耐熱溫度均在10001000以上，切削速度以上，切削速度可達每分鐘一千至數千米可達每分鐘一千至數千米 先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 新型工程材料的應用推動了制造工藝的新型工程材料的應用推動了制造工藝的進步和變革進步和變革 超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材料、工程陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料料、工程陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料等新型材料的發展與應用，對制造工藝提出等新型材料的發展與應用，對制造工藝提出了新的挑戰了新的挑戰 近幾十年來發展了一系列特種加工工藝方法，近幾十年來發展了一系列特種加工工藝

6、方法，如：電火花加工、電解加工、超聲波加工、如：電火花加工、電解加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工和激光加工等電子束加工、離子束加工和激光加工等先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 自動化和數字化工藝裝備的發展提高了自動化和數字化工藝裝備的發展提高了機械加工的效率機械加工的效率 由于微電子、計算機、自動檢測和控制技術由于微電子、計算機、自動檢測和控制技術與制造工藝裝備相結合，使工藝裝備實現了與制造工藝裝備相結合，使工藝裝備實現了從單機到系統、從剛性到柔性、從簡單到復從單機到系統、從剛性到柔性、從簡單到復雜等不同檔次的多種自動化轉變，使工藝過雜等不同檔次的多種自動化轉變，使工藝

7、過程的檢測和控制方式和手段發生了質的變化，程的檢測和控制方式和手段發生了質的變化，可以使整個工藝過程和工藝參數得到實時的可以使整個工藝過程和工藝參數得到實時的優化，大大提高了加工制造的效率和質量優化，大大提高了加工制造的效率和質量先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 零件毛坯成形在向少無余量發展零件毛坯成形在向少無余量發展 零件毛坯成形是機械制造的第一道工序，有零件毛坯成形是機械制造的第一道工序，有鑄造、鍛造、沖裁、焊接和軋制等常用工藝鑄造、鍛造、沖裁、焊接和軋制等常用工藝 隨著人們對人類生存資源的節省和保護意識隨著人們對人類生存資源的節省和保護意識的提高，要求零件毛坯成形精度向少

8、、無余的提高，要求零件毛坯成形精度向少、無余量方向發展，使成形的毛坯接近或達到零件量方向發展，使成形的毛坯接近或達到零件的最終形狀和尺寸，磨削后即可參與裝配的最終形狀和尺寸，磨削后即可參與裝配 出現了熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、出現了熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫擠壓、精密焊接和精密切割等新工藝冷溫擠壓、精密焊接和精密切割等新工藝先進制造工藝的產生和發展先進制造工藝的產生和發展 優質清潔表面工程技術的形成和發展優質清潔表面工程技術的形成和發展 表面工程技術是通過表面涂覆、表面改性、表面工程技術是通過表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的復合處理，來改變零件表面加工及表面的復合處理，

9、來改變零件表面的形態、化學成分和組織結構，以獲表面的形態、化學成分和組織結構，以獲取與基體材料不同性能要求的一項應用技取與基體材料不同性能要求的一項應用技術術 近幾十年來，出現了如電刷鍍、化學鍍、近幾十年來，出現了如電刷鍍、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣象沉積、熱噴涂、物理氣相沉積、化學氣象沉積、熱噴涂、化學熱處理、激光表面處理、離子注入等化學熱處理、激光表面處理、離子注入等一系列先進表面處理技術一系列先進表面處理技術先進制造工藝的特點先進制造工藝的特點 優質優質以先進制造工以先進制造工藝加工制造出的產品藝加工制造出的產品質量高、性能好、尺質量高、性能好、尺寸精確、表面光潔、寸精確、表面光潔、組

10、織致密、無缺陷雜組織致密、無缺陷雜質、使用性能好、使質、使用性能好、使用壽命和可靠性高用壽命和可靠性高高效高效與傳統制造工與傳統制造工藝相比，先進制造工藝相比，先進制造工藝可極大地提高勞動藝可極大地提高勞動生產率，大大降低了生產率，大大降低了操作者的勞動強度和操作者的勞動強度和生產成本生產成本 低耗低耗先進制造工藝先進制造工藝可大大節省原材料消可大大節省原材料消耗，降低能源的消耗，耗，降低能源的消耗，提高了對日益枯竭的提高了對日益枯竭的自然資源的利用率自然資源的利用率 潔凈潔凈應用先進制造應用先進制造工藝可做到零排放或工藝可做到零排放或少排放，生產過程不少排放，生產過程不污染環境，符合日益污染

11、環境，符合日益增長的環境保護要求增長的環境保護要求超高速加工技術超高速加工技術 超高速加工技術的研究背景超高速加工技術的研究背景19311931年年4 4月德國切削物理學家薩洛蒙月德國切削物理學家薩洛蒙( (Carl Carl SalomonSalomon) )曾根據一些實驗曲線，即人們曾根據一些實驗曲線，即人們常提及的著名的常提及的著名的“薩洛蒙曲線薩洛蒙曲線” ，提出，提出了超高速切削的理論了超高速切削的理論Salomon提出的切削速度與切削溫度曲線提出的切削速度與切削溫度曲線 超高速切削概念示意圖超高速切削概念示意圖 超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術超高

