铣削加工的操作过程

6.1　精密加工和超精密加工

6.1.1　精密加工和超精密加工的基本概念

精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。可见，精密加工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在19世纪，加工工件尺寸公差为1μm的加工被称为超精密加工，而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公差为0.1～0.01μm数量级的加工方法。

6.1.2　精密加工和超精密加工的特点

1.加工方法

目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类：

● 切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等；

● 磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等；

● 特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等；

● 复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光等。

在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。

2.加工原则

一般加工时，机床的精度总是高于这被加工零件的精度，这一规律被称为“蜕化”原则。而对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。这种方法称为进化加工。

3.加工设备

加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。

定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。

设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。

4.切削性能

当精密切削的切深在1μm以下时，切深可能小于工件材料晶粒的尺寸，因此切削就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，于是刀具上的剪切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的剪切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。

5.加工环境

精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要求。

6.工件材料

用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。

7.加工与检测一体化

精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器。

6.1.3　精密加工和超精密加工方法

1.金刚石精密切削

1）概念

金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为0.1μm数量级和表面粗糙度Ra值为0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。

2）金刚石精密切削的机理

金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在0.1μm以下，切削常在晶粒内进行，要求切削力大于原子、分子间和结合力，剪切应力高达13000MPa。由于切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径可达0.02μm，因而可加工出粗糙度值很小的表面。而且金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层，因而可获得高的加工精度。

3）影响金刚石超精密切削的主要因素

（1）加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能等。

（2）金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刀口圆角半径尽可能小。理论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达1nm，实际仅到5nm。

（3）由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺陷。

（4）工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。

4）金刚石精密切削的应用

目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。例如，高密度硬磁盘的铝合金片基，表面粗糙度Ra可达0.003μm，平面度可达0.2μm。切削铁金属时，由于碳元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工质量。

2.砂带磨削

砂带磨削是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件表面进行磨削和抛光的一种新工艺。砂带磨床主要用来作为粗磨、去毛刺、大余量磨削、精磨、细磨、装饰抛光、无心磨以及成形磨削之用。在现代工业中，砂带磨削技术以其独具的加工特点被视为是一种很重要的加工方法。

1）砂带磨削原理

实现砂带磨削加工的主要方法有：砂带自由张紧法、带有接触轮的转动砂带法和接触板法。最常用的是带有接触轮的转动砂带法。每一种磨削方法都有闭式和开式两种方式，参见图6－1。

（1）闭式砂带磨削采用无接头或有接头的环形砂带，通过张紧轮撑紧，由电动机通过接触轮带动砂带高速回转，工件回转，砂带头架或工作台作纵向及横向进给运动，从而对工件进行磨削。这种方式效率高，但噪声大，易发热，可用于粗、半精和精加工。

（2）开式砂带磨削采用成卷砂带，由电机经减速机构通过卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与工件被加工表面接触，工件回转，砂带头架或工作台作纵向及横向进给，从而对工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定，磨削效果好，但效率不如闭式砂带磨削，多用于精密和超精密磨削中。

图6－1　砂带磨削方式

砂带磨削的基本部件有：

（1）主轴传动装置。有单速或具有较大灵活性的变速传动，有时装有可逆电动机，以改变砂带的运动方向。皮带速度为10～50m／min，通常取16～30m／min，主传动装置的功率，在每10mm宽的砂带上是0.3～0.7kW。

（2）砂带张紧装置。保持磨削及导向时砂带的适当张力在砂带磨削过程中起着重要的作用，它影响到砂带的切削性能和加工零件表面粗糙度。当增加砂带拉力时，可提高金属切除量，但同时也提高表面粗糙度值和磨料覆盖层的消耗量。经试验表明，砂带的张力在6～8N／mm范围内，在逆磨削时每次行程能切出最大的金属量。拉紧机构有各种形式，从简单的机械或弹簧方法到宽砂带与重负载磨削机床用的气动及液压拉紧装置。同时，为了获得最大的生产率，必须使更换砂带的时间最少，通常操作者能在1min之内更换砂带。

