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机械制造工艺与机床夹具. 第八章 现代制造技术. 第一节 精密超精密加工技术. 一、精密加工和超精密加工的界定 1 ．一般加工 指加工精度在 10µm 左右（ IT5~IT7 ）、表面粗糙度为 R a0.2µm~0.8µm 的加工方法， 如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。. 2 ．精密加工 指加工精度在 10µm ~0.1µm （ IT5 或 IT5 以上）、 R a<0.1µm 的加工方法， 如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。 3 ．超精密加工
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机械制造工艺与机床夹具 第八章 现代制造技术
第一节 精密超精密加工技术 一、精密加工和超精密加工的界定 • 1．一般加工 • 指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为Ra0.2µm~0.8µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。
2．精密加工 • 指加工精度在10µm ~0.1µm（IT5或IT5以上）、Ra<0.1µm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。 • 3．超精密加工 • 指加工精度在0.1µm ~0.01µm、Ra为0.01µm的加工方法，如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等
二、实现精密和超精密加工的条件 • 1．加工环境 • 恒温：温度增加l℃时，100mm长的钢件就可能会产生1µm的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都是微米级、亚微米级或更高。因此，为了保证加工区极高的热稳定性，精密加工和超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行
2．工具切（磨）削性能 • 精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄的金属层。当精密切削（或磨削）的ap<1µm时， ap可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，故作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具、磨具必需具有很高的硬度和耐磨性。
3．机床设备 • 高精密加工机床必须具备以下条件： • 主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性； • 进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行； • 为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位移精度极高的微量进给机构； • 采用微机控制系统，自适应控制系统。
4．工件材料 • 应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，不允许存在微观缺陷，有些零件甚至对材料组织的纤维化也有一定要求 • 5．测控技术 • 常常采用在线检测、在位检测、在线补偿、预测预报及适应控制等手段，测量仪器的精度一般总是要比机床的加工精度高一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统
三、精密加工和超精密加工的特点 • 加工都以精密元件、零件为加工对象 • 多学科综合技术 • 加工检测一体化 • 采用计算机控制、误差补偿、适应控制和工艺过程优化等生产自动化技术
四、常用的精密加工和超精密加工和细微加工方法四、常用的精密加工和超精密加工和细微加工方法 • 采用金刚石刀具对工件进行超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等； • 采用电化学加工、三束加工、微波加工、超声波加工等特种加工方法及复合加工。 • 微细加工是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。
（一）金刚石超精密切削 • 1．切削机理 • 金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得极高的精度和极低表面粗糙度参数值的一种超精密加工方法。 • 金刚石与有色金属的亲合力极低，摩擦系数小，切削时不产生积屑瘤
属于一种原子、分子级单位去除的加工。 • 切削时，其ap<lm，刀具可能处于工件晶粒内部切削状态。切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大的热量，造成刀刃的高应力、高温的工作状态。 • 金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。
超精密车削加工余量只有几微米，能否切除如此微薄的金属层，主要取决于刀具的锋利程度。锋利程度一般是以切削刃的刃口圆角半径ρ的大小来表示。超精密车削加工余量只有几微米，能否切除如此微薄的金属层，主要取决于刀具的锋利程度。锋利程度一般是以切削刃的刃口圆角半径ρ的大小来表示。 • 金刚石刀具不仅具有很好的高温强度和高温硬度，而且其材料本身质地细密，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，切削刃钝圆半径极小。
2．金刚石刀具的刃磨及切削参数 • 金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹持或粘接方式固定在刀体上构成的 • 金刚石刀具的刃磨是一个关键技术 • 单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径ρ则可达0.02µm • 金刚石精密切削铜和铝时 v＝200~500m/min αp＝0.002~0.003mm f＝0.01~0.04mm/r。
（二）精密磨削及金刚石超精密切削 • 精密磨削是指加工精度为1~0.1m，Ra为0.16~0.006m的磨削方法；而超精密磨削是指加工精度高于0.1m，Ra<0.04 ~0.02m的磨削方法。 • 1．精密磨削及超精密磨削的加工机理 • 精密磨削主要是靠对普通磨料砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，再加上无火花阶段微刃的滑挤、摩擦、抛光作用，获得高精度。