12、速加工技術是指采用超硬材料刀具是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地實現高速運動的和磨具，利用能可靠地實現高速運動的高精度、高自動化和高柔性的制造設備，高精度、高自動化和高柔性的制造設備，以提高切削速度以提高切削速度來達到提高材料切除率、來達到提高材料切除率、加工精度和加工質量的先進加工技術加工精度和加工質量的先進加工技術不同加工工藝的切削不同加工工藝的切削速度范圍速度范圍 各種材料的切削速度范圍各種材料的切削速度范圍 超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術超高速加工技術經濟效益指標是：在經濟效益指標是：在保證加

13、工精度和加工質量的前提下，保證加工精度和加工質量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少將通常切削速度加工的加工時間減少9090，同時將加工費用減少，同時將加工費用減少5050，以，以此衡量高切削速度的合理性此衡量高切削速度的合理性超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術主要包括超高速加工技術主要包括超高速切削與磨削機理研究超高速切削與磨削機理研究超高速主軸單元制造技術超高速主軸單元制造技術超高速進給單元制造技術超高速進給單元制造技術超高速加工用刀具與磨具制造技術超高速加工用刀具與磨具制造技術超高速加工在線自動檢測與控制技術等超高速加工在線自動檢測與控制技術等 超高

14、速加工技術的定義與特征超高速加工技術的定義與特征超高速加工技術的特征超高速加工技術的特征切削力低切削力低 熱變形小熱變形小 材料切除率高材料切除率高 高精度高精度 減少工序減少工序 超高速加工技術的發展與應用超高速加工技術的發展與應用超高速加工技術的發展超高速加工技術的發展 自從德國自從德國SalomonSalomon博士提出高速切削概念以來，高速博士提出高速切削概念以來，高速切削加工技術的發展經歷了高速切削的理論探索、應切削加工技術的發展經歷了高速切削的理論探索、應用探索、初步應用、較成熟的應用四個發展階段用探索、初步應用、較成熟的應用四個發展階段 特別是特別是2020世紀世紀8080年代以

15、來，各工業國家相繼投人大年代以來，各工業國家相繼投人大量的人力和財力進行高速加工及其相關技術方面的研量的人力和財力進行高速加工及其相關技術方面的研究開發，在大功率高速主軸單元、高加減速進給系統、究開發，在大功率高速主軸單元、高加減速進給系統、超硬耐磨長壽命刀具材料、切屑處理和冷卻系統、安超硬耐磨長壽命刀具材料、切屑處理和冷卻系統、安全裝置以及高性能全裝置以及高性能CNCCNC控制系統和測試技術等方面均控制系統和測試技術等方面均取得了重大的突破，為高速切削加工技術的推廣和應取得了重大的突破，為高速切削加工技術的推廣和應用提供了基本條件用提供了基本條件超高速加工技術的發展與應用超高速加工技術的發展

16、與應用超高速加工技術的應用超高速加工技術的應用 高速切削加工目前主要用于高速切削加工目前主要用于汽車工業汽車工業大批生產、大批生產、難加工材料、超精密微細切削、復雜曲面加工等難加工材料、超精密微細切削、復雜曲面加工等不同的領域不同的領域 航空工業航空工業是高速加工的主要應用行業，飛機制造是高速加工的主要應用行業，飛機制造通常需切削加工長鋁合金零件、薄層腹板件等，通常需切削加工長鋁合金零件、薄層腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用鉚接工直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用鉚接工藝，從而降低飛機重量藝，從而降低飛機重量 模具制造模具制造是高速加工技術的主要收益者。當采用是高速加工技術的主

17、要收益者。當采用高轉速、高進給、低切削深度的加工方法時，對高轉速、高進給、低切削深度的加工方法時，對淬硬鋼模具型腔加工可獲得較佳的表面質量，可淬硬鋼模具型腔加工可獲得較佳的表面質量，可省去后續的電加工和手工研磨等工序省去后續的電加工和手工研磨等工序超高速切削加工的特點超高速切削加工的特點通常把切削速度比常規高通常把切削速度比常規高5 51010倍以上的倍以上的切削叫做切削叫做超高速切削超高速切削 超高速切削加工的優越性有以下幾點：超高速切削加工的優越性有以下幾點： 加工效率高。加工效率高。高速切削加工比常規切削加工的切削高速切削加工比常規切削加工的切削速度高速度高5 51010倍倍 切削力小。

18、切削力小。高速切削加工切削力至少可降低高速切削加工切削力至少可降低3030 熱變形小熱變形小加工精度高、加工質量好加工精度高、加工質量好加工過程穩定加工過程穩定減少后續加工工序減少后續加工工序良好的技術經濟效益良好的技術經濟效益超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速切削機床超高速切削機床 超高速切削機床是實現高速、超高速切削超高速切削機床是實現高速、超高速切削的必不可少的設備。超高速機床有以下五的必不可少的設備。超高速機床有以下五項基本要求：項基本要求：超高速的主軸部件超高速的主軸部件快速響應的數控系統快速響應的數控系統快速的進給部件快速的進給部件動、靜、熱剛度好的機床支承部件動、靜、