（3）砂带导向装置。砂带工作时，惰轮或张紧轮应当可以调整，使砂带定位及对中，根据砂带的宽度，这一装置可以手动或自动。砂带宽度大于200mm时，通常使用自动导向装置，使接触轮与张紧轮之间的砂带自动对正。

（4）接触轮。接触轮在磨削点上支承砂带，其本体是用铝或钢制成，轮上覆盖橡胶、纤维、毛毡或其他材料制造的弹性圈（厚度为3～15mm）。根据需要，可制成各种密度橡胶轮，轮的表面制成交错开槽式或平滑式。使用各种橡胶化合物作为接触轮的覆盖面，以满足一定的磨削要求。这些化合物包括：氯丁橡胶、乙烯树脂、硅酮橡胶、氯硫酸化聚乙烯合成橡胶。

（5）若在砂带后面安装一块型板（钢、硬质合金或铸铁平板）来代替接触轮，则可完成磨边、四边形、端面、平面及精磨工作，保证零件的平面度或直线性。

此外还有吸尘系统等。

2）砂带磨削特点

砂带与易损坏的工具如用于单刃车削、铣削、砂轮磨削等工具相比，具有下列特点：

（1）加工效率高。经过精选的针状砂粒采用先进的“静电植砂法”，使砂粒均匀直立于基底、且锋口向上、定向整齐排列，等高性好，容屑间隙大，接触面小，具有较好的切削性能。应用这一多刀多刃的切削工具进行磨削加工，对钢材的切除率已达每毫米宽砂带200～600mm³／min。

（2）加工表面质量高。砂带磨削时接触面小摩擦发热少，且磨粒散热时间间隔长，可以有效地减少工件变形及烧伤，故加工精度高，尺寸精度可达±0.002mm，平面度可达0.001mm。另外，砂带在磨削时是柔性接触，具有较好的磨削、研磨和抛光等多重作用，再加上磨削系统振动小，磨削速度稳定使得表面加工质量粗糙度值小，残余应力状态好，工件的粗糙度R_a可达0.4～0.1μm，且表面有均匀的粗糙度。但由于砂带不能修整，故砂带磨削加工精度比砂轮磨削略低。

（3）工艺灵活性大，适应性强。砂带磨削可以方便地用于平面、外圆、内圆磨削、复杂的异形面加工、切削余量20mm以下的粗加工磨削、去毛刺和为镀层零件的预加工、抛光表面、消除板坯表面缺陷、刃磨和研磨切削工具、消除焊接处的凸瘤、代替钳工作业的手工劳动。除了有各种通用、专用设备外，设计一个砂带磨头能方便地装于车床、刨床和铣床等常规现成设备上，不仅能使这些机床功能大为扩展，而且能解决一些难加工零件如超长、超大型轴类、平面零件、不规则表面等的精密加工。

（4）砂带有很大的弹性，因而整个系统有较高的抗振性。

（5）砂带尺寸可以很大，适用于大面积高效率加工，且设备简单，操作安全，使用维护方便，更换砂带和培训机床操作人员花费时间较少。

（6）在加工过程中砂带增长，外形和尺寸达不到高精度，加工零件上的尖锐突出部位和用细粒度磨料精磨困难，砂带的坚固性比较低，同时在大多数情况下砂带不可能修正，所以使用期限短。

3.油石抛光

油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨基甲酸（乙）酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光，能够加工出比较理想的镜面，这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、碳化硅、金刚石粉等，其加工表面粗糙度R_a可达0.005μm。

它的加工机理是微切削作用，当加工压力增加时，油石与加工表面的接触面积增加，参加微切削的磨粒也增加，但压力增加不能太大，否则被加工表面易产生划痕，甚至产生微裂纹。抛光时，油石与被加工表面之间可加润滑液。

油石抛光的工作原理如图6－2所示。加工时油石以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工。工件和油石共有三个无能运动，即工件低速回转运动、磨头轴向进给运动油石高速往复振动。这三种运动的合成使磨粒在工件表面上形成不重复的轨迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动，则磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线。

