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            精密加工方法與精密加工技術概況

            發布時間:2021-8-2??????發布人:澤天傳感??????點擊:

            目前,精密加工是指加工精度為1~0.1μm,表面粗糙度為Ra0.1~0.01μm的加工技術,但這個界限是隨著加工技術的進步不斷變化的。精密加工所要解決的問題,一是加工精度,包括形位公差、尺寸精度及表面狀況,有時有無表面缺陷也是這一問題的核心;二是加工效率,有些加工可以取得較好的加工精度,卻難以取得高的加工效率。精密加工包括微細加工和超微細加工、光整加工等技術。

            傳統的精密加工方法有布輪拋光、砂帶磨削、超精細切削、精細磨削、珩磨、研磨、超精研拋技術、磁粒光整等。

            砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工,屬于涂附磨具磨削加工的范疇,有生產率高、表面質量好、使用范圍廣等特點。

            精密切削也稱金剛石刀具切削,用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工,主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工,比一般切削加工精度要高1~2個等級。從成本上看,用精密切削加工的光學反射鏡,與過去用鍍鉻經磨削加工的產品相比,成本大約是后者的一半或幾分之一。但許多因素對精密切削的效果有影響,所以要達到預期的效果很不容易。同時,金剛石刀具切削較硬的材料時磨損較快,而且加工出的工件的表面粗糙度和幾何形狀精度均不理想。

            超精密磨削用精確修整過的砂輪在精密磨床上進行的微量磨削加工,金屬的去除量可在亞微米級甚至更小,可以達到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。尺寸精度0.1~0.3μm,表面粗糙度Ra0.2~0.05μm,效率高。應用范圍廣泛,從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼等難切削材料,及半導體、玻璃、陶瓷等硬脆非金屬材料,幾乎所有的材料都可利用磨削進行加工。但磨削加工后,被加工的表面在磨削力及磨削熱的作用下金相組織要發生變化,易產生加工硬化、淬火硬化、熱應力層、殘余應力層和磨削裂紋等缺陷。

            珩磨用油石砂條組成的珩磨頭,在一定壓力下沿工件表面往復運動,加工后的表面粗糙度可達Ra0.4~0.1μm,最好可達Ra0.025μm,主要用來加工鑄鐵及鋼,不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。

            精密研磨與拋光通過介于工件和工具間的磨料及加工液,工件及研具作相互機械摩擦,使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達到其他加工方法所不能達到的精度和表面粗糙度,被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工變質層很小,表面質量高,精密研磨的設備簡單,主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工。但精密研磨的效率較低,如干研速度一般為10~30m/min,濕研速度為20~120m/min。對加工環境要求嚴格,如有大磨料或異物混入時,將使表面產生很難去除的劃傷。

            拋光是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一種微細加工,主要用來降低工件表面粗糙度,常用的方法有:手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加工等。

            手工或機械拋光是用涂有磨膏的拋光器,在一定的壓力下,與工件表面做相對運動,以實現對工件表面的光整加工。加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm,可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。手工拋光的加工效果與操作者的熟練程度有關。

            超聲波拋光是利用工具端面做超聲振動,通過磨料懸浮液對硬脆材料進行光整加工,加工精度0.01~0.02μm,表面粗糙度Ra0.1μm。超聲拋光設備簡單,操作、維修方便,工具可用較軟的材料制作,而且不需作復雜的運動,主要用來加工硬脆材料,如不導電的非金屬材料,當加工導電的硬質金屬材料時,生產率較低。

            化學拋光是通過硝酸和磷酸等氧化劑,在一定的條件下,使被加工的金屬表面氧化,使表面平整化和光澤化?;瘜W拋光設備簡單,可以加工各種形狀的工件,效率較高,加工的表面粗糙度一般為Ra≤0.2μm,但腐蝕液對人體和設備有損傷,污染環境,需妥善處理。主要用來對不銹鋼、銅、鋁及其合金的光亮修飾加工。

            電化學拋光是利用電化學反應去除切削加工所殘留的微觀不平度,以提高零件表面光亮度的方法。它比機械拋光具有較高的生產率和小的表面粗糙度:一般可達Ra0.2μm,若原始表面為Ra0.4~0.2μm,則拋光后可提高到Ra0.1~0.08μm,加工后工件具有較好的物理機械性能,使用壽命長,但電化學拋光只能加工導電的材料。隨著電化學加工技術的發展,還產生了多種新型的復合加工方法,例如超精密電解磨削、電化學機械復合光整加工、電化學超精加工等。它們主要以降低工件的表面粗糙度值為目的,加工去除量很小,一般在0.01~0.1mm,對于表面粗糙度達到Ra0.8~1.6μm的外圓,平面、內孔及自由曲面均可一道工序加工到鏡面,表面粗糙度Ra0.05μm,甚至更低。電化學機械加工屬于一種加工單位極小的精密加工方法,從原理上講加工精度可以達到原子級,所以加工精度具有大的潛力,但由于左右其加工精度的因素目前還不是很清楚,所以在實際應用中,其加工表現出一定的不穩定性,這在很大程度上限制了它在工業生產中的應用。

            目前精密加工所能達到的加工精度距加工的極限還有相當的距離。努力開發加工單位極小的精密加工方法,必須在加工機理的本身就使其誤差分散在1nm以下的水平。目前加工單位比較小的加工方法主要有彈性破壞加工、化學加工、離子束加工、電子束加工、等離子體加工等。目前的金剛石切削和金剛石砂輪精密磨削從其加工機理上看,其加工單位就很大,從本質上講,要想得到0.05μm以下的精度開發精密的機械機構不論是加工裝置還是測量裝置,都需要精密的機械機構,包括導軌、進給機構及軸承等,超精密空氣靜壓導軌是目前最好的導軌,其直線度可達(0.1~0.2)μm/250mm,通過補償技術還可以進一步提高直線度,但是它沒有液體靜壓導軌的剛性大。同時,由于空氣靜壓導軌的氣膜厚度只有10μm左右,所以在使用過程中,要注意防塵。另外,在導軌的設計中,還可以用多根導軌并聯來均化氣膜的誤差。用高彈性合金、紅寶石制造的滾動導軌,系統誤差在0.5μm左右,隨機誤差可能超過0.1μm。

            目前超精密加工中所使用的磁懸浮軸承主軸精度低于空氣靜壓軸承主軸,空氣靜壓軸承主軸的回轉精度可達0.03μm,但這仍然無法滿足納米加工對主軸的精度要求。要想提高空氣靜壓軸承主軸的回轉精度就必須提高軸承的回轉精度,而空氣靜壓軸承的回轉精度受軸承部件的圓度和供氣條件的影響,由于壓力膜的作用,軸承的回轉精度是軸承部件圓度的1/15~1/20,所以,要得到10nm的回轉精度,軸和軸套的圓度要達到0.15~0.20μm。

            在目前的超精密加工領域中,對加工精度的測量主要有兩種方法;激光檢測和光柵檢測,而光柵的應用最為廣泛。目前光柵的測量精度可達nm級。

            精度高和可靠性高的檢測儀器和控制裝置的前提是開發高性能的傳感器以及伺服從動機構。如果開發出高性能的傳感器以及伺服機構及高精度、高速度、和高可靠性的讀出裝置,就可通過使用計算機進行檢測、分析及計算,以提高檢測精度。

            精密加工技術在今天顯得越來越重要,已成為目前高科技技術領域的基礎,與超精密加工有關的技術問題還有很多方面,如溫度控制技術、振動控制技術、環境控制技術等。

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