19、熱剛度好的機床支承部件高壓大流量噴射的冷卻系統和安全裝置高壓大流量噴射的冷卻系統和安全裝置超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速的主軸部件超高速的主軸部件在超高速數控機床中，幾乎無一例外地采用了在超高速數控機床中，幾乎無一例外地采用了主軸電機主軸電機與與機床主軸機床主軸合二為一的結構形式。即采用無外殼電機，合二為一的結構形式。即采用無外殼電機，將其空心轉子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定將其空心轉子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內，形成內裝式電機主軸，子則安裝在主軸單元的殼體內，形成內裝式電機主軸，簡稱電主軸簡稱電主軸超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸

20、、軸承和機架四超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，這四個部分構成一個動力學性能和穩定性個主要部分，這四個部分構成一個動力學性能和穩定性良好的系統良好的系統超高速電主軸結構超高速電主軸結構 超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速的主軸部件超高速的主軸部件 這種電主軸和以前用于內圓磨床的內裝式電這種電主軸和以前用于內圓磨床的內裝式電機主軸有很大的區別，主要表現在：有很大機主軸有很大的區別，主要表現在：有很大的驅動功率和扭矩的驅動功率和扭矩 ；有較寬的調速范圍；有較寬的調速范圍 ；有；有一系列監控主軸振動、軸承和電機溫升等運一系列監控主軸振動、軸承和電機溫升等運行參數

21、的傳感器、測試控制和報警系統，以行參數的傳感器、測試控制和報警系統，以確保主軸超高速運轉的可靠性與安全性確保主軸超高速運轉的可靠性與安全性 超高速主軸采用的軸承有滾動軸承、氣浮軸超高速主軸采用的軸承有滾動軸承、氣浮軸承、液體靜壓軸承和磁浮軸承幾種形式承、液體靜壓軸承和磁浮軸承幾種形式超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速機床的數控系統超高速機床的數控系統 超高速切削對數控系統的要求不斷提高，最超高速切削對數控系統的要求不斷提高，最基本的要求是保證高精度、高速度基本的要求是保證高精度、高速度 為了適應高速，要求為了適應高速，要求單個程序段處理時間短單個程序段處理時間短 為了在高速下保證加

22、工精度，要有前饋和大為了在高速下保證加工精度，要有前饋和大量的超前程序段處理功能量的超前程序段處理功能 要求快速形成刀具路徑，此路徑應盡可能圓要求快速形成刀具路徑，此路徑應盡可能圓滑，走樣條曲線而不是逐點跟蹤，少轉折點、滑，走樣條曲線而不是逐點跟蹤，少轉折點、無尖轉點無尖轉點 程序算法應保證高精度；碰到干擾能迅速調程序算法應保證高精度；碰到干擾能迅速調整，保持合理的進給速度，避免刀具振動等整，保持合理的進給速度，避免刀具振動等超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速機床的進給系統超高速機床的進給系統 超高速切削在提高主軸速度的同時必須提高超高速切削在提高主軸速度的同時必須提高進給速度，并

23、且要求進給運動能在瞬時達到進給速度，并且要求進給運動能在瞬時達到高速和瞬時準停等高速和瞬時準停等 超高速切削機床的進給系統不僅要能達到很超高速切削機床的進給系統不僅要能達到很高的進給速度，還要求進給系統具有大的加高的進給速度，還要求進給系統具有大的加速度以及高的定位精度速度以及高的定位精度 超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速機床的進給系統超高速機床的進給系統更先進、更高速的直線電動機已經發展起來，它可以更先進、更高速的直線電動機已經發展起來，它可以取代滾珠絲杠傳動，提供更高的進給速度和更好的加、取代滾珠絲杠傳動，提供更高的進給速度和更好的加、減速特性減速特性直線電機直接驅動的優點是

24、：直線電機直接驅動的優點是：控制特性好、增益大、控制特性好、增益大、滯動小，在高速運動中保持較高位移精度；滯動小，在高速運動中保持較高位移精度；高運動高運動速度，因為是直接驅動，最大進給速度可高達速度，因為是直接驅動，最大進給速度可高達100100180 180 m/minm/min；高加速度，由于結構簡單、質量輕，可實現高加速度，由于結構簡單、質量輕，可實現的最大加速度高達的最大加速度高達2 210g10g；無限運動長度；無限運動長度；定位精定位精度和跟蹤精度高，以光柵尺為定位測量元件，采用閉度和跟蹤精度高，以光柵尺為定位測量元件，采用閉環反饋控制系統，工作臺的定位精度高達環反饋控制系統，工

25、作臺的定位精度高達0.10.10.010.01；起動推力大起動推力大( (可達可達12000N12000N) )；由于無傳動環節，因而由于無傳動環節，因而無摩擦、無往返程空隙，且運動平穩無摩擦、無往返程空隙，且運動平穩超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速機床的支承部件超高速機床的支承部件 超高速加工機床的支承制造技術是指超高速超高速加工機床的支承制造技術是指超高速加工機床的支承構件如床身、立柱、箱體、加工機床的支承構件如床身、立柱、箱體、工作臺、底座、托板、刀架等的制造技術工作臺、底座、托板、刀架等的制造技術 由于超高速加工機床同時需要高主軸轉速、由于超高速加工機床同時需要高主軸轉速