图6－2　油石抛光加工原理

4.珩磨

珩磨是用装有磨条（油石）的珩磨头对孔进行光整加工的方法。珩磨时，工件固定不动，装有几个磨条的珩磨头插入被加工孔中，并使磨条以一定的压力（0.4～2MPa）与孔壁接触。珩磨头由机床主轴带动旋转，同时沿轴向做往复运动，使磨条从孔壁上切除极薄的一层金属。由于磨条在工件表面上的切削轨迹是均匀而不重复的交叉网纹，因此可获得很高的精度和很小的表面粗糙度。珩磨时，为了及时排出切削，降低切削温度和减小表面粗糙度，需要大量的切削液。珩磨铸铁和钢件时，常用煤油加少量机油作切削液。珩磨后工件圆度和圆柱度一般可控制在0.003～0.005mm；尺寸精度可达IT5－IT6；表面粗糙度R_a为0.2～0.025μm。

珩磨一般在专门的珩磨机上进行。有时也将普通车床或立式钻床进行适当的改装，来完成珩磨加工。图6－3为珩磨加工示意图。

5.游离磨料抛光

游离磨料抛光是利用一个抛光工具作为参考表面，与被加工表面形成一定大小的间隙，并用一定粒度的磨料和抛光液来加工工件表面。如果加工设备精度较高，加工工具运用恰当，则加工精度可达0.01μm，表面粗糙度R_a可达0.005μm，平面度可达0.1μm。

游离磨料抛光加工方法有弹性发射加工、液体动力抛光、机械化学抛光、化学机械抛光等，如图6－4所示。

图6－3　珩磨加工示意图

图6－4　游离磨料抛光

超精密游离磨料抛光的机理是微切削和微塑性流动作用，抛光工具要与被加工表面形成一定大小的间隙，它不但提高被加工表面的质量，而且能提高其几何精度。

6.磁性研磨和微细加工技术

1）磁性研磨

图6－5是磁性研磨工件示意图。工件和磁极间放入含铁的刚玉等磁性磨料，在直流磁场的作用下，磁性磨料沿磁力线方向整齐排列，如同刷子一般对被加工表面施加压力，并保持加工间隙。研磨压力的大小随磁场密度及磁性磨料填充量的增大而增大，因此可以调节。研磨时，工件一面旋转，一面沿轴线方向振动，使磁性磨料与被加工表面之间产生相对运动。这种方法可以研磨轴类零件内外圆表面，也可以用来去毛刺，对钛合金的研磨效果较好。

图6－5　磁性研磨

2）微细加工技术

微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来说，微细加工包括了各种传统的精密加工方法（如切削加工、磨料加工等）及特种加工方法（如外延生长、光刻加工、电铸、激光束加工、电子束加工、离子束加工），它属于精密加工和超精密加工范畴。从狭义的角度来说，微细加工主要指半导体集成电路制造技术，因为微细加工技术的出现和发展与大规模集成电路有密切关系，其主要技术有外延生长、氧化、光刻、选择扩散和真空镀膜等。目前，微小机械发展十分迅速，它是用各种微细加工方法在集成电路基片上制造出各种微型运动的机械。

微细加工方法与精密加工方法一样，也分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工，大多数方法是共同的。由于微细加工与集成电路的制造关系密切，所以通常从机理上来分类，包括分离（去除）加工、结合加工、变形加工几种方法。

与精密加工相同，分离加工又分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工。

结合加工又可分为附着、注入、接合三类。附着指附加一层材料；注入是指表层经处理后产生物理、化学、力学性质变化，可统称为表面改性，或材料化学成分改变，或金相组织变化；接合指焊接、粘接等。

对于变形加工，主要指利用气体火焰、高频电流、热射线、电子束、激光、液流、气流和微粒子流等的力、热作用使材料产生变形而成形，是一种很有前途的微细加工方法。