超精密磨削则是采用人造金刚石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮对工件进行磨削加工。超精密磨削则是采用人造金刚石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮对工件进行磨削加工。 • 磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到高温、高压的作用。 • 超精密磨削与普通磨削最大的区别是：径向进给量极小，是超微量切除，可能还伴有塑性流动和弹性破坏等作用。
2．金刚石砂轮的修整 • 细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性材料时，常常采用与特种加工工艺方法相结合的在线修整方法（in-process dressing），如，高压磨料水射流喷射修整法、电解修锐法、电火花修整法和超声振动修整法等
3．超精密磨床的技术要求 • 很高的主轴回转精度和很高的导轨直线度，以保证工件的几何形状精度；常常采用大理石导轨增加热稳定性 • 应配备有微进给机构，以保证工件尺寸精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性 • 工作台导轨低速运动的平稳性要好，不产生爬行、振动, 以保证砂轮修整质量和稳定的磨削过程
4．精密磨削及超精密磨削的应用 • 主要用于对钢铁等黑色金属材料的精密加工及超精密加工。 • 如果采用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮，还可对各种高硬度、高脆性材料（如硬质合金、陶瓷、玻璃等）和高温合金材料进行精密加工和超精加工。
（三）细微加工技术 • 微机械指尺寸为毫米级及更小的微型机械，而细微加工则是微机械、微电子技术发展之基础，是科技发展的重要方向 • 细微加工技术是指制造微小尺寸零件、部件和装置的加工和装配技术，属精密、超精密加工的范畴。其工艺技术包括：精密和超精密的切削与磨削方法；绝大多数的特种加工方法；与特种加工有机结合的复合加工方法等三类
常用的细微加工方法及其应用参见表8-1 • 细微加工技术例见教材所示电子束光刻和紫外线光刻加工 电子束曝光加工过程
光刻的主要工艺过程 半导体光刻工艺过程示意图
第二节 成组技术 一、成组技术的基本原理 • 1．现代机械工业的基本任务和特点 • 基本任务 • 充分利用现代科学技术最新成就，按照高效、优质、低成本的要求，不断生产出各种节能省料的新产品
基本特点 • 从历来单一品种的生产方式向多品种生产方式转化，从而使得多品种生产在机械工业的生产结构中占有绝对优势的比重 • 现代生产技术和制造过程必须拥有较高的自动化水平和灵活应变的能力，即实现生产技术和制造过程的柔性化
2．中、小批量生产的几种模式 • 传统的制造模式： 即用通用机床或专用工艺装备进行生产，产品质量和生产效率依赖于工艺装备和工人的技术水平 • 现代的制造模式：即计算机参与整个机械制造工业，实现CAD、CAPP、MIS、FMS、CIMS
3．成组技术的基本概念 • 传统小批量生产方式的缺点 • 产量小，生产周期长，限制了先进技术的采用，生产效率低 • 生产准备工作量大 • 生产计划、组织管理复杂化
零件的相似性原理和成组技术的诞生 • 大量统计资料表明，机械产品中相似件占70%（结构形状和加工工艺等相似） • 成组技术正是研究和利用了有关事物的相似性，将企业的各种产品、部件和零件，按一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础，组织生产环节，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造、管理的合理化
成组技术的实质 • 复杂而多样的事物或信息中，有许多问题具有相似性，把相似问题分组，就能使复杂问题简化，从而找出解决这一组问题的同一方法或答案，并节省时间和精力
实质：按零件的形状、尺寸、制造工艺的相似性，将零件分类归并成组（族），扩大零件的工艺批量，以便采用高效率的工艺方法和设备，使中小批量生产也能获得类似大批量流水生产的经济效益实质：按零件的形状、尺寸、制造工艺的相似性，将零件分类归并成组（族），扩大零件的工艺批量，以便采用高效率的工艺方法和设备，使中小批量生产也能获得类似大批量流水生产的经济效益 • 成组技术成了CAD、CAPP、CAM、FMS等的技术基础
5．成组技术在机械工业生产中的重要作用 • 提高设计工作的标准化与合理化，减少设计工作量 • 减少生产准备时间，提高生产效率 • 减少设备和工装的数量，降低成本 • 有利于生产管理科学化 • 稳定产品质量 • 成组技术是CAD、CAM的基础
二、常见分类编码系统 • 零件分类编码的基本原理 • 分类——把事物划分成不同组的过程 • 编码——对不同组的事物给予不同的代码 • 零件分类编码——抽象地反映零件名称、功能、结构、形状、工艺特性、精度等信息的代码（符号） • 编码法则——对代码代表的意义所作出的明确规定和说明
原理 • 成组技术的编码，必须充分反映机械零件的各种特征，这些特征包括：零件的结构和形状、各组成表面的类别及配置关系、零件材料及热处理、几何尺寸、加工精度和表面质量 • 代码必须能唯一地区分产品零件族
对零件分类编码系统的要求： • 充分、全面、准确地描述零件信息 • 系统逻辑层次分明，结构合理 • 容易被计算机理解和处理 • 考虑与CAD、CAM的链接和企业的应用要求 • 易于被工程人员理解，易于编程
代码结构的类型 • 层次式（又称单元码）：每一代码的含义都由前一级代码限定（各分支都必须定义） • 链式（矩阵式）（又称多元码）：码位上每一个数字都代表不同的信息，与前面的码位无关 • 混合式（层次式和链式混合）：综合层次式和混合式代码的长处
零件的编码系统 常用的分类编码系统有如下两种： • 奥匹兹（Opitz）分类编码系统 • 由德国亚琛工业大学的H·奥匹兹教授领导研制成功的
基本结构 奥匹兹代码采用混合式代码结构；由9位代码组成，前5位为几何码（又称主码），分别代表零件的种类、基本形状、回转表面加工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工；后4位为辅助码，分别代表主要尺寸（直径或边长）、材料类型、毛坯形状、加工精度；每一个码位有10个特征码
JLBM-1分类编码系统 • 这是“机械工业成组技术零件分类编码系统”的汉语拼音缩写 • 1985年由我国机械电子工业部设计研究总院负责制订
也是采用混合式代码结构；由15位代码组成，第1、2位代码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形状、热处理、主要尺寸、加工精度；每一个码位有10个特征码也是采用混合式代码结构；由15位代码组成，第1、2位代码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形状、热处理、主要尺寸、加工精度；每一个码位有10个特征码