26、、高進給速度、高加速度，又要求用于高精度高進給速度、高加速度，又要求用于高精度的零部件加工，因而集的零部件加工，因而集“三高三高”( (高速度、高速度、高精度、高剛度高精度、高剛度) )于一身就成為超高速加工于一身就成為超高速加工機床的最主要特征機床的最主要特征超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速機床的冷卻系統超高速機床的冷卻系統 超高速加工時，必然產生大量的高溫熱超高速加工時，必然產生大量的高溫熱切屑，必須把它迅速從工作臺上弄走，切屑，必須把它迅速從工作臺上弄走，避免導致機床、工件和刀具產生熱變形，避免導致機床、工件和刀具產生熱變形，以及妨礙切削加工的繼續進行以及妨礙切削加工的繼續

27、進行超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速切削的刀具系統超高速切削的刀具系統 超高速切削加工刀具系統超高速切削加工刀具系統由刀具材料、刀具幾何角度由刀具材料、刀具幾何角度與形狀、刀體結構與刀片夾緊結構、刀具與機床的聯與形狀、刀體結構與刀片夾緊結構、刀具與機床的聯結、刀具的冷卻及切屑的清除、刀具工況監控等組成結、刀具的冷卻及切屑的清除、刀具工況監控等組成 刀具系統具有如下特點刀具系統具有如下特點 刀片在刀體上的定位夾緊牢固、安全，刀具與機床的聯結可刀片在刀體上的定位夾緊牢固、安全，刀具與機床的聯結可靠靠 超高速切削加工的切削力隨著切削速度的提高而降低約超高速切削加工的切削力隨著切削速度的

28、提高而降低約3030切削溫度隨著切削速度的提高而緩慢提高切削溫度隨著切削速度的提高而緩慢提高 刀具磨損主要由切削溫度、刀具刀具磨損主要由切削溫度、刀具切屑之間和刀具工件之切屑之間和刀具工件之間的相對速度決定的間的相對速度決定的 超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料超高速切削的關鍵技術超高速切削的關鍵技術超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料 超高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親超高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小，并且具有優異的機械性能、熱穩定性、抗合力要小，并且具有優異的機械性能、熱穩定性、抗沖擊性和耐磨性沖擊性和耐磨性涂層刀具材料涂層刀具材料。涂層刀具通過

29、在刀具基體上涂覆金屬化合物。涂層刀具通過在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠高于基體的表面硬度和優良的切削性能薄膜，以獲得遠高于基體的表面硬度和優良的切削性能金屬陶瓷刀具材料金屬陶瓷刀具材料。金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬。金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性度及良好的耐磨性陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩。陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類大類PCDPCD刀具材料刀具材料。 PCDPCD是在高溫高壓條件下通過金屬結合劑是在高溫高壓條件下通過金屬結合劑( (如如CoCo等等) )將金剛石微粉聚合而成的多晶材料將金剛石微粉聚合而成的多

30、晶材料CBNCBN刀具材料。刀具材料。CBNCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可承受刀具具有極高的硬度及紅硬性，可承受高切削速度，適用于超高速加工鋼鐵類工件高切削速度，適用于超高速加工鋼鐵類工件 超高速磨削的機理超高速磨削的機理超高速切削機床超高速切削機床 磨削加工按砂輪線速度磨削加工按砂輪線速度VsVs的高低可分為普通的高低可分為普通磨削磨削( (VsVs303040 m/s40 m/s) ) 和高速磨削和高速磨削( (Vs45 Vs45 m/sm/s) ) 兩類兩類 為了與為了與20 20 世紀世紀80 80 年代以前速度不超過年代以前速度不超過8080120 m/s 120 m/s 的一

31、般高速磨削相區別的一般高速磨削相區別, , 通常將速通常將速度為普通磨削速度度為普通磨削速度5 5 倍以上倍以上( (即即Vs150 m/sVs150 m/s) ) 的高速磨削稱為的高速磨削稱為超高速磨削超高速磨削（Super-High Super-High Speed Grinding Speed Grinding 或或Ultra-High Speed GrindingUltra-High Speed Grinding）超高速磨削的特點超高速磨削的特點 大幅度提高磨削效率大幅度提高磨削效率 磨削力小磨削力小 降低加工工件表面粗糙度降低加工工件表面粗糙度 砂輪壽命延長砂輪壽命延長 改善加工表面

32、完整性改善加工表面完整性 超高速磨削的關鍵技術超高速磨削的關鍵技術超高速主軸超高速主軸 高速磨削主軸上要有連續自動動平衡系統，高速磨削主軸上要有連續自動動平衡系統，以便能把動不平衡引起的振動降低到最小程以便能把動不平衡引起的振動降低到最小程度度機電動平衡系統機電動平衡系統 超高速磨削的關鍵技術超高速磨削的關鍵技術超高速磨削砂輪超高速磨削砂輪 超高速磨削用砂輪應具有強度高、抗沖擊強超高速磨削用砂輪應具有強度高、抗沖擊強度高、耐熱性好、微破碎性好、雜質含量低度高、耐熱性好、微破碎性好、雜質含量低等優點等優點 高速磨削砂輪的基體設計必須考慮高轉速時高速磨削砂輪的基體設計必須考慮高轉速時離心力的作用，

33、并根據應用場合進行優化離心力的作用，并根據應用場合進行優化高速砂輪的結構和形狀優化高速砂輪的結構和形狀優化 超高速磨削的關鍵技術超高速磨削的關鍵技術超高速磨削砂輪超高速磨削砂輪 超高速砂輪的修整超高速砂輪的修整 在磨削過程中，砂輪變鈍或由于磨損而失去正確在磨削過程中，砂輪變鈍或由于磨損而失去正確的幾何形狀，必須進行及時修整。修整分為整形的幾何形狀，必須進行及時修整。修整分為整形和修銳兩個過程。整形是使砂輪達到要求的幾何和修銳兩個過程。整形是使砂輪達到要求的幾何形狀和精度。修銳就是使磨粒凸出結合劑，產生形狀和精度。修銳就是使磨粒凸出結合劑，產生必要的容屑空間，使砂輪達到較佳的磨削能力必要的容屑空

34、間，使砂輪達到較佳的磨削能力 常用的整形方法有車削法、磨削法、金剛石滾輪常用的整形方法有車削法、磨削法、金剛石滾輪法，電火花和激光法等新的整形法也正在研究中法，電火花和激光法等新的整形法也正在研究中超高速磨削的關鍵技術超高速磨削的關鍵技術超高速磨削的磨削液及其注入系統超高速磨削的磨削液及其注入系統 磨削液分為兩大類：油基磨削液和水基磨削磨削液分為兩大類：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液潤滑性優于液（包括乳化液）。油基磨削液潤滑性優于水基磨削液，但水基磨削液冷卻效果好水基磨削液，但水基磨削液冷卻效果好 常用的磨削液注入方法有：手工供液法、澆常用的磨削液注入方法有：手工供液法、澆注

35、法、高壓噴射法、空氣擋板輔助截斷氣流注法、高壓噴射法、空氣擋板輔助截斷氣流法、砂輪內冷卻法、利用開槽砂輪法等。為法、砂輪內冷卻法、利用開槽砂輪法等。為提高冷卻潤滑效果，通常將多種方法綜合使提高冷卻潤滑效果，通常將多種方法綜合使用用 超精密加工技術超精密加工技術超精密加工技術的技術范圍超精密加工技術的技術范圍超精密加工機理超精密加工機理超精密加工是從被加工表面去除一超精密加工是從被加工表面去除一層微量的表面層，包括超精密切削、超精密磨削和超層微量的表面層，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特種加工等。當然，超精密加工也應服從一般加精密特種加工等。當然，超精密加工也應服從一般加工方法的普遍規律，但

36、也有不少其自身的特殊性，如工方法的普遍規律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨損、積屑瘤的生成規律、磨削機理、加工參刀具的磨損、積屑瘤的生成規律、磨削機理、加工參數對表面質量的影響等數對表面質量的影響等超精密加工的刀具、磨具及其制備技術超精密加工的刀具、磨具及其制備技術包括金剛石包括金剛石刀具的制備和刃磨、超硬砂輪的修整以及相應的高精刀具的制備和刃磨、超硬砂輪的修整以及相應的高精度、高剛度夾具的制備等是超精密加工的重要的關鍵度、高剛度夾具的制備等是超精密加工的重要的關鍵技術技術超精密加工機床設備超精密加工機床設備超精密加工對機床設備有高精超精密加工對機床設備有高精度、高剛度、高的抗振性、高穩

37、定性和高自動化的要度、高剛度、高的抗振性、高穩定性和高自動化的要求，具有微量進給機構求，具有微量進給機構超精密加工技術的技術范圍超精密加工技術的技術范圍精密測量及補償技術精密測量及補償技術超精密加工必須有相應級別的測超精密加工必須有相應級別的測量技術和裝置，形成加工和檢測一體化。檢測有三種方量技術和裝置，形成加工和檢測一體化。檢測有三種方法：離線檢測、在位檢測、在線檢測。目前，高精度的法：離線檢測、在位檢測、在線檢測。目前，高精度的尺寸、形狀、位置精度可采用電子測微儀、電感測微儀、尺寸、形狀、位置精度可采用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀、自準直儀、激光干涉儀來測量。表面粗糙電容測微儀、自準

38、直儀、激光干涉儀來測量。表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀進行接觸測量。度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀進行接觸測量。表面應力、表面微裂紋、表面變質層深度缺陷可用表面應力、表面微裂紋、表面變質層深度缺陷可用X X光光衍射法、激光干涉法、超聲波法來測量衍射法、激光干涉法、超聲波法來測量嚴格的工作環境嚴格的工作環境超精密加工必須在超穩定的工作環境超精密加工必須在超穩定的工作環境下進行，才能達到在精度和表面質量上的技術參數，加下進行，才能達到在精度和表面質量上的技術參數，加工環境的極微小的變化都可能影響加工精度。因而，超工環境的極微小的變化都可能影響加工精度。因而，超精密加工必須具備各種物

39、理效應恒定的工作環境，工作精密加工必須具備各種物理效應恒定的工作環境，工作環境的條件主要有溫度、濕度、凈化、防震等方面的要環境的條件主要有溫度、濕度、凈化、防震等方面的要求，如恒溫室、凈化間、防振和隔振地基等；有時尚有求，如恒溫室、凈化間、防振和隔振地基等；有時尚有噪聲、光、靜電、電磁、放射線等方面的特殊要求噪聲、光、靜電、電磁、放射線等方面的特殊要求超精密加工的應用與發展超精密加工的應用與發展在超精密加工技術方面，美國是開展研究最早的在超精密加工技術方面，美國是開展研究最早的國家，也是迄今處于世界領先地位的國家。早在國家，也是迄今處于世界領先地位的國家。早在5050年代末，由于航天等尖端技術

40、發展的需要，美年代末，由于航天等尖端技術發展的需要，美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，并國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面非球面大型零件球面非球面大型零件日本在用于聲、光、圖象、辦公設備中的小型、日本在用于聲、光、圖象、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，是更加先進和具有優勢的，甚至超過了美國是更加先進和具有優勢的，甚至超過了美國超精密加工的應

41、用與發展超精密加工的應用與發展我國的超精密加工技術在我國的超精密加工技術在7070年代末期有了長足進年代末期有了長足進步，步，8080年代中期出現了具有世界水平的超精密機年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等器等 超精密加工技術超精密加工技術發展趨勢發展趨勢是：向更高精度、更高是：向更高精度、更高效率方向發展；向大型化、微型化方向發展；向效率方

42、向發展；向大型化、微型化方向發展；向加工檢測一體化方向發展；機床向多功能模塊化加工檢測一體化方向發展；機床向多功能模塊化方向發展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、方向發展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料新方法、新材料 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削超精密切削主要是指超精密金剛石刀具切削，例主要是指超精密金剛石刀具切削，例如加工各種鏡面等。超精密切削是一項內容廣泛如加工各種鏡面等。超精密切削是一項內容廣泛的新技術，它的加工精度和表面質量是由所使用的新技術，它的加工精度和表面質量是由所使用的機床設備、金剛石刀具、加工工藝、測量和誤的機床設備、金剛石刀具、加工工藝、測量

43、和誤差補償技術、操作者的水平以及環境條件來決定差補償技術、操作者的水平以及環境條件來決定的。金剛石刀具是其中非常重要的一項，它是精的。金剛石刀具是其中非常重要的一項，它是精密超精密切削的關鍵密超精密切削的關鍵金剛石刀具超精密加工技術，主要應用于兩個方金剛石刀具超精密加工技術，主要應用于兩個方面：單件的大型超精密零件的切削加工和大量生面：單件的大型超精密零件的切削加工和大量生產的中小型零件的超精密加工技術產的中小型零件的超精密加工技術 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削對刀具的要求超精密切削對刀具的要求極高的硬度、耐用度和彈性模量極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀，以保證刀具有很長的壽

44、命和很高的尺寸耐用度具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度刃口能磨得極其鋒銳，刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小刃口半徑值極小，能，能實現超薄的切削厚度實現超薄的切削厚度刀刃無缺陷刀刃無缺陷，因切削時刃形將復印在加工表，因切削時刃形將復印在加工表面上，而不能得到超光滑的鏡面面上，而不能得到超光滑的鏡面與工件材料的抗粘結性好、化學親和性小、與工件材料的抗粘結性好、化學親和性小、摩擦因數低摩擦因數低，能得到極好的加工表面完整性，能得到極好的加工表面完整性超精密切削加工超精密切削加工 金剛石刀具的性能特征金剛石刀具的性能特征具有極高的硬度具有極高的硬度能磨出及其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、能磨出及其鋒銳

45、的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現象崩刃等現象 熱化學性能優越，具有導熱性能好，與有色熱化學性能優越，具有導熱性能好，與有色金屬間的摩擦因數低、親和力小的特征金屬間的摩擦因數低、親和力小的特征 耐磨性好，刀刃強度高耐磨性好，刀刃強度高 超精密切削加工超精密切削加工 刀刃半徑對加工質量的影響刀刃半徑對加工質量的影響刀刃刃口半徑越小，刀刃鋒銳度越好。實際刀刃刃口半徑越小，刀刃鋒銳度越好。實際生產中，刀刃鋒銳度對加工質量有很大的影生產中，刀刃鋒銳度對加工質量有很大的影響，經實驗和生產證明，它主要表現在以下響，經實驗和生產證明，它主要表現在以下幾個方面：幾個方面：刀刃鋒銳度越好，刀刃鋒銳度越好，加工表

46、面粗糙度值越小加工表面粗糙度值越小刀刃鋒銳度越好，刀刃鋒銳度越好，切削變形和切削力越小切削變形和切削力越小刀刃鋒銳度越好，切削表面層的刀刃鋒銳度越好，切削表面層的冷硬現象和組織冷硬現象和組織位錯現象越小位錯現象越小刀刃鋒銳度越好，刀刃鋒銳度越好，加工表面殘留應力越小加工表面殘留應力越小超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削超精密磨削，是指加工精度達到或高，是指加工精度達到或高于于 、表面粗糙度低于、表面粗糙度低于 的一種亞的一種亞微米級加工方法，并正向納米級發展微米級加工方法，并正向納米級發展超精密磨削的關鍵在于砂輪的選擇、砂超精密磨削的關鍵在于砂輪的選擇、砂輪的修整、磨削用量和高精度的磨削

47、機輪的修整、磨削用量和高精度的磨削機床床 磨削加工磨削加工可分為砂輪磨削、砂帶磨削，可分為砂輪磨削、砂帶磨削，以及研磨、珩磨和拋光等加工方法以及研磨、珩磨和拋光等加工方法0.1 m0.025aRm超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂輪超精密磨削砂輪 在超精密磨削中所使用的砂輪，其材在超精密磨削中所使用的砂輪，其材料多為金剛石、立方氮化硼磨料，因料多為金剛石、立方氮化硼磨料，因其硬度極高，故一般稱為其硬度極高，故一般稱為超硬磨料砂超硬磨料砂輪輪 超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂輪超精密磨削砂輪 超精密磨削砂輪的修整超精密磨削砂輪的修整在線電解修整法在線電解修整法（Electrol

48、ytic in-Process Electrolytic in-Process DressingDressing， ELIDELID）。）。 砂輪通過電刷接電源正極砂輪通過電刷接電源正極, , 根據砂輪的形狀制造一個導電性能良好的電極根據砂輪的形狀制造一個導電性能良好的電極接電源的負極接電源的負極, , 電極與砂輪表面之間有一定的間電極與砂輪表面之間有一定的間隙隙, , 從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進入從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進入該間隙后該間隙后, , 在電流的作用下在電流的作用下, , 砂輪的金屬基體作為砂輪的金屬基體作為陽極被電解陽極被電解, , 使砂輪中的磨粒露出表面使砂

49、輪中的磨粒露出表面, , 形成一定形成一定的出刃高度和容屑空間的出刃高度和容屑空間, , 隨著電解過程的進行隨著電解過程的進行, , 在在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜, , 阻止電解過程的阻止電解過程的繼續進行繼續進行, , 使砂輪損耗不致太快。當砂輪表面的使砂輪損耗不致太快。當砂輪表面的磨粒磨損后磨粒磨損后, , 鈍化膜被工件材料刮擦去除繼續進鈍化膜被工件材料刮擦去除繼續進行行, , 以對砂輪表面進一步修整以對砂輪表面進一步修整超精密磨削加工超精密磨削加工 電火花修整法電火花修整法（Electric Spark DressingElectric Spark Dress

50、ing）。將）。將電源的正、負極分別接于被修整超硬磨料砂輪電源的正、負極分別接于被修整超硬磨料砂輪和修整器和修整器( (石墨電極石墨電極) )，其原理是電火花放電加，其原理是電火花放電加工。電火花整形過程中，鐵基結合劑砂輪與工工。電火花整形過程中，鐵基結合劑砂輪與工具電極間產生的電火花放電脈沖在砂輪表面形具電極間產生的電火花放電脈沖在砂輪表面形成放電凹坑。在重復放電過程中，放電凹坑相成放電凹坑。在重復放電過程中，放電凹坑相互重疊，逐漸將砂輪修整到所需形狀互重疊，逐漸將砂輪修整到所需形狀超精密磨削加工超精密磨削加工 激光修銳技術激光修銳技術（Laser Assisted DressingLase

51、r Assisted Dressing）利用光學系統把激光束聚焦成極小的光斑利用光學系統把激光束聚焦成極小的光斑作用于砂輪表面，可在極短的時間內使砂作用于砂輪表面，可在極短的時間內使砂輪局部表面的材料熔化或氣化。用激光修輪局部表面的材料熔化或氣化。用激光修整超硬磨料砂輪時，如果激光功率密度足整超硬磨料砂輪時，如果激光功率密度足夠高，可同時去除砂輪表面的磨粒和結合夠高，可同時去除砂輪表面的磨粒和結合劑，通過控制砂輪的運動參數，使砂輪獲劑，通過控制砂輪的運動參數，使砂輪獲得精確的幾何形狀，達到整形的目的得精確的幾何形狀，達到整形的目的超精密磨削加工超精密磨削加工 磨削速度和磨削液磨削速度和磨削液金

52、剛石金剛石砂輪磨削速度砂輪磨削速度一般不能很高，根據磨削方式、砂一般不能很高，根據磨削方式、砂輪結合劑和冷卻情況的不同，其磨削速度為輪結合劑和冷卻情況的不同，其磨削速度為121230m30ms s。磨削速度太低，單顆磨粒的切屑厚度過大，不但使。磨削速度太低，單顆磨粒的切屑厚度過大，不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金剛石砂輪磨損增加；工件表面粗糙度值增加，而且也使金剛石砂輪磨損增加；磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削溫磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削溫度將隨之升高，而金剛石的熱穩定性只有度將隨之升高，而金剛石的熱穩定性只有700700800800，因此金剛石砂輪的磨

53、損也會增加。所以，應根據具體情因此金剛石砂輪的磨損也會增加。所以，應根據具體情況選擇合適磨削速度況選擇合適磨削速度 磨削液磨削液被分為油性液和水溶性液兩大類，油性液主要成被分為油性液和水溶性液兩大類，油性液主要成分是礦物油，其潤滑性能好，主要有全損耗系統油（機分是礦物油，其潤滑性能好，主要有全損耗系統油（機油）、煤油、輕質柴油等；水溶性液主要成分是水，其油）、煤油、輕質柴油等；水溶性液主要成分是水，其冷卻性能好，主要有乳化液、無機鹽水溶液、化學合成冷卻性能好，主要有乳化液、無機鹽水溶液、化學合成液等液等超精密研磨、拋光加工超精密研磨、拋光加工 研磨研磨時，研具在一定的壓力下與加工面作時，研具在

54、一定的壓力下與加工面作復雜的相對運動。研具和工件之間的磨粒復雜的相對運動。研具和工件之間的磨粒和研磨劑在相對運動中，分別起機械切削和研磨劑在相對運動中，分別起機械切削作用和物理、化學作用，使磨粒能從工作作用和物理、化學作用，使磨粒能從工作表面上切去極微薄的一層材料。從而得到表面上切去極微薄的一層材料。從而得到極高尺寸精度和精確的表面極高尺寸精度和精確的表面拋光拋光也和研磨一樣，是將研磨劑擦抹在拋也和研磨一樣，是將研磨劑擦抹在拋光器上對工件進行拋光加工光器上對工件進行拋光加工 超精密特種加工超精密特種加工 激光束加工激光束加工激光加工激光加工是一種利用材料在激光聚焦照射是一種利用材料在激光聚焦照

55、射下瞬時急劇熔化和氣化，并產生很強的沖下瞬時急劇熔化和氣化，并產生很強的沖擊波，使被熔化的物質爆炸式地噴濺來實擊波，使被熔化的物質爆炸式地噴濺來實現材料去除的加工技術現材料去除的加工技術固體激光器的結構示意圖固體激光器的結構示意圖 超精密特種加工超精密特種加工 電子束加工電子束加工電子束加工電子束加工是在真空條件下，利用電子槍中是在真空條件下，利用電子槍中產生的電子經加速、聚焦后形成的能量密度產生的電子經加速、聚焦后形成的能量密度極高的電子束流，以極高的速度轟擊到工件極高的電子束流，以極高的速度轟擊到工件被加工部位極小面積上，在極短時間（幾分被加工部位極小面積上，在極短時間（幾分之一微秒）內，

56、其能量大部分轉換為熱能，之一微秒）內，其能量大部分轉換為熱能，導致該部位的材料達到攝氏幾千度以上的高導致該部位的材料達到攝氏幾千度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化或氣化，被真溫，從而引起材料的局部熔化或氣化，被真空系統抽走；或者利用能量密度較低的電子空系統抽走；或者利用能量密度較低的電子束轟擊高分子材料，使它的分子鏈切斷或重束轟擊高分子材料，使它的分子鏈切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學性質和分新聚合，從而使高分子材料的化學性質和分子量產生變化，進行加工子量產生變化，進行加工超精密特種加工超精密特種加工 離子束加工離子束加工在真空條件下，將離子源產生的離子束經在真空條件下，將離子源產生的

57、離子束經過加速聚焦，使之打擊到工件表面，從而過加速聚焦，使之打擊到工件表面，從而對工件進行加工。對工件進行加工。 離子束加工按照其所利用的物理效應和達離子束加工按照其所利用的物理效應和達到的目的不同，可以分為四類，即利用離到的目的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊效應和濺射效應的子撞擊效應和濺射效應的離子刻蝕離子刻蝕、離子離子濺射沉積濺射沉積、離子鍍離子鍍以及利用注入效應的以及利用注入效應的離離子注入子注入。前兩種屬于成形加工，后兩種屬。前兩種屬于成形加工，后兩種屬于特殊表面層制備于特殊表面層制備 超精密加工機床設備超精密加工機床設備 超精密加工機床應具有：高精度、高剛超精密加工機床應具有：高

58、精度、高剛度、高穩定性、高自動化的特征度、高穩定性、高自動化的特征 精密主軸部件精密主軸部件超精密機床的主軸廣泛采用液體靜壓軸承和空氣超精密機床的主軸廣泛采用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承靜壓軸承典型液體靜壓軸承主軸結構原理圖典型液體靜壓軸承主軸結構原理圖 超精密加工機床設備超精密加工機床設備 床身和精密導軌床身和精密導軌床身是機床的基礎部件，應具有抗振衰減能床身是機床的基礎部件，應具有抗振衰減能力強、熱膨脹系數低、尺寸穩定性好的要求力強、熱膨脹系數低、尺寸穩定性好的要求超精密機床導軌部件要求有極高的直線運動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，精度，不能有

59、爬行，導軌偶合面不能有磨損，因而液體靜壓導軌、氣浮導軌和空氣靜壓導因而液體靜壓導軌、氣浮導軌和空氣靜壓導軌，均具有運動平穩、無爬行、摩擦因數接軌，均具有運動平穩、無爬行、摩擦因數接近于零的特點，在超精密機床中得到廣泛的近于零的特點，在超精密機床中得到廣泛的使用使用超精密加工機床設備超精密加工機床設備 微量進給裝置微量進給裝置 高精度微量進給裝置是超精密機床的一個關高精度微量進給裝置是超精密機床的一個關鍵裝置，它對實現超薄切削、高精度尺寸加鍵裝置，它對實現超薄切削、高精度尺寸加工和實現在線誤差補償有著十分重要的作用。工和實現在線誤差補償有著十分重要的作用。目前，高精度微量進給裝置分辨率已可達到目

60、前，高精度微量進給裝置分辨率已可達到0.0010.0010.010.01微量進給裝置有機械或液壓傳動式、彈性變微量進給裝置有機械或液壓傳動式、彈性變形式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮形式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式、壓電陶瓷式等多種結構形式式、壓電陶瓷式等多種結構形式m微細加工技術微細加工技術 微機械概述微機械概述 微機械概念微機械概念微機械微機械在美國常稱之為微型機電系統在美國常稱之為微型機電系統( (Micro Micro Electro-Machanical SystemsElectro-Machanical Systems，MEMSMEMS) )，在日，在日本稱為微機械本